人機工程人體感知與運動系統(tǒng)

1、第3章 人體感知與運動特征,,第2章鏈接 第4章鏈接,3.1 人在系統(tǒng)中的功能,3.1.1 人是系統(tǒng)中的重要“環(huán)節(jié)” 把操作者作為人機系統(tǒng)中的一個“環(huán)節(jié)”來研究，人與外界發(fā)生聯(lián)系的主要是三個子系統(tǒng)，即感覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運動系統(tǒng)，見圖3-1。,3.1.2 人的感知與反應機能,1. 反射弧 反射是神經(jīng)系統(tǒng)調節(jié)肌體活動的一種基本形成。反射活動的全部結構組成反射?。环瓷浠【哂形鍌€基本環(huán)節(jié)，即

2、感受器 傳入神經(jīng)元 中間神經(jīng)元 傳出神經(jīng)元 放應器，見圖3-2（a）。,,,,,,2. 信息鏈 人機系統(tǒng)的信息在人的神經(jīng)系統(tǒng)中的循環(huán)過程形成信息鏈，見圖3-2（b）。3.1.3 感覺通道與信息的協(xié)調 人機系統(tǒng)中的最常用的感覺通道是視覺通道、聽覺通道和觸覺通道。其適用場合參閱表3-1。,3.2 視覺機能及其特征,3.2.1 視覺刺激 視覺的適宜刺激是

3、光。人的兩眼可以感受到的光波只占整個電磁光譜的一小部分，其波長為380~780nm，見圖3-3。3.2.2 視覺系統(tǒng) 視覺是由眼睛、視神經(jīng)和視覺中樞的共同活動完成的，見圖3-4 。 眼睛是視覺的感受器官，人眼是直徑為21~25mm的球體，其基本構造與照相機類似，見圖3-5 。 視網(wǎng)膜最外層細胞包括視桿細胞和視錐細胞，它們是接受信息的主要細胞。,3.2.3 視覺機能,1.視角與

4、視力 視角：確定被看物尺寸范圍的兩端點光線射入眼球的相交角度。 α=2arctg(D/2L) α—視角； D—被看物體上兩端點的直線距離； L—眼睛到被看物體的距離； 視力：眼睛分辨物體細微結構能力的一個生理尺度，以臨界視角的倒數(shù)來表示。 視力=1/能夠分辨的最小物體的視角,2. 視野與視距 視野：指人的頭部和眼球固定不動的情況

5、下，眼睛觀看正前方物體時所能看得見的空間范圍，常以角度來表示。分水平視野（單視野/雙視野）和垂直視野，見圖3-6。 視距：指人在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離，幾種工作視距推薦值參閱表3-2。3. 中央視覺和周圍視覺 中央視覺—視維細胞（感色能力強、能清晰分辨物體）。 周圍視覺—視桿細胞（觀察空間范圍和正在運動的物體）。,,4. 雙眼視覺和立體視覺，雙眼視物時，具有分辨物體深淺、遠近等相對位置的能力，形成

6、立體視覺。5. 色覺和色視野，見圖3-7。6. 暗適應和明適應，見圖3-8。,視覺特征：,1.疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。2.視線變化習慣：左—右，上—下，順時針。3. 準確性：水平尺寸和比例的估計更準確。4.觀察情況的優(yōu)先性：左上—右上—左下—右下。視區(qū) 內的儀表布置必須考慮這一點。5.設計依據(jù)：以雙眼視野為設計依據(jù)。6 .接受程度：直線輪廓優(yōu)于曲線輪廓。7.顏色的易辨認順序：紅、綠、黃、白； 顏色相配時的易辨認順

7、序：黃底黑字、黑底白字、藍底 白字、白底黑字。 據(jù)上述特征，適用視覺的原則參閱表3-2。,3.3 聽覺機能及其特征,3.3.1 聽覺刺激 聽覺的適宜刺激是聲音，聲音的聲源是振動的物體，人的聽感范圍：20~20000HZ。3.3.2 聽覺系統(tǒng) 起主要作用的部位：內耳耳蝸 起輔助作用的部位：外耳、中耳、內耳的其它部分，見圖3-9。3.3.3 聽覺的物理特性 1 .頻率響應（感

