第十四章 人机界面设计 重点与难点分析 1．在人机系统中，存在着一个人与机相互作用的“面”，所有的人机信息交 流都发生在这个面上，通常称为人机界面。在人机界面上，向人表达机械运转状 态的仪表或器件叫显示器，供人操纵机械运转的装置或器件叫控制器。对机械来 说，控制器执行的功能是输入，显示器执行的功能是输出。对人来说，通过感受 器接受机械的输出效应(例如显示器所显示的数值)是输入，通过运动器操纵控制 器，执行人的意图和指令则是输出。如果把感受器、中枢神经系统和运动器作为 人的三个要素，而把机械的显示器、机体和控制器作为机械的三个要素，并将各 要素之间的关系用图表示出来，叫做人机界面三要素基本模型，人机界面设计主 要指显示器、控制器以及它们之间的关系的设计，应使人机界面符合人机信息交 流的规律和特性。 2．按人接受信息的感觉通道的不同，可将显示器分为视觉显示、听觉显示 和触觉显示等。 三种显示方式传递的信息特征 显 显 示 示 传递的信息特征 传递的信息特征 方 方 式 式 1.比较复杂、抽象的信息或含有科 1.较短或无需延迟的信息 视 听 学技术术语的信息、文字、图表、 2.简单且要求快速传递的信息 觉 觉 公式等 3.视觉通道负荷过重的场合 显 显 2.传递的信息很长或需要延迟者 4.所处环境不适合视觉通道传递 示 示 3.需用方位、距离等空间状态说明 的信息 的信息 4.以后有被引用的可能的信息 触 5.所处环境不适合听觉传递的信息 1.视、听觉通道负荷过重的场合 觉 6.适合听觉传递，但听觉负荷已很 2.使用视、听觉通道传递信息有 显 重的场合 困难的场合 示 7.不需要急迫传递的信息 3.简单并要求快速传递的信息 8.传递的信息常需同时显示、监控 3．仪表的类型及特点 （1）数字式显示仪表。它是直接用数码来显示有关参数或工作状态的装置， 这类显示装置有认读速度快、精度高、且不易产生视觉疲劳等优点。 （2）刻度指针式仪表。它是用模拟量来显示机器有关参数和状态的视觉显 示装置。其特点是显示的信息形象化、直观，使人对模拟值在全量程范围内所处 的位置一目了然，并能给出偏差量，对于监控作业效果很好。刻度指针式仪表按 其功能又可分为四种。1） 读数用仪表。2）检查用仪表。3）追踪用仪表。4） 调节用仪表。 仪表的刻度盘设计中需要考虑的因素： （1）刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线，其高度与视距有关。 （2）刻度线之间的间距要适当。 （3）刻度盘的数字进级方法和递增方向，对提高判读效率、减少误读有重 要作用。 （4）仪表刻度盘的汉字、字母和数字等统称为字符。 （5）圆形仪表的刻度直径与视距和刻度数有关。 为了更好地认读，仪表刻度必须标有数字。 好 不好 好 不好 刻度的标数 仪表的指针：指针是指针式仪表的重要组成部分，所有这类仪表的读数或状 态显示，都是由指针来指示的。 仪表的颜色搭配： 清晰的配色 顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 底色 黑 黄 黑 紫 紫 蓝 绿 白 黑 黄 被衬 黄 黑 白 黄 白 白 白 黑 绿 蓝 色 模糊的配色 顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 底色 黄 白 红 红 黑 紫 灰 红 绿 黑 被衬 白 黄 绿 蓝 紫 黑 绿 紫 红 蓝 色 4．信号显示设计 信号装置主要有两个作用，其一是指示性的，即引起操作者的注意，或指示 操作，具有传递信息的作用；其二是显示工作状态，即反映某个指令、某种操作 或某种运行过程的执行情况。 信号的形状：信号灯的形状应简单、明显，与它所代表的含义应有逻辑上的 联系，以便于区别。