人体工程学操作供参习.docx

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人体工程学操作供参习

第五章 操作装置设计

本章重难点分析

　　本章重点在于了解掌握手足尺寸与人体关节活动；控制器的类型以及其选择标准；控制器设计中的人机因素；把握控制器的编码方法，如：

形状编码、大小编码、位置编码等；要还介绍了一些典型控制器的设计以及握按钮、开关、方向盘以及操纵杆等的设计方法。

　　人体的施力与运动输出特性作为高起专学生了解的内容不做要求。

第五章 操作装置设

第一节　手足尺寸与人体关节活动

一、人体手足尺寸 

　　人在感知显示装置传示的信息以后，经大脑分析，作出判断，然后操纵机器的运行。

在声控及其他非接触式智能控制技术充分发展以前，手足尤其是手动操纵，是主要的操纵方式。

生活中的工具、设施也多由手脚使用。

因此，操纵装置和器物设计中人的因素，主要是指手脚的操纵特性，包括人体手脚尺寸、肢体的施力与运动特性等，因此本章首先给出有关这方面的基本知识。

　　人体手足尺寸是操纵器尺寸设计的基本依据。

GB／T 10000－1988给出了中国成年人的手部基本尺寸，和足部基本尺寸，参看图5－1、表5－1和图5－2、表5－2。

　　　　　　　　　　　　　　图5－1人体手部尺寸 　　　　　　　　　　　　　图5－2　人体足部尺寸

表5－1　人体手部尺寸 （单位：

mm）

表5－2　人体足部尺寸 （单位：

mm）

二、人体关节的活动 

　　1．手部关节活动范围

　　手部的关节活动可分为腕关节活动和指关节活动两种类型。

　　腕关节主要有两个自由度的活动：

①向手心或手背方向的转动，分别称为掌侧屈、背侧屈，参看图5－3a；②向拇指或小手指方向的转动，分别称为桡侧偏、尺侧偏（两根前臂骨中大拇指一侧的那一根叫“桡骨”，小手指一侧的那一根叫“尺骨”，桡侧偏、尺侧偏的名称即由此而来），参看图5－3b。

腕关节虽能绕中指方向轴线作一点小角度的转动，但很费力，实际上主要由小臂转动来完成这样的活动。

图5－3中标注了经实验测定的几个“可达”的参考数据，需要注意的是：

人虽然能够活动到这个限度，但在接近此限度的状态下工作却是劳累的，时间长了还容易致伤，应该避免。

图5－3　腕关节的活动范围

a）掌侧屈和背侧屈 b）桡侧偏和尺侧偏

　　与手掌相连的指关节有两个自由度的活动：

手指握拳或伸开的伸屈活动；指间张开或并拢的张合活动。

不与手掌相连的指关节只能作伸屈活动。

　　2．人体的其他关节活动

　　人体全身还有其他很多关节，这些关节的最大活动范围和能轻松舒适调节的范围参看表5－3。

表列数值适用于一般情况。

年岁较高者，或衣着较厚者，关节活动范围有所减少。

人体可以大体看作是由多个关节连接而成的一个连环结构，正像腰关节总的转动角度是由几对腰椎骨间的转角累加的结果，全身各部位能够达到的活动角度，也是各有关关节转动角度累加的结果。

