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（中国地质大学机电学院，湖北武汉，430074）
摘要：控制面板是机电产品人-机系统最主要的人机界面，它的设计直接影响操作人员的操作效率和准确程度。本文基于人机工程学原理，讨论了控制面板显示装置和操纵装置的设计及其相合性以及它的整体布局设计。
关键词：控制面板；人机工程学；显示装置；操纵装置
Study on control panel design based on Ergonomics
Song Xiao-qing Shen Xi
China University of Geosciences, Wuhan, Hubei, 430074
Abstract: Control panel is the most important human-machine interface in the system of person and machine, whose design connects directly with operating efficiency and accuracy of the operator. Based on Ergonomics principle, this article discusses respectively the design for the control panel of the display and control and their coincidence, in the end introduces the whole layout design.
Keywords: control panel; Ergonomics; Display device; Control device
0 引言
人机工程学（Ergonomics）是研究人、机器及环境之间相互联系、相互作用的学科，其设计对象是人机界面，设计涉及解剖学、生理学、心理学等人的因素。它把使用产品的人作为产品设计的出发点，要求产品的外形、色彩、性能等都要围绕人的生理、心理特点来设计，使人机实现高度协调，形成高效、经济、安全的有机系统。
目前产品设计过程中仅注意了高技术的应用和多功能的要求，而忽视了人和机器的协调关系，这导致其产品在国际市场上缺乏竞争力。因此基于人机工程学的产品设计就显得格外重要了。控制面板作为人机系统中的人机界面，它的设计直接关系到人操作人员的操作效率和准确性。因此它的设计不仅靠技术来解决，更需要应用人机工程的原理进行合理化设计，使之更适合于人的使用。
1 控制面板的设计与人机工程学的关系
控制面板是人与机器的沟通通道，也称为人机界面。人与机之间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人，实现机-人信息传递；人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后作出反应，实现人-机的信息传递。人机界面的设计直接关系到人机系统的合理性。人机工程学的最高目标是使人机系统相协调，以获得系统的最高效能。而控制面板的设计目标是设计出一个友好、人性化的人机沟通界面，保证操作者与机器之间信息传递的准确顺畅，提高机器的工作效率。
控制面板的作用是操作者与机器沟通的媒介，它通过显示器向操作者传递机器的信息，再通过控制器向机器发布信息指令。因此控制面板的设计主要包括了显示装置和操纵装置的选择、布局及其整体配合设计，还有控制面板的整体布局设计。其设计过程必然涉及到人体测量尺寸，应符合人的心理、生理特点，了解感觉器官功能的限度和能力以及使用时可能出现的积劳成疾，以保证人、机器之间的最佳协调。而这些正是人机工程学的研究内容，所以人机工程学是控制面板设计的设计准则和依据。充分考虑有利于人们很好的完成任务，既能减轻人的负担又能改善人的工作条件。
2 控制面板的设计
2.1 视觉工效和操作要求在设计中的应用
控制面板的设计既要使操作者能方便、迅速、准确地观察到各种信息，又要符合人的人体测量尺寸及生理、心理特性，使操作者在工作时处于舒适的操作状态。
一、视区的划分：在头部保持静止，眼睛正常活动的状态下，根据人眼对视觉信号的辨认清晰程度和辨认速度可分为以下四个视区：中心视区、最佳视区、有效视区、最大视区，参看表一。在控制面板的尺寸、结构设计和布局要充分应用最佳视区和有效视区。
表一 视区划分
视区 范围 辨认效果
铅锤方向 水平方向
中心视区 1.5°~3° 1.5°~3° 辨别形体最清楚
最佳视区 视水平线下15° 20° 在短时间内能辨认清楚形体
有效视区 上10°到下30° 30° 需集中精力，才能辨别清楚形体
最大视区 上60°到下70° 120° 可感到形体存在，但轮廓不清楚
二、操作要求
在控制面板的操作中，多数情况是采用坐姿操作。图1为坐姿控制台的参考式样和参考尺寸。显示器和操纵器数量较少的控制面板采用a）样式，显示器和操纵器安置在后倾20°的面板上，高度在水平视线以下；显示器和操纵器数量较多时采用b）式样，主要显示器安置在后倾10°的面板上，高度仍在水平视线以下，而它的下方以较大倾角的面板来安置操纵器。