信号灯经常使用颜色编码，来表示某种含义和提高可辨性。 信号灯的亮度设计与环境的关系：信号灯必须清晰、醒目，并保证必要的视 距。信号的可察觉亮度随背景亮度而变化，即察觉效率随着与背景对比度增加而 提高。利用闪光信号较之固定信号更能引起人们的注意。信号灯显示往往受到视 觉环境干扰的影响。 5．荧光屏显示设计 荧光屏的显示特征：使用荧光屏显示信息有其独特的优点，可以在其上显示 图形、符号、文字以及实况模拟，既能作追踪显示，又能显示动态画面，并且随 着这方面的软硬件技术进步，它将在人一机间的信息交换中发挥更为重要的作 用。 目标状态对显示的影响：（1）亮度；（2）呈现时间；（3）余辉；（4）目标的 运动速度；（5）目标的形态；（6）目标与背景的关系。 屏面的形状与尺寸：屏面有矩形和圆形两种，屏面坐标也相应有直角坐标和 极坐标。从目标观察和定位工作效率来看，直角坐标优于极坐标。 5．标志符号设计 标志符号的特征和要求：设计或选择标志符号的最基本要求就是要使人们 容易理解其含义。具体要求包括：必须考虑使用目的和使用条件，采用与其含义 相一致的图形；可利用颜色、形状、图形、符号、文字进行编码，以提高辨别速 度和准确性；不得使用过分抽象或人们难以接受的图形，应采用人的知觉图形， 以便于记忆，减少视认时间；尽量用图形符号代替文字说明，以减少判读时间， 使用简便；尽量使用国际通用的标志符号；与显示器和控制器有关的标志符号， 要合理区分和布置，符合操作者的心理和动作特征；避免环境背景产生视觉干扰。 设计标志符号要符合人的知觉特点主要设计原则为：（1）形与基分明；（2） 边界明显；（3）封闭；（4）简明；（5）完整。 标志符号的文字信息设计原则：（1）信息简短而明确；（2）使用短句子；（3） 使用主动句；（4）使用肯定句；（5）使用易懂文字；（6）按时序组句。 6．听觉显示设计 由于人的听觉具有反应快、能感知方向，感知信息的范围广、不受照明条件 和物体障碍的限制等特点，而且还具有强迫人注意的特点，因此，声音传示信息 的应用范围很大。 音响及报警装置： （1）蜂鸣器：它是音响装置中声压级最低，频率也较低的装置。蜂鸣器发 出的声音柔和，不会使人紧张或惊恐，适用于较宁静的环境，常配合信号灯一起 使用。 （2）铃：因铃的用途不同，其声压级和频率有较大差别，例如电话铃声的 声压级和频率只稍大于蜂鸣器，主要是在宁静的环境下让人注意。 （3）角笛和汽笛：角笛的声音有吼声(声压级90～100dB、低频)和尖叫声(高 声强、高频)两种。常用作高噪声环境中的报警装置。 （4）警报器：警报器的声音强度大，可传播很远，频率由低到高，发出的 声音富有调子的上升和下降，可以抵抗其它噪声的干扰，特别能引起人们的注意， 并强制性地使人们接受。它主要用作危急事态的报警，如防空警报、救火警报等。 言语显示装置：人与机器之间也可用言语来传递信息。传递和显示言语信号 的装置称为言语显示装置。在设计言语显示装置时应注意以下几个问题：（1）言 语的清晰度；（2） 言语的强度；（3）噪声对言语传示的影响。 听觉显示装置的选择原则 音响显示装置的选择原则：使人们在噪声中也能辨别出音响信号；报警装置 最好与信号灯一起作用，组成视、听双重报警信号；要求音响信号传播距离很远 和穿越障碍物时，应加大声波的强度，使用较低的频率；在小范围内使用音响信 号，应注意音响信号装置的多少。 言语显示装置的选择原则：各信息内容不易混淆；言语显示装置所显示的言 语信息，表达力强，较一般的视觉信号更有利于指导检修和故障处理工作。在某 些追踪操纵中，言语显示装置的效率并不比视觉信号差。在一些非职业性领域中， 如娱乐、广播、电视等，采用言语显示装置比音响装置更符合人们的习惯。 7．