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1、手动装置设计手的尺寸与人体关节活动手动装置设计的人机工程学原则人体的施力与运动输出特性常用手动装置的设计案例分析一.手的尺寸与人体关节活动1 手的尺寸2 人体关节活动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。1.手的尺寸2.人体关节活动手部关节活动范围a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：向手心或手背
2、方向的转动，分别称为掌侧屈、背侧屈，参看图5-3a；向拇指或小手指方向的转动，分别称为桡侧偏、尺侧偏。腕关节的活动范围手部关节活动范围(b)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。手动操纵器按操控运动的轨迹，可分为：旋转式操纵器：如旋钮、摇柄、十字把手、手轮(转向盘)等。移动式操纵器：如操纵杆、手柄、推扳开关等。按压式操纵器：如按钮、按键等。用手掌按压操作的操纵器的表面，采用蘑菇样的球面凸起形状。用手指按压的表面要有适合指形的凹陷轮廓。按钮的水平截面应为圆形或矩形，按键应为矩形。矩形按钮和直径3 5mm 的按
3、钮可做成球面或平面形状；在需要互相区别、避免混淆而进行编码的情况下允许制成其他形状。用手指操作的扳钮开关、转换开关的柄部应为圆柱形、圆锥形或棱柱形，柄部外端呈凸球形表面；圆锥形柄部的大头朝外(参看后面图5-28)。二.手动装置设计的人机工程学原则三.人体的施力a.人体的肌力及其影响因素1.人体主要部位的肌肉力量2.坐姿的手臂操作力3.立姿的手臂操纵力4.握力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：单条肌纤维的收缩力；该部位肌肉中肌纤维的数量和体积；肌肉收缩前的初长度；中枢神经的机能状态；肌肉对骨骼发生作用的机械条件，等等。从上面所
4、述可知，影响肌力大小的生理因素是复杂的。经测定，2030 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。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。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。表5-5 坐姿的手臂操纵力(中等体力的男子，右利者)分析表5-5 中的数据，可以看出：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；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
5、；对于左利者，情况应该相反。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。立姿屈臂操纵力的分布立姿、前臂在水平面两方向上的推力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
6、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。四.常用的手动装置一、按压式操纵器二、转动式操纵器三、移动、扳动式操纵器1.按压式操纵器2.(一)按钮和按键 常见的小型按压式操纵器是按钮；多个连续排列在一起使用的按钮又特称为按键，因为使用状态像钢琴上的琴键。按钮只有两种工作状态，如“接通”或“断开”，“起动”或“停车”等。2.转动式操纵器 常用的手动转动式操纵器有旋钮、
7、手轮、带把手轮(摇把)等。3.移动、扳动式操纵器 常用的手动移动、扳动式操纵器有操纵杆、扳钮开关、手闸和指拨滑块等，下面只简要介绍操纵杆和扳钮开关的设计要点。五.案例分析图5 21 手轮的造型方案(图下方的数字为该形式手轮适合的直径，单位：mm)合理的操作姿势与体位(a)合理的操作姿势与体位 操作手轮、带柄手轮的适宜性、便利性与很多因素有关，如手轮位置的高低、中心轴在空间的方向、操作者的姿势和体位等等，研究数据很丰富，此处不详细介绍，设计中需要时可去查阅有关文献资料。下面通过图5-22 和图5-23 两个例子，可以对此有所了解。图5 22 操作手轮的有利体位合理的操作姿势与体位(b)图5-22
8、 是立姿下操作手轮的有利体位。测试表明：离地面10001100mm 的手轮有利于操作者施加较大的转矩(图5-22a)，在肩部高度推拉手柄的力量最大(图5-22b)。图5-23 为操纵汽车转向盘的情况，可以用来说明坐姿下手轮操作姿势与操作力矩之间的关系。图5 23 向盘的空间位置与操作姿势a)小型车辆 b)一般车辆 c)大型车辆合理的操作姿势与体位(c)图5-23a 是驾驶小型车辆，转向盘的转矩小，主要用前臂操作即可，因此可以采取舒适的后仰坐姿，转向盘平面接近于铅垂方向。图5-23b 是驾驶一般中型车辆，转向盘的转矩略大一些，需要用到肩部和上臂的部分力量参与操作，因此不宜采用较大角度的后仰坐姿，转向盘平面与水平面在30 左右较为合适。图5-22c 是驾驶大型车辆，转向盘的转矩大，除肩部、上臂以外，有时还要用到腰部的力量参与操作，因此不能采取后仰坐姿，转向盘平面应接近在水平面方向，所在位置应比较低。适宜于抓握操作 操作不带柄的手轮(包括转向盘)时，手的抓握部位是轮缘(参看图413a)。轮缘多为圆截面，必要时做成波纹，以利于施加转矩。操作带柄手轮时，手的抓握部位是手柄。图5-24 中画出了a、b、c、d、e、f等6 种手柄的形状。