摘  要：在机床的操控过程中，追究高效、安全、舒适已是当代主流。作为产品造型的工业设计师，必须着力xx机床用户越来越高的心理需求。本篇论文基于对人体形态特征和肢体活动范围参数的探讨，定量地分析合理的操作活动范围和舒适的操作姿势；同时结合人机工程学—以人为本的核心思想，对机床操控装置提出规范合理的设计标准，使其适合人的生理特征，以便有效地发挥人的能动作用，为操纵者提供安全、舒适的操作环境，从而达到提高工作效率的根本目的。
关键字：人体尺寸、人体运动、动作经济原则、人机工程学、人性化设计

 
机床操纵控制器种类繁多，按人体操作部位的不同可分为手部操纵装置（如：按键、开关、旋钮、手柄及转轮等）；脚部操纵装置（如：脚踏板、脚踏钮等）。对它们的要求是：其形状、大小、位置、运动方向、运动范围和操作力等要适合人的生理特征，方能是操纵者使用时得心应手、方便、省力而又高效等，这都要提供必要的人体特征参数、人体运动参数和具体要求，从而实现人性化的设计目标。

1、人体特征参数
利用人体特征参数可以定量地设计出合理的操纵装置。人体特征参数测量包括内容很多，但与机床操纵装置设计有关的主要方面有人体静态尺寸、人体动态尺寸等。
1.1人体静态参数
人体尺寸是人体测量工作者辛勤劳动的结晶。我国于1988年12月10日发布了《中国成年人人体尺寸》标准（GB/T10000－1988），于1989年7月开始实施该国家标准。见表1～表6，它适合于工业产品设计、建筑设计、工业技术改造、设备更新以及劳动安全保护装置和用品设计。

1.2人体动态测量参数
动态测量数据可为设计合理的操作活动范围和舒适的操作姿势提供资料。人体动态测量数据是指在被测者活动状态下测取的各种活动范围，主要是测成年男、女在坐姿或站姿时，上下肢体的活动角度和伸展长度。如图1所示。

在设计中为了保证系统高效，一般要求各种操纵器都处于在人体躯干不活动时手足所能及的范围之内；为了保证操作者的舒适和不易疲劳，必须保证人的操作活动处于人体各部活动舒适姿势的调节范围内。因此，在有关人机工程学设计标准中，又规定了人体各部位姿势调节范围如表7。

2、人体运动
人体的运动包括骨骼、关节和肌肉三大部分。骨与骨连接构成骨骼，肌肉收缩时牵引着骨骼围绕关节转动，使人产生各种各样的运动和操作姿势。
按完成操作情况，动作类型分为：
〔1〕定位动作
定位动作是人朝着所要求的目标移动，并达到目标的动作，如按开关、旋转按钮等。定位动作如果在目视的情况下进行，叫做视觉定位动作，不依赖视觉进行的叫做盲目定位动作。这两种动作都是操作控制的基本动作，但是一般以视觉定位动作为主，盲目定位动作为辅。
人的生理特征、性别和操作目标的位置、大小、色彩、形状是影响定位动作完成的主要因素。操纵目标大而清晰、色彩鲜明时定位动作质量高。而盲目定位动作主要与目标的位置和大小有关，通常在容易达到的位置。
〔2〕重复动作
重复动作也叫反复动作，是指连续不断地重复相同的动作，动作频率是影响动作质量的重要因素，人体各部位动作的{zd0}频率各不相同，如表8所示：

〔3〕连续动作
连续动作也叫追踪动作，是对操作着进行连续控制的动作，是一种需要意识参与的全程控制行为。
〔4〕逐次动作
逐次动作是指在一定条件下，各种基本动作按一定顺序，有次序地进行。逐次动作完成的好坏受动作距离和动作逻辑性的影响，动作逻辑性是指位置的逻辑，也可以是人们熟知的某种习惯性。研究逐次动作对操作环境的合理布局，具体操作目标的摆放等有积极指导意义。
〔5〕调整动作
调整动作是指在一定时间内，人体各部位保持在特定位置上的动作。他是肌体的一种自我保护形式，不断调整以改善某一部分肌肉的受力状态。设计师在设计时既要避免过多的调整动作，提高工作效率，又要考虑到肌体的这种需要，为人提供调整的机会和空间，以达到松弛的效果。
3、动作经济原则
人在操作时的动作直接影响工作效率。因此，为了减少操作疲劳，缩短操作时间，提高工作效率，需要寻求最合理的动作，从而设计出适合人体运动的操纵装饰，也就是所谓的动作经济原则。
人的四肢能力不一，下肢力量大，但是只能完成简单动作；手指力量不大，但却能完成精细的工作。这就必须根据四肢的特点合理设计操纵器，除必须使用手的工作外，应尽量采用脚踏控制装置。
动作的连续、自然、有节奏、合理利用运动惯性以及缩短移动距离可以减少人的用力，减少疲劳。因此操作装置的设计应在使人体四肢保持重心平衡的前提下，尽可能使双手或双臂同时对称参与工作。各装置的布置应尽可能使其放在适当工作位置，同类装置分布排列合理以使操作者减少变动姿势，并且尽量利用机械本身的力。
此外操纵装置设计必须形状合理，使四肢达到 “随心所欲”“事半功倍”的效果；在色彩编码准确达意的前提下，因给人以活力、亲切之感，同时在危险操作处应当加以安全色彩标志以示警戒等。