控制器设计 控制器是人一机系统的重要组成部分，也是人机界面设计的一项重要内容， 控制器的设计是否得当，直接关系到整个系统的工作效率、安全运行以及使用者 操作的舒适性。控制器设计的主要内容包括：控制器外形、大小、位置、运动方 向、运动范围、操纵力以及操作过程的宜人性等。 控制器的分类 基本类 动作类 举 例 说 明 型 别 旋转控 曲柄、手轮、 旋转 控制器可以做360°以下旋转 制器 旋钮、钥匙等 近似平 开关杆、调节 控制器受力后，围绕旋转点或轴摆动，或者 移控制 摆动 杆、拨动式开 倾倒到一个或数个其他位置。通过反向调节 器 关、脚踏板等 可返回起始位置 控制器受力后，在一个方向上运动。在施加 按钮、按键、 按压 的力被解除之前，停留在被压的位置上。通 键盘等 过反弹力可回到起始位置 控制器受力后，在一个方向上运动，并停留 平移控 手闸、指拨滑 在运动后的位置上，只有在相同方向上继续 滑动 制器 块等 向前推或者改变方向，才可使控制器做返回 运动 控制器受力后，在一个方向上运动。回弹力 拉环、拉手、 牵拉 可使其返回起始位置，或者用手使其在相反 拉钮 方向上运动 常用控制器的特征比较 控制器种类 离散调节 连续调节 肘 连 特征 旋转 手 脚 拇 拇指 节 续 手 曲 踏 手 选择 按 按 指 轮 开 旋 轮 柄 板 柄 开关 扭 钮 轮 关 钮 能形成大力 － － － － － 否 否 是 是 是 是 非 非 将控制器置 中至 － 常 快 常 － － － － － － 位需要时间 快 快 快 推荐的控制 位置（置位） 3~24 3~24 2 2 2~3 － － － － － 数目 控制器的位 小 中 中 置和操作的 中 小 小 大 小 至 小 大 至 大 至 空间要求 中 大 大 偶发启动的 低 低 中 高 中 中 高 高 中 中 高 可能性 0.3 1.3 cm cm ± ± 控制运动的 270 120 无 180 无 － × × 60 小 45 理想限度 ° ° 限 ° 限 3.8 10. ° ° cm 2cm 中 编码的有效 好 差 至 差 中 好 差 中 中 差 好 性 好 中 中 差 中 视觉辩认置 中至 好 差 差 至 至 差 至 差 差 至 位的有效性 好 好 好 中 好 非视觉辨认 差 差 差 差 中至 置位的有效 差 中 差 好 至 差 至 差 至 至 好 性 好 中 中 中 作为同类控 制器陈列中 的一个控制 好 好 差 差 好 好 差 差 差 差 好 器时检查读 出来确定置 位的有效性 与同一行中 差 好 好 差 好 差 好 差 差 差 好 的同类控制 器同时操作 的有效性 作为组件控 制器的一部 中 中 好 差 好 好 好 好 差 差 好 分的有效性 8．控制器的设计 在具有多个控制器的系统中，为了提高操作者辨别控制器的效果，应对控制 器进行编码。编码方式主要有：形状、位置、大小、颜色和标记等。每一种编码 方式都有优点和弊端，往往把它们组合起来使用，以弥补各自的不足。 （1）形状编码：形状编码是将不同功能的控制器，设计成不同的形状及表 纹，便于操作者辨认，不易发生混淆。它是一种容易被视觉特别是触觉辨识的编 码方式。 1)控制器的形状与它的功能有逻辑上的联系，以便于形象记忆。 2)控制器的形状应能在不用视觉或有必要戴手套的情况下，凭触觉也可分辨 清楚。 （2）位置编码：位置编码是通过位置安排不同来识别控制器的一种方式。 控制器可按视觉定位，也可盲视定位，后者是指操作者即使不直接注视控制器也 能正确操作，控制器之间需有更大的间距。控制器位置分布，可按其功能组合排 列；使控制器与显示器具有相对应的位置；同一种控制器放在相同位置上，各区 之间用位置、形状、颜色、标记等加以区分；重要的控制器放在人肢体最佳活动 范围内。 （3）大小编码：大小编码是通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一 种方式。 （4）颜色编码：颜色编码是利用颜色不同来识别控制器的一种方式。 （5）标记编码：标记编码是通过标注图形符号或文字来识别控制器的一种 方式。 （6）操作方法编码：操作方法编码是通过来自不同操作方法产生的运动觉 差异来识别控制器的一种方式。 控制器的外形结构：控制器的大小与其使用目的和使用方法有密切关系。控 制器的尺寸设计不仅应与操纵者的身体部位尺寸相适应，而且还必须考虑操作者 的操作方式。对于手动控制器，不同的操作方式要求不同的控制器尺寸。 控制器的阻力：控制器应有一定的操作阻力。操作阻力的作用，在于提高操 作的准确性、平稳性和速度以及向操作者提供反馈信息，以判断操纵是否被执行， 同时防止控制器被意外碰撞而引起的偶发启动。因而控制器应根据操作要求选择 适宜的阻力。 控制器的偶发启动：在操作过程中，由于操作者的无意碰撞或牵拉控制器或 外界振动等而引起的控制器的偶发启动，即在不必要的时候意外地驱动了控制 器。为避免控制器被无意碰撞或牵拉而引起的意外驱动，造成伤人事故，在设计 控制器时，应考虑如下防范措施： （1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内； （2）在控制器上加保护罩； （3）将控制器安装在不易被碰撞的位置； （4）使控制器的运动方向向着最不可能发生意外用力的方向； （5）操作者必须连续做两种操作运动，才能使控制器被启动，而后一种操 作运动与前一种操作运动的方向不同，以此将控制器锁定在位置上； （6）一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使控制器彼此之间 具有连锁作用。如配电柜上的油开关和刀闸开关的操作顺序连锁； （7）适当增大控制器的操作阻力。 9．累积损伤疾病是指由于不断重复使用身体某部位而导致的肌肉骨骼的疾 病。其症状可表现为手指、手腕、前臂、大臂和肩部的腱和神经的软组织损伤， 也可表现为关节发炎或肌肉酸痛。 各种累积损伤都与下列因素密切相关。 （1）受力。人体某部位的受力是造成累积损伤的必要因素，外力的不断挤 压会使软组织、肌肉或关节的运动无法保持在舒适的状态。一般，重负荷的工作 使肌肉很快产生疲劳而且需要较长的时间来恢复。骨骼肌需要重新恢复弹力，缺 乏足够的恢复休息时间会造成软组织的损伤。 （2）重复。人体某部位的重复受力是造成累积损伤的关键因素，任务重复 得越多，则肌肉收缩得越快、越频繁。这是因为高速收缩的肌肉比低速收缩的肌 肉产生的力量要小，因此重复率高的工作要求更多的肌肉施力，也就需要更多的 休息恢复时间。在这种情况下，缺乏足够的休息时间就会引起组织的紧张。人体 的累积损伤都是由于重复施力造成的。 （3）姿势。不正确的作业姿势也是造成累积损伤的重要因素，作业姿势决 定了关节的位置是否舒适。使关节保持非正常位置的姿势会延长对相关组织的机 械压力。作业姿势应满足人的用力原则：动作有节律，关节保持协调，可减轻疲 劳；各关节的协同肌群与拮抗肌群的活动保持平衡，能使动作获得最大的准确性； 瞬时用力要充分利用人体的质量做尽可能快的运动；大而稳定的力量取决于肌体 的稳定性，而不是肌肉的收缩；任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原理。 （4）休息。没有足够的休息时间意味着肌肉缺乏充足的恢复时间，结果会 引起乳酸的积聚和产生能量的过度消耗，从而使肌肉疲劳，力量变小，反应变慢。 疲劳肌肉的持续工作增加了软组织损伤的可能性。充分的休息可以使肌肉恢复自 然状态。