a ) b )
图1 坐姿操作的控制面板
2..2 显示装置的设计
显示装置是人机系统中人机界面的主要组成部分之一。人依据显示装置所传示的机器运行状态、参数、要求，才能进行有效的操纵和使用。在面板设计中，应根据人的视觉特性、人体测量数据、人-机交互需要显示的信息内容的要求来选用显示器及显示仪表的布置。
一、显示器的选择
根据显示任务的需要和不同类型显示器的特点来选择。对于需要定量显示的信息，可采用数字显示器；对于定性显示的信息，可采用模拟显示方式，如指针式显示、图表显示和曲线显示等。
二、显示仪表的布置
显示装置的布置应遵循如下一般原则：
1）显示装置所在的平面与人的正常视线应尽量接近于垂直，以方便认读和减少读数误差。
2）根据人的视野、视区特性，显示装置的布置应紧凑，以适度缩小仪表板的总范围，并按重要性和观视频度，将显示器分别布置在合适的视区内。图2为视距约为800mm的条件下，仪表布置区域的示例。区域0点时双眼正对的中心点。
图2 显示装置布置区域及认读效果的示例
a)仪表板的尺寸（mm）与分区：Ⅰ—最佳认读区；Ⅱ—一般认读区
b)不同区域的正确认读区：Ⅰ—认读右半部；Ⅱ—认读左半部
3）显示装置的布置，应与被显示的对象有容易理解的一一对应关系。
2.3 操纵装置的设计
操纵装置把操作者的输出信号转换成机器的输入信号，其动作必须由人施加适当的力和运动才能实现。因此，操纵装置的设计要符合人机工程学，要适合人体力学和人体生理结构特征，使人操作最方便、反应最灵活的空间范围之内，否则会造成操纵困难，工作效率低，甚至影响人的身体健康。操纵装置的设计包括控制器的选择及其布局设计。
一、操纵器的选择
根据控制任务的需要和不同控制器的特点来选择符合要求的控制器。对于开关量信息的输入，可采用按键或按钮的形式；对于多项选择信息的输入，可采用一排按键的形式；对于连续信息的输入，可采用滑块形式等。
二、操纵器总体布局
操纵器的位置与操作者的操作和观测位置形成一定的空间几何关系，且所有操纵器都应尽量处于操作者的最佳观察范围内，并且最好是等视距的。要求精确调节的旋钮，最好设在与肩水平的上下区域内，尽量靠近被它控制的显示器附近。操纵器可以按操作顺序、重要性、使用频繁程度安排，当控制器较多时，可按其功能分区，各区可用线框、色彩等方法加以区分。且要符合人眼的运动特点，人眼的机能特点。
在设计和安装操纵器时，为了减少事故，人操作动作应与控制器的功能协调一致，如前进功能操作动作向上、向右。对于机器系统的警戒装置，设计时应将警戒装置是否能引起操作人员的注意以达到告警为目的，以保证安全和工作顺利地进行。
2.4 显示和操纵的协调设计
人机系统中人、操纵装置及显示装置共同构成了物化的人机界面。显控协调是信息沟通顺畅的关键，使显示与控制的关系于人们的期望达到一致性。要实现显控协调应符合以下原则：
一、空间协调性
操纵器和显示器配合使用时，操纵器应该与其相联系的显示器紧密布置在一起，操纵器一般布置在显示器的下方。当布置的空间受到限制时，控制器与显示器的位置之间，在空间位置上应有逻辑联系。主要包括：1）显示与控制在设计上存在相似的形式特性；2） 显示与控制在布置位置上存在对应或者逻辑关系。
控制与显示位置相合的目的主要是减少操纵者信息加工的复杂性，避免操纵错误，缩短操纵时间，提高工作效率。
二、运动协调性
根据人的生理和心理特性，人对显示界面与操纵界面的运动方向有一定的习惯定式。如顺时针旋转或自下而上，人自然认为是增加的方向；顺时针旋转旋钮，表明量的增加，反之则减少。控制器的运动方向与显示器或执行系统的运动方向在逻辑上是一致的。显示指示部分的运动、所控制变量的增减方向是决定运动关系协调性的主要因素。
三、概念协调性
显示与控制在概念上与人的期望一致，如绿色表示安全，黄色表示警戒，红色表示危险。
2.5 控制面板的总体设计
由显示装置和操纵装置组合而成的作业单元称为面板，也称控制台或操纵台。面板设计的基本要求有：1）尺寸宜人、能提供舒适的操作姿势和适宜的身体支承；2）显示器布局合理，适合人的视觉特性；3）操纵器布置合理、方便操作。
一、面板的水平作业区域
控制台的尺寸应符合人体尺寸数据，现以女性小百分位数的动态人体尺寸为依据，可得到控制台的水平作业区域如图3所示。图中画阴影的是操作者手眼能较好协调配合的区域，适合安置常用的操作器。
图3 面板的水平作业区域
二、 面板布局设计
面板的布局设计除了符合美学原则外，还要适应操作者的人体功能特点，以达到操作方便，获得最高的操作效率与准确性的目的。面板的布局设计应特别注意具有内在联系的显示装置和操纵装置的布置，使之符合操作者的逻辑。面板的布局设计应符合三个原则：重要性原则、分组原则及相关性原则
重要性原则：显示元件按重要性的大小，应依布置在面板的第1，2，3，4象限；操作元件应按使用频率的高低依次布置在第1，2，3，4象限。
分组原则：显示元件和操作元件应按功能分组，分组方法有线框围合法、颜色区分法、形状区分法和距离区分法等。
相关性原则：功能相关的显示元件和操作元件，在布置时应显示它们的内在逻辑关系。
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