8、受性） 人耳能聽聞的頻率比為fmin/fmax=1：1000； 頻率感受的上限隨著年齡的增長而逐年連續(xù)下降，見圖3-10； 聽覺的頻率響應特性對聽覺傳示裝置的設計是很重要的。,2. 動態(tài)范圍（聲音的強度） 聽覺聲強的動態(tài)范圍=正好可忍受的聲強 / 正好能聽見的聲強。 （1）聽閾：在最佳的聽聞頻率范圍內，一個聽力正常的人剛剛能聽到給定各頻率的正弦

9、式純音的最低聲強Imin。 （2）痛閾：對于感受給定各頻率的正弦式純音，開始產(chǎn)生疼痛感的極限聲強Imax。 （1）與（2）都與頻率有關系，是在某一頻率下的聽閾值或痛閾值。 （3）聽覺范圍：由聽閾和痛閾兩曲線所包圍的聽覺區(qū),見圖3-11。,3.方向敏感度（雙耳效應） （1）時差：?t=聲源到兩耳的時間差。人耳可覺察到的聲 信號入射的最小偏角為3°。 （2）人耳對不同頻率、不同方向的聲音的感受能

10、力不同，見圖3-12。由于頭部的掩蔽效應，造成聲音頻譜的改變。4.掩蔽效應 掩蔽：一個聲音被另一個聲音所掩蓋的現(xiàn)象。 掩蔽效應：一個聲音的聽閾因另一個聲音的掩蔽作用而提高的效應。,3.4 其他感覺機能及其特征,3.4.1 膚覺 膚覺是僅僅次于聽覺的一種感覺，可感受多種外界刺激，形成多種感覺。 1. 觸覺，見圖3-13和圖3-14。 2. 溫度覺 3. 痛覺3.4.2 本體感覺

11、 本體感覺系統(tǒng)包括耳前庭系統(tǒng)和運動覺系統(tǒng)，可感受身體和四肢所在位置的信息。,3.5 神經(jīng)系統(tǒng)機能及其特征,3.5.1 神經(jīng)系統(tǒng) 1. 中樞神經(jīng)系統(tǒng)，包括腦和脊髓。 2. 周圍神經(jīng)系統(tǒng)，中樞神經(jīng)以外全部神經(jīng)的總稱，見圖3-15。3.5.2 大腦皮質功能定位 1. 軀體感覺區(qū)，見圖3-16（a） 2. 軀體運動區(qū)，見圖3-16（b） 3. 其他功能區(qū),3.6 人的信息處理系統(tǒng),3.6.1 人的信號

12、處理系統(tǒng)模型 人在人機系統(tǒng)中特定操作活動中的作用，可類比為一種信息傳遞和處理過程，見圖3-17。 感覺 信號處理 反應 輸入 系統(tǒng) 輸出 3.6.2 信息計量 信息：對數(shù)據(jù)加工后所得的結果。 信息 知識內容 信息

13、可以嚴格定量，信息量用bit為基本單位。 定義H=log22n。 其中：H—信息量 n—某信號中所含的二進制碼的個數(shù),,,,,,用概率定義，若出現(xiàn)“0”的概率不是1/2，而是P，出現(xiàn)“1”的概率是1-P，則該信息量可由下式計算： H=-Plog2P-(1-P)log2(

14、1-P)； 注：當P=1/2時，恰好H=-log2(1/2)=log22,若信號源S中有n個相互獨立的不同信號，某個信號j出現(xiàn)的概率為Pj,且Pj之和為1，j信號應出現(xiàn)nPj次，則所有信號的平均信息量為： H=（-nP1log2P1-nP2log2P2-…-nPnlog2Pn）/n =-∑Pjlog2Pj (j=1…n) 顯然，當Pj=1/n時,H達到最大Hmax=∑(1/n)