表5－3　人体主要关节的最大活动范围和能舒适调节的范围

关节

身体部位

活动方式

最大角度／（°）

最大活动范围／（°）

舒适调节范围／（°）

颈关节

头至躯干

低头、仰头

左歪、右歪

左转、右转

＋40～－35①

＋55～－55①

＋55～－55①

75

110

110

＋12～－25

0

0

胸关节

腰关节

躯干

前弯、后弯

左弯、右弯

左转、右转

＋100～－50①

＋50～－50①

＋50～－50①

150

100

100

0

0

0

髋关节

大腿至髋关节

前弯、后弯

外拐、内拐

＋120～－15

＋30～－15

135

45

0（＋85～＋100）②

0

膝关节

小腿对大腿

前摆、后摆

＋0～－35

135

0（－95～－120）②

脚关节

脚至小腿

上摆、下摆

＋110～＋55

55

＋85～＋95

髋关节

小腿关节

脚关节

脚至躯干

外转、内转

＋110～－70①

180

＋0～＋15

肩关节

（锁骨）

上臂至躯干

外摆、内摆

上摆、下摆

前摆、后摆

＋180～－30①

＋180～－45①

＋140～－40①

210

225

180

0

（＋15～＋35）③

＋40～＋90

肘关节

下臂至上臂

弯曲、伸展

＋145～0

145

＋85～＋110

腕关节

手至上臂

外摆、内摆

弯曲、伸展

＋30～－20

＋75～－60

50

135

0⑤

0

肩关节，下臂

手至躯干

左转、右转

＋130～－120①④

250

－30～－60

注释见 ①～⑤

第二节　人体的施力与运动输出特性

一、人体的肌力及其影响因素 

　　1．人体主要部位的肌肉力量

　　人体施力均来源于人体肌肉收缩所产生的力量，称为肌力。

决定肌力大小的主要生理因素是：

①单条肌纤维的收缩力；②该部位肌肉中肌纤维的数量和体积；③肌肉收缩前的初长度；④中枢神经的机能状态；⑤肌肉对骨骼发生作用的机械条件，等等。

　　从上面所述可知，影响肌力大小的生理因素是复杂的。

经测定，20—30岁中等体力的男女青年主要部位的肌力数值如表5－4所示。

表5－4　身体主要部位肌肉能产生的力值

肌肉的部位

力／N

肌肉的部位

力／N

男

女

男

女

手臂肌肉

左

370

200

手臂伸直时的肌肉

左

210

170

右

390

220

右

230

180

肱二头肌

左

280

130

拇指肌肉

左

100

80

右

290

130

右

120

90

手臂弯曲时的肌肉

左

280

200

背部肌肉

（躯干曲伸的肌肉）

1220

710

右

290

210

　　一般女性的肌力比男性低20％～30％。

右利者右手肌力比左手约高l0％；左利者左手肌力比右手约高6％～7％。

　　在工作和生活中，人们使用器械、操纵机器所使用的力称为操纵力。

操纵力主要是肢体的臂力、握力、指力、腿力或脚力，有时也用到腰力、背力等躯干的力量。

操纵力与施力的人体部位、施力方向和指向（转向），施力时人的体位姿势、施力的位置以及施力时对速度、频率、耐久性、准确性的要求等多种因素有关，详尽全面的描述是很复杂的。