4、操纵装置设计中的人机工程 学问题——人性化设计
人机工程学研究的主要内容是“人－机”系统，分别属于行为科学、技术科学的研究范畴。以这两大要素作为基础结构，不仅着重这两大要素本身的性能分析，而且更加重视两大要素间的相互关系、相互作用、相互影响，以及其协调方式的研究，以便有效地发挥人的作用，并为操纵者提供安全和舒适的环境，从而达到提高工作效率的根本目的。
人性化设计是指在符合人们的物质需求的基础上,强调精神与情感需求的设计。它综合了产品设计的艺术性与安全性，就是要在设计中注重产品内环境的扩展和深化。人性化设计是真正体现出对人的尊重和关心, 其核心是以“人”为中心，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个首要的条件来考虑。
以人为本，研究人的行为特征及器官的功能为前提。主要研究：
〔1〕、人体静态测量尺寸、动态测量尺寸以及人体四肢向不同方向伸展时到达的范围；
〔2〕、研究人体各部分的出力、动作速度、频率以及习惯动作等；
〔3〕、分析人体对各种负荷的反映速度、适应能力及怎样工作才能减少疲劳和能量消耗
〔4〕、人在系统中的可靠性、人为差错率以及其影响因素等
围绕这一目的机床操纵装置设计，着重研究一下几个方面的问题。
4.1手动操纵控制器
手是人体进行操作活动最多的器官之一。长期不合理的手动操纵，能使人产生手部痛觉，出现老茧，甚至变形；同时也能引起大脑疲劳，影响劳动情绪、降低工作效率、影响劳动质量。因此，设计时应充分研究手与物的关系。比如：首先操纵控制器的形状应与手动特点相适应。就手掌而言，掌心部位肌肉最少，指骨间肌肉和手指肌是神经末梢满布的地区，而指球肌、大鱼际肌、小鱼际肌是肌肉丰满的部位，是手掌上xx减振器，见图2。

因此设计手的接触物时应避免将受力集中于掌心和指骨肌，防止受压、受振而引起难以愈合的痉挛，至少也减少手的疲劳和操作不佳；其次，形状应便于触觉对它进行识别；再者就是手动控制器尺寸应符合人手尺寸需要以及运动规律（比如手的垂直方向运动速度比水平运动速度快；手从上往下运动速度比从下往上运动速度快；在水平面内，手的前后运动速度比左右运动速度快，同时旋转运动又比直线运动快；一般人而言右手活动比左手快，顺时针活动比逆时针活动快；单手操作比双手操作快而准，而双手同时同步操作省时省力）。
机床上的手动操纵器设计按操纵的运动凡是可分为旋转式操纵器、移动式操纵器和按压式操纵器。机床上几种常见的手动操纵器如图3所示。

〔1〕、旋转式操纵器
旋转式操纵器包括手轮、旋钮、摇把等，它们可用来改变机器的工作状态，调节或追踪操纵，也可将系统的工作状态保持在规定的工作参数上。
旋钮是用手指的扭转来达到控制的，其外形特征由功能决定，在保证功能的前提下，其外形应简洁、美观。同时为方便手指旋转方便建议的适宜尺寸如图4所示
手轮和摇把均可自由做连续旋转。根据用途不同，其大小差别很大。机床上用的小手轮直径一般为60～100mm。其尺寸大小和操纵效率和其在空间安装位置有很大关系。例如当操纵力很大时，手轮和摇把{zh0}设置在离地面1000～1100mm的范围内。

