人機(jī)工程人體感知與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

1、第3章 人體感知與運(yùn)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)“環(huán)節(jié)”來(lái)研究，人與外界發(fā)生聯(lián)系的主要是三個(gè)子系統(tǒng)，即感覺(jué)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，見(jiàn)圖3-1。,3.1.2 人的感知與反應(yīng)機(jī)能,1. 反射弧 反射是神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)肌體活動(dòng)的一種基本形成。反射活動(dòng)的全部結(jié)構(gòu)組成反射??；反射弧具有五個(gè)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(yīng)器，見(jiàn)圖3-2（a）。,,,,,,2. 信息鏈 人機(jī)系統(tǒng)的信息在人的神經(jīng)系統(tǒng)中的循環(huán)過(guò)程形成信息鏈，見(jiàn)圖3-2（b）。3.1.3 感覺(jué)通道與信息的協(xié)調(diào) 人機(jī)系統(tǒng)中的最常用的感覺(jué)通道是視覺(jué)通道、聽(tīng)覺(jué)通道和觸覺(jué)通道。其適用場(chǎng)合參閱表3-1。,3.2 視覺(jué)機(jī)能及其特征,3.2.1 視覺(jué)刺激 視覺(jué)的適宜刺激是

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

4、視力 視角：確定被看物尺寸范圍的兩端點(diǎn)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(diǎn)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(xì)微結(jié)構(gòu)能力的一個(gè)生理尺度，以臨界視角的倒數(shù)來(lái)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(dòng)的情況

5、下，眼睛觀看正前方物體時(shí)所能看得見(jiàn)的空間范圍，常以角度來(lái)表示。分水平視野（單視野/雙視野）和垂直視野，見(jiàn)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(jué)和周?chē)曈X(jué) 中央視覺(jué)—視維細(xì)胞（感色能力強(qiáng)、能清晰分辨物體）。 周?chē)曈X(jué)—視桿細(xì)胞（觀察空間范圍和正在運(yùn)動(dòng)的物體）。,,4. 雙眼視覺(jué)和立體視覺(jué)，雙眼視物時(shí)，具有分辨物體深淺、遠(yuǎn)近等相對(duì)位置的能力，形成

6、立體視覺(jué)。5. 色覺(jué)和色視野，見(jiàn)圖3-7。6. 暗適應(yīng)和明適應(yīng)，見(jiàn)圖3-8。,視覺(jué)特征：,1.疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。2.視線變化習(xí)慣：左—右，上—下，順時(shí)針。3. 準(zhǔn)確性：水平尺寸和比例的估計(jì)更準(zhǔn)確。4.觀察情況的優(yōu)先性：左上—右上—左下—右下。視區(qū) 內(nèi)的儀表布置必須考慮這一點(diǎn)。5.設(shè)計(jì)依據(jù)：以雙眼視野為設(shè)計(jì)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(rèn)順序：紅、綠、黃、白； 顏色相配時(shí)的易辨認(rèn)順

7、序：黃底黑字、黑底白字、藍(lán)底 白字、白底黑字。 據(jù)上述特征，適用視覺(jué)的原則參閱表3-2。,3.3 聽(tīng)覺(jué)機(jī)能及其特征,3.3.1 聽(tīng)覺(jué)刺激 聽(tīng)覺(jué)的適宜刺激是聲音，聲音的聲源是振動(dòng)的物體，人的聽(tīng)感范圍：20~20000HZ。3.3.2 聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng) 起主要作用的部位：內(nèi)耳耳蝸 起輔助作用的部位：外耳、中耳、內(nèi)耳的其它部分，見(jiàn)圖3-9。3.3.3 聽(tīng)覺(jué)的物理特性 1 .頻率響應(yīng)（感

8、受性） 人耳能聽(tīng)聞的頻率比為fmin/fmax=1：1000； 頻率感受的上限隨著年齡的增長(zhǎng)而逐年連續(xù)下降，見(jiàn)圖3-10； 聽(tīng)覺(jué)的頻率響應(yīng)特性對(duì)聽(tīng)覺(jué)傳示裝置的設(shè)計(jì)是很重要的。,2. 動(dòng)態(tài)范圍（聲音的強(qiáng)度） 聽(tīng)覺(jué)聲強(qiáng)的動(dòng)態(tài)范圍=正好可忍受的聲強(qiáng) / 正好能聽(tīng)見(jiàn)的聲強(qiáng)。 （1）聽(tīng)閾：在最佳的聽(tīng)聞?lì)l率范圍內(nèi)，一個(gè)聽(tīng)力正常的人剛剛能聽(tīng)到給定各頻率的正弦

9、式純音的最低聲強(qiáng)Imin。 （2）痛閾：對(duì)于感受給定各頻率的正弦式純音，開(kāi)始產(chǎn)生疼痛感的極限聲強(qiáng)Imax。 （1）與（2）都與頻率有關(guān)系，是在某一頻率下的聽(tīng)閾值或痛閾值。 （3）聽(tīng)覺(jué)范圍：由聽(tīng)閾和痛閾兩曲線所包圍的聽(tīng)覺(jué)區(qū),見(jiàn)圖3-11。,3.方向敏感度（雙耳效應(yīng)） （1）時(shí)差：?t=聲源到兩耳的時(shí)間差。人耳可覺(jué)察到的聲 信號(hào)入射的最小偏角為3°。 （2）人耳對(duì)不同頻率、不同方向的聲音的感受能