各国人机学工作者对此进行过大量测定研究，积累了大量数据资料。

下面依次简介的坐姿的手臂操纵力、立姿的手臂操纵力和坐姿脚蹬力，仅是操纵力中与操纵装置设计关系较为密切的部分。

　　2．坐姿的手臂操作力

　　对于中等体力的男子（右利者），坐姿下手臂在不同角度、不同指向上的操纵力，可对照参看图5－4和表5－5。

图5－4　坐姿手臂操纵力的测试方位和指 

表5－5　坐姿的手臂操纵力（中等体力的男子，右利者）

手臂的角度／（°）

拉力／N

推力／N

左手

右手

左手

右手

向后

向前

180

150

120

90

60

225

186

157

147

108

235

245

186

167

118

186

137

118

98

98

225

186

157

157157

向上

向下

180

150

120

90

60

39

69

78

78

69

59

78

108

88

88

59

78

98

98

78

78

88

118

118

88

向内侧

向外侧

180

150

120

90

60

59

69

88

69

78

88

88

98

78

88

39

39

49

59

59

59

69

69

69

78

　　分析表5-5中的数据，可以看出：

①在前后方向和左右方向上，都是向着身体方向的操纵力大于背离身体方向的操纵力；②在上下方向上，向下的操纵力一般大于向上的操纵力。

表5－5是测试右利男子所得数据，所以右手操纵力大于左手操纵力；对于左利者，情况应该相反。

　　3．立姿的手臂操纵力

　　立姿屈臂操纵力的一项测试实验结果如图5－5所示。

实验研究了立姿屈臂从手钩向肩部方向的操纵力与前臂、上臂问夹角的关系，从图中可以看出：

前臂上臂间夹角约为70。

时，具有最大的操纵力。

像风镐、凿岩机之类需手持的较重器具，大型闸门开启装置等设施的设计时，都应注意适应人体屈臂操纵力的这种特性。

　　在图5－6a所示立姿、前臂基本水平的姿势下，男子、女子的平均瞬时向后的拉力分别可达约690N和380N；男子连续操作的向后拉力约为300N；向前的推力比向后的拉力小一些。

在图5－6b所示内外方向的拉推，则向内的推力大于向外的拉力，男子平均瞬时推力可达约395N。

　　　图5－5　立姿屈臂操纵力的分布　　　图5－6　立姿、前臂在水平面两方向上的推拉力

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　a）前后方向的推拉　　b）内外方向的推拉

　　4．握力

　　在两臂自然下垂、手掌向内（即手掌朝向大腿）执握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约为自身体重的47％～58％；女子约为自身体重的40％～48％。

但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水平。

非优势手的握力小于优势手。

若手掌朝上测试，握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。

　　人体所有的施力状态下，力量的大小都与持续的时间有关。

随着施力持续时间加长，力量逐渐减小。

例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减到最大值的1／4左右；且肌力衰减到最大值1／2所经历的持续时间，对多数人是基本相同的。

　　5．坐姿的脚蹬力

　　在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥较大的脚蹬操纵力。

脚蹬操纵力的大小与施力点位置、施力方向有关，一项实测的结果见图5－7。

该图是坐姿下不同侧视体位脚蹬力的分布情况；由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。

但工作时把脚举得过高，腿部肌肉将难以长久坚持；因此实际上图5-7中粗线箭头所画、与铅垂线约成70°的方向才是最适宜的脚蹬方向。

此时大腿并不完全水平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角在140°－150°之间。

从俯视的方向来看，腿的蹬踩方向偏离正前方15°以上，脚蹬操纵力就大幅度减小，操作灵敏度也明显降低。

图5－7　坐姿下不同侧视体位的脚蹬力

二、反应时和运动时 

　　从汽车驾驶者发现障碍，到完成一定操作，例如转动转向盘急速转向避让，或脚踩制动器立即制动，这段时间实际上由两个时间段构成：

第一个时间段是感知的时间，称为反应时；第二个时间段是动作的时间，称为运动时。

人机系统中其他各种操作的时间均由这样两部分构成。

（一）反应时

　　反应时指从刺激呈现，到人开始作出外部反应的时间间隔，也称为反应潜伏期。

这实际是如下知觉过程所经历的全部时间：

感觉器官接收外界刺激，刺激经由传人神经传至大脑神经中枢，神经中枢综合处理发出反应指令，指令经由传出神经传至肌肉，直至肌肉收缩开始反应运动。

　　影响反应时的有人的主体因素，也有刺激的各种客体因素，分述如下：

　　1．简单反应时、辨别反应时与选择反应时

　　如果呈现的刺激只有一个，要求接受刺激者作出的反应也是一个，且两者都是固定不变的，这种条件下的反应时称为简单反应时。

如果呈现的刺激可能多于一种，要求刺激接受者只对其中特定刺激作出反应，而对其他刺激不作反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时称为辨别反应时。

如果可能呈现的刺激不止一种，要求接受刺激者对不同的刺激作出一一对应的不同反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时称为选择反应时。