15、*log2n=log2n 當n=2時,即與一位二進制編碼表達的最大信息量一致 H=log221=log22 Hmax=log22,3.6.3感覺的信息處理,人的反應時間與感覺刺激物的刺激量有關。 1.信息傳輸速度 C=H/T 其中：C—信息傳輸速率； H—傳輸?shù)男畔⒘浚籘—傳輸?shù)臅r間 人的感覺通道的信息傳輸速率見圖3-18。 2.采

16、樣 采樣間隔取決于刺激的頻率。 若刺激的變化頻率為F，則T=1/2F，由此可見，采樣頻率降低，則采樣周期延長。,,3.編碼 辨認工作—數(shù)碼、字母、斜線 搜索定位—顏色、數(shù)碼、形狀 計數(shù)工作—數(shù)碼、顏色、形狀 比較或驗證—各方法幾乎沒有區(qū)別 編碼方式的優(yōu)劣參閱表3-3。,3.6.4中樞信息處理,記憶是各種信息處理活動的基礎，一般分為三種形式： 1.

17、感覺信息儲存 2. 短時記憶 3. 長時記憶，記憶曲線見圖3-19。,3.7 運動系統(tǒng)的機能及其特征,骨—運動的杠桿 關節(jié)—運動的樞紐 肌肉—運動的動力,3.7.1 骨的功能和骨杠桿,1.骨的功能 2.骨杠桿，見圖3-20 根據(jù)支點，力點（動力點）、重點（阻力點）三者不同的位置分布，分為： 1）平衡杠桿 2）省力杠桿 3）速度杠桿：用力大，但運

18、動速度快 由等功原理，得之于力則失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量與最大的運動范圍兩者是相矛盾的。,3.7.2 主要關節(jié)的活動范圍,關節(jié)的活動范圍有一定的限度，人體處于舒適時，關節(jié)必然處在一定的舒適調節(jié)范圍內，參閱表3-4。 肌體的出力范圍 肌體所能發(fā)揮的力量大小取決于： 1）人體肌肉的生理特征 2）施力的姿勢、部位、方式和方向，分別見圖3-21，圖3-22和圖3-23，相

19、應的出力數(shù)值參閱表3-5，表3-6。,3.7.4 肢體的動作速度與頻率,動作速度取決于肢體肌肉收縮的速度，而操作動作速度還取決于動作方向和動作軌跡等特征。 動作頻率取決于動作部位和動作方法，參閱表3-7。,3.8 人的運動輸出,3.8.1 反應時間 反應時間（ RT）又稱為反應潛伏期，它是指刺激和反應的時間間距。它由反應知覺時間（tz）和動作時間（td）組成。 即RT=tz+td。 影響反應時間的

20、主要因素如下： 1.不同的感覺器官反應時間不同，以觸覺與聽覺最優(yōu)，視覺次之，參閱表3-8。 2.反應時間與刺激信號的強度有關，參閱表3-9。 3.刺激的環(huán)境影響反應時間。信號與背景的亮度、顏色、信噪比及頻率的對比程度越強越好。此外，刺激信號的數(shù)目、顯示器及操縱器的設計也影響反應時間，參閱表3-10，表3-11。 4.人的主體因素也影響反應時間，如習俗、個體差異、疲勞等個人生

21、理、心理狀況。,3.8.2 運動速度（用完成動作的時間來表示）,1.動作特點 2.目標距離 3.運動方向，見圖3-24，圖3-25 4.動作軌跡特征,3.8.3 運動準確性,1. 運動速度與準確性：速度越慢，準確性越高， 見圖3-26 2. 盲目定位的準確性：正前方盲目定位準確性最高， 見圖3-27 3. 運動方向與準確性，見圖3-28

22、 4. 操作方式與準確性，見圖3-29,第 3 章 結 束回 總 目 錄第 4 章,附錄,本章所附插圖,圖3-1,返回,圖3-2,返回,圖3-3,返回,圖3-4,返回,圖3-5,返回,圖3-6,返回,圖3-7,返回,圖3-8,返回,圖3-9,返回,圖3-10,返回,圖3-11,返回,圖3-12,返回,圖3-13,返回,圖3-14,返回,圖3-15,返回,圖3-16,返回,圖3-17,返回,圖3-18,返回,圖3-19