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

11、 本體感覺(jué)系統(tǒng)包括耳前庭系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)覺(jué)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(jī)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?chē)窠?jīng)系統(tǒng)，中樞神經(jīng)以外全部神經(jīng)的總稱，見(jiàn)圖3-15。3.5.2 大腦皮質(zhì)功能定位 1. 軀體感覺(jué)區(qū)，見(jiàn)圖3-16（a） 2. 軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)，見(jiàn)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(hào)

12、處理系統(tǒng)模型 人在人機(jī)系統(tǒng)中特定操作活動(dòng)中的作用，可類比為一種信息傳遞和處理過(guò)程，見(jiàn)圖3-17。 感覺(jué) 信號(hào)處理 反應(yīng) 輸入 系統(tǒng) 輸出 3.6.2 信息計(jì)量 信息：對(duì)數(shù)據(jù)加工后所得的結(jié)果。 信息 知識(shí)內(nèi)容 信息

13、可以嚴(yán)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(hào)中所含的二進(jìn)制碼的個(gè)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(jì)算： H=-Plog2P-(1-P)log2(

14、1-P)； 注：當(dāng)P=1/2時(shí)，恰好H=-log2(1/2)=log22,若信號(hào)源S中有n個(gè)相互獨(dú)立的不同信號(hào)，某個(gè)信號(hào)j出現(xiàn)的概率為Pj,且Pj之和為1，j信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)nPj次，則所有信號(hào)的平均信息量為： H=（-nP1log2P1-nP2log2P2-…-nPnlog2Pn）/n =-∑Pjlog2Pj (j=1…n) 顯然，當(dāng)Pj=1/n時(shí),H達(dá)到最大Hmax=∑(1/n)

15、*log2n=log2n 當(dāng)n=2時(shí),即與一位二進(jìn)制編碼表達(dá)的最大信息量一致 H=log221=log22 Hmax=log22,3.6.3感覺(jué)的信息處理,人的反應(yīng)時(shí)間與感覺(jué)刺激物的刺激量有關(guān)。 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(shí)間 人的感覺(jué)通道的信息傳輸速率見(jiàn)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(jiàn)，采樣頻率降低，則采樣周期延長(zhǎng)。,,3.編碼 辨認(rèn)工作—數(shù)碼、字母、斜線 搜索定位—顏色、數(shù)碼、形狀 計(jì)數(shù)工作—數(shù)碼、顏色、形狀 比較或驗(yàn)證—各方法幾乎沒(méi)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(dòng)的基礎(chǔ)，一般分為三種形式： 1.

17、感覺(jué)信息儲(chǔ)存 2. 短時(shí)記憶 3. 長(zhǎng)時(shí)記憶，記憶曲線見(jiàn)圖3-19。,3.7 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)能及其特征,骨—運(yùn)動(dòng)的杠桿 關(guān)節(jié)—運(yùn)動(dòng)的樞紐 肌肉—運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力,3.7.1 骨的功能和骨杠桿,1.骨的功能 2.骨杠桿，見(jiàn)圖3-20 根據(jù)支點(diǎn)，力點(diǎn)（動(dòng)力點(diǎn)）、重點(diǎn)（阻力點(diǎn)）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(yùn)

18、動(dòng)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(yùn)動(dòng)范圍兩者是相矛盾的。,3.7.2 主要關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍,關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有一定的限度，人體處于舒適時(shí)，關(guān)節(jié)必然處在一定的舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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(shì)、部位、方式和方向，分別見(jiàn)圖3-21，圖3-22和圖3-23，相

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

20、主要因素如下： 1.不同的感覺(jué)器官反應(yīng)時(shí)間不同，以觸覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)最優(yōu)，視覺(jué)次之，參閱表3-8。 2.反應(yīng)時(shí)間與刺激信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)，參閱表3-9。 3.刺激的環(huán)境影響反應(yīng)時(shí)間。信號(hào)與背景的亮度、顏色、信噪比及頻率的對(duì)比程度越強(qiáng)越好。此外，刺激信號(hào)的數(shù)目、顯示器及操縱器的設(shè)計(jì)也影響反應(yīng)時(shí)間，參閱表3-10，表3-11。 4.人的主體因素也影響反應(yīng)時(shí)間，如習(xí)俗、個(gè)體差異、疲勞等個(gè)人生

21、理、心理狀況。,3.8.2 運(yùn)動(dòng)速度（用完成動(dòng)作的時(shí)間來(lái)表示）,1.動(dòng)作特點(diǎn) 2.目標(biāo)距離 3.運(yùn)動(dòng)方向，見(jiàn)圖3-24，圖3-25 4.動(dòng)作軌跡特征,3.8.3 運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性,1. 運(yùn)動(dòng)速度與準(zhǔn)確性：速度越慢，準(zhǔn)確性越高， 見(jiàn)圖3-26 2. 盲目定位的準(zhǔn)確性：正前方盲目定位準(zhǔn)確性最高， 見(jiàn)圖3-27 3. 運(yùn)動(dòng)方向與準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖3-28

22、 4. 操作方式與準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖3-29,第 3 章 結(jié) 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