　　三种反应时中，简单反应时最短，辨别反应时次之，而选择反应时因为既要辨别刺激种类，又要确定相应的反应形式，所以时间最长。

辨别反应时和选择反应时都随可能呈现的刺激数目增多而延长。

表5－6是刺激数目对辨别反应时影响的一项测试结果。

表5－6　关于辨别反应时与刺激数目相关性的一项测试结果

刺激数目

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

辨别反应时／ms

187

316

364

434

485

532

570

603

619

622

　　2．刺激类型与反应时 

　　反应时随刺激类型即接受刺激的感觉器官不同而不同。

各种感觉器官对应的简单反应时一般范围见表5－7。

表5－7　各种刺激类型（感觉器官）的简单反应时范围

刺激类型

触觉

（触压、冷热）

听觉

（声音）

视觉

（光色）

嗅觉

（物质微粒）

味觉

（唾液可溶物）

深部感觉

（撞击、重力）

感觉器官

皮肤、皮下组织

耳朵

眼腈

鼻子

舌头

肌肉神经和关节

简单反应时／ms

110，230

120～160

150～200

210～390

330～ll00

400～1000

　　从表5-7可以看出，触觉、听觉和视觉反应时比较短，味觉和深部感觉反应时比较长。

另外触觉反应时与接受刺激的人体部位有关，脸部、手指的反应时短，腿部脚部的反应时长。

味觉反应时中，对咸、甜、酸的反应时分别约为308ms、446ms和536ms，而对苦的反应时则长得多，约为1082ms。

　　3．刺激强度与反应时

　　人的听觉能够感受到的最弱的声音称为“听阈”。

其实任何一种外界刺激都要达到一定的强度才能被人感受到，这一强度下的刺激量值称为该种感觉的感觉阈值。

反应时与刺激的强度有关，一般的变化规律是：

刺激很弱、刚刚达到阈值的条件下，反应时比正常值长得多；随着刺激强度加大，反应时逐渐缩短，但变化越来越小；到达一定的刺激强度以后，反应时就基本稳定不再缩短了。

对比表5－8中不同强度声刺激的反应时，可以看出这一变化规律。

表5－8　刺激强度与反应时的关系

刺激类型

刺激强度

简单反应时／ms

听觉声刺激

刚超过阈值

较弱的强度

中等强度

779

184

119

视觉光刺激

弱光照

强光照

205

162

　　4．刺激的对比度与反应时

　　除了刺激本身的强度以外，反应时还受刺激量值与背景量值对比度的影响，这种对比度常直接关系到刺激的可辨性。

例如同样的声刺激，因背景噪声的强度、频率不同而有不同可辨性，反应时也随之不同。

视觉刺激中，刺激颜色与背景色的对比影响刺激的可辨性，因而也影响反应时，一项测试结果见表5－9。

从表5－9可以看出，红一橙颜色对比下反应时较长，原因不难理解，是因为这两种刺激的对比较弱。

表5－9　颜色对比对反应时的影响

颜色对比

白一黑

红一绿

红一黄

红一橙

简单反应时／ms

197

208

217

246

　　影响反应时的其他刺激因素还有：

刺激持续的时间，是否有预备信号等。

　　5．人的主体因素与反应时

　　影响反应时的人的主体方面，有先天性的个体差异，当时的状况和培训造成的差异等几方面。

先天性的个体差异来源于素质、性别、个性等因素；当时状况指年龄、健康状况、疲劳状况、情绪、生理节律等状态；培训对反应时的影响更是明显，驾驶汽车、打字、速记等工作都可以通过培训减少反应时，从而有效地提高工作效率。

（二）运动时

　　运动时指从人的外部反应运动开始到运动完成的时间间隔。

运动时的时间组成，也包含着神经传导时间、肌肉活动时间及两者交互的时间等部分。

由于知觉和运动是人体两种性质不同的过程，所以反应时和运动时之间没有显著的相关性。

运动时随着人体运动部位、运动形式、运动距离、阻力、准确度、难度等的不同而不同，影响因素非常多。

通常作为“人体功能”基础数据进行测试的，只是最简单的运动，例如用手按压或触摸身体前方不远的某物、某点；而这对于操纵装置设计的应用显然是不够的。

实际操纵运动的情况很复杂，各种不同的操作类型和操作要求，运动部位、形式、距离、阻力、要求的准确度、难度都不相同，例如单单就旋转旋钮而言，由于旋钮尺寸、阻力、安放位置、要求调节准确度等条件不同，操作运动时间就大有差异。