 
  〔2〕、移动式操纵器
移动式操纵器包括手把、操纵杆等。它们可用来把系统从一个工作状态转换到另一个工作状态，或作为紧急制动之用，具有灵活、可靠等特点。
手把外形设计时，要做到手握舒适、施力方便、不产生滑动，同时还需易于控制它的动作。从手掌的结构可知，指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌肌肉丰富，是xx减振器，而掌心部分肌肉最少。所以手柄的设计应使操作者握住手柄时掌心处于略有空隙，以减少压力和摩擦力的作用。
合理的操纵杆设计必须考虑手幅长度、手握粗度、握持状态。通常，手把长度必须接近或超过手幅长度，使手在握柄上有一个活动和选择范围。手柄的径向尺寸必须和正常的手握尺度相符或小于手握尺度。如果太粗，手就握不住手把；太细，手部肌肉会应过渡紧张而疲劳。另外手把结构必须能够保持手的自然握持状态，以使操作灵活自如。
〔3〕、按压式操纵器
按压式操纵器包括按钮、按键等。具有占地小、排列紧凑等特点。按压式操纵器常用在机床的开停、制动控制上。
按压式操纵器的设计主要根据手指尺寸、手指端的弧形和尺寸进行设计。
按钮基本是圆形和矩形。圆形按钮直径以8～18mm为宜，矩形以10mm×10mm，10mm×15mm，15mm×20mm为宜，按钮高出盘面5～12mm，按钮间距12.5～25mm为宜。同时为了增加手感，按键形式中间以凹型为佳。
4．2脚动操纵控制器
一般在需要连续进行操作，而手又不方便，同时操纵力较大的场合选用脚动操纵。
脚动操纵控制器主要有脚踏板和脚踏扭两类。机床上几种常见的脚动操纵器如图5所示。

人的姿势、脚的位置和方向都影响脚出力的大小。一般脚踏操纵器都采用坐姿操作，只有少数操纵力较小（小于50N）的才允许采用立姿操作。脚处于不同位置上所产生的{zd0}蹬力如图6所示。

由此可见为了方便施力，必须提供一个牢固的合理的座椅支撑。座椅的高度应低于一般座椅的高度，具体见图7，这样当操作力很大时，踏板的高度可与椅面相平或稍低，但是不得超过椅面高度。

〔1〕、脚踏板的设计
脚踏板可以分为双脚操作踏板和单脚操作踏板。脚踏板大多设计成矩形和椭圆型，以便于施力，同时较好的脚踏板尺寸有利于操作和施力。如图8所示。

〔2〕、脚踏扭的设计
脚踏扭可设计成矩形，也有圆形。在手不方便操作的情况下，脚踏扭可取代手按钮进行操纵。它可以迅速操作，但一般只限于开或关的简单操作。常用的脚踏扭设计尺寸如图9所示

5、结束语
随着当今工业设计的发展与应用，机床的造型设计应引起广泛的重视，并大力开展相关的研发工作。针对我国的机床发展现状，通过对人体运动参数分析，结合工业设计方法以及人机工程学理论，在机床操控装置设计尝试做了一些浅探，希望这一探索能{zd0}限度地发挥人的主观能动性以及自身运动潜力，从而舒适、省力、高效、安心操作，减少疲劳、失误，保证工作有序良好进行的可靠保证。

参考文献：
[1]、封根泉编著. 《人体工程学》.兰州：甘肃人名出版社,1990.
[2]、丁玉兰主编.《人机工程学》.北京：北京理工大学出版社,1989.
[3]、朱序璋主编.《人机工程学》.西安：西安电子科技大学出版社,2001.
[4]、刘谊才、李文痒主编.《工业产品造型设计》.科学出版社,1993.
 

The Parameter of the Human Body and the Design about the Mechanical Control Device

JI Chen   WANG Jun-min
(Mechanical Engineering College, Donghua University,Shanghai 201620,China)

Abstract：Perusing efficiency, safety and comfort in the operation of machinery has been the key theme of modern industry design. Being a product mould designer, great effort should be made to understand those potential needs from the end users of machinery. Based on the discussion about the morphology of human body and the character about the range of limb movement, a quantitative analysis has concluded to the best territory and comfortable posture for the machine user. Meanwhile, intergrading with the way of human-oriented design, the key idea of ergonomics, the paper also indicates the practicable standards for setting control devices. Applied to those standards, the design can well adapt to body morphology so that not only the operator’s strength can be exerted in most but also safe and comfort condition of operation can be provided. All of these finally contribute to the efficiency of machinery operation.
Keywords: Dimension of the human body、Movement of the human body、Economic principle of the action、Ergonomics、Human-oriented design