所以各种操作运动的时间一般不作为人体功能基础数据、而属于操纵设计中肢体运动输出数据的范围。

三、肢体的运动输出特性 

（一）运动速度与频率

　　与肢体运动速度、频率有关的因素较多，下面就人体运动部位、运动形式、运动方向、阻力（阻力矩）、运动轨迹等因素的影响，各举一些实测数据的例子来作简要说明。

　　1．人体运动部位、运动形式与运动速度

　　表5－10给出了主要人体部位完成一次简单运动最少平均时间的参考数据。

从这些数据的对比，可以了解人体不同部位、不同形式和条件下运动时问的相对差异。

但与具体运动距离、运动角度、阻力、阻力矩有关的运动时间数据，尚需查阅详尽的资料或进行实测研究。

表5－10　人体完成一次动作的最少平均时间

人体运动部位

运动形式和条件

最少平均时间／ms

手

直线运动抓取

曲线运动抓取

极微小的阻力矩旋转

有一定的阻力矩旋转

70

220

220

720

腿脚

向前方、极小阻力踩踏

向前方、一定阻力踩踏

向侧方、一定阻力踩踏

360

720

720～1460

躯干

向前或后弯曲

向左或右侧弯

720～1620

1260

　　2．运动方向与运动速度

　　由于人体结构的原因，人的肢体在某些方向上的运动快于另一些方向。

一个测试实验的情况和结果如图5-8所示：

从水平平面上某定点起始，用右手向8个方向上的8个等距离的点运动；8个方向分别是：

从正右方的0°方向开始，每隔45°作为一个方向。

测定不同方向上的平均运动时间，成比例地以到中心点的距离用黑圆点标定在该方向上，得到8 个黑点；这8个点可连接成一个椭圆，椭圆的短轴大约在55°～235°的方向上，长轴大约在145°～325 °的方向上，如图5-8中两条互相垂直的虚线所标示。

这表明，右手在55°～235°方向，即在“右上一左下”方向运动较快；而在145°～325°方向，即在“左上一右下”方向运动较慢。

应该说，这一结果从生物力学来看是不难理解的。

图5－8　右手在水平面内8个方向上运动时间的对比

　　3．运动负荷与运动速度

　　肢体各种运动的速度都随运动中阻力的增大而减小。

表5－11所列数据是反映这种关系的一个例子：

掌心向上持握一个物体，在物体的三个不同质量等级下，测定记录手掌旋转一定角度所需要的时间。

表5－11　不同持握质量下手掌的转动角度与转动时间 （单位：

ms）

持握的质量／kg

30°

60°

90°

120°

150°

180°

≤0.9

110

150

190

240

290

340

1.0～4.5

160

230

310

380

460

550

4.6～16

300

440

580

730

870

1020

　　4．运动轨迹与运动速度

　　基于人体构造的原因，运动轨迹对运动速度的影响有以下几点：

　　1）人手在水平面内的运动快于铅垂面内的运动；前后的纵向运动快于左右的横向运动；从上往下的运动快于从下往上；顺时针转向的运动快于逆时针转向。

　　2）人手向着身体方向的运动（向里拉）比背离身体方向的运动（向外推） 准确度高。

多数右利者右手向右的运动快于左手向左运动，多数左利者左手向左的运动快于右手向右运动。

　　3）单手可以在此手一侧偏离正中60°的范围之内较快地自如运动，见图5－9a；而双手同时运动，则只在正中左右各30°的范围以内能较快地自如运动，见图5－9b。

当然，正中方向及其附近是单手和双手能较快自如运动的区域，见图5－9c。

图5－9　单手与双手能较快自如运动的区域

　　4）连续改变方向的曲线运动快于突然改变方向的折线运动。

　　5．运动频率

　　人体各部位的运动频率也是人机工程设计关注的数据。

表5－12是人体不同部位、

　　几种常用操作动作能够达到的最高频率。

表列数据对应的条件是：

运动阻力（或阻力矩）极为微小，运动行程（或转动角度）很小，由优势手或优势脚进行测试。

表列数据是一般人运动能达到的上限值，工作时适宜的操作频率应该小于这个数值，长时问工作的操作频率只能更小。

表5－12　人体各部位的最高运动频率 （单位：

次／s）

运动部位

运动形式

最高频率

运动部位

运动形式

最高频率

小指

敲击

3.7

手

旋转

4.8

无名指

敲击

4.1

前臂

伸屈

4.7

中指

敲击

4.6

上臂

前后摆动

3.7

食指

敲击

4.7

脚

以脚跟为支点蹬踩

5.7

手

拍打

9.5

脚

抬放

5.8

手

推压

6.7

（二）运动准确性及其影响因素

　　1．运动准确性

　　准确性是人体运动输出质量的重要指标。

准确地操作是人机系统正常运行的基本要求；快速操作只有在准确的前提才有意义。

操作运动准确性要求主要包括以下几个方面：

①运动方向的准确性；②运动量（操纵量），如运动距离、旋转角度的准确性；③操作运动速度的准确性（一般操作都要求实现平稳的速度变化，跟踪调节操作则要求更准确的操作速度）；④操纵力的准确性（在有一定阻力或阻力矩的操作中，准确的操纵量通常依赖准确的操纵力才能达到）。

　　2．运动准确性的影响因素

　　除了人们种种先天性的个体差异、当时的健康和觉醒水平、培训练习状况以外，运动准确性与运动本身的速度、方向、位置、动作类型等因素有关，下面仅就部分因素作简略的说明。

（1）运动速度与准确性 随着运动速度加快，准确性通常将会降低。

但两者的变化一般呈图4一l0 所示的速度～准确性特性曲线关系：

在曲线A点的附近，运动速度变化对准确性的影响很小，因此降低速度对提高准确性并无明显作用。

速度高到一定数值以后，图5－10的曲线下降明显，表明运动准确性加速降低。

因此在图5-10中A点附近选点，能兼顾到速度和准确性两方面的要求。

图5－10　运动速度一准确性特性曲线

（2）运动方向与准确性 图5－11是关于手臂运动方向对准确性影响的一个实测例子：

让受试者手握细杆沿图示的几种槽缝中运动，记录细杆触碰槽壁的次数，触碰次数多表示细杆在槽中运动准确性低。

在同样的测试设置下，四种运动方向的触碰次数已标注在图5－11a、b、c、d各分图下面，触碰次数之比为247：

202：

45：

32。

可见手臂在左右方向的运动准确性高，上下方向次之，而前后方向的运动准确性差，而且互相对比的差别是相当明显的。

图5－11　手臂运动方向对准确性影响的一个实例

　　（3）动作类型与准确性 使用操纵器和工具可能有各种不同的动作类型，由于解剖学的特点，肢体控制不同类型动作的准确性、灵活性是不同的。

图5－12给出了优劣不同的三组对比：

上面三个图所示操作的准确性，均优于对应的下图。

图

5－12a上图为在水平面内的转动操作，其准确性优于下图所画的在铅垂面内的转动操作；图5－12b上图为对水平面的按压操作，其准确性优于下图所画对铅垂面的按压操作；图5－12c上图为手握弯曲把手由大小臂控制的绕轴转动，其准确性优于下图所画手抓球体由手腕控制的绕轴转动。

准确性随动作类型而不同的现象很多，图5－12所示只是其中的少数几个示例。

图5－12　准确性随动作类型不同的例子

　　（4）运动量与准确性 准确性一般还与运动量大小有关，例如手臂伸出和收回的移动量较小（如100mm以内）时，常有移动距离超出的倾向，相对误差较大；移动量较大时，则常有移动距离不足的倾向，相对误差较小。

旋转运动量与准确性的关系与此类似。

第三节　操纵器设计的人机学原则

一、操纵器的类型与选用 

　　操纵器又称为操纵装置、控制器、控制装置。

（一）操纵器的类型