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1、人体感知与运动输出,第二章,绪 论,对于人机系统中的操作者，应视着为独立的系统。从形态和功能上可分为：,操作者视着为人机系统中的一个“环节”,人与外界直接发生联系的主要是三个系统:,感 觉 系 统,运 动 系 统,神 经 系 统,人机系统示意图,人 - 机器 - 环境系统,首先是感觉器官:它是操作者感受人机系统信息的特殊区域,也是系统中最早可能产生误差的部位；,其次是传入神经系统将信息由感觉器官传到大脑的理解和决策中心，决策指令再由大脑传出神经传到肌肉；,最后，是身体的运动器官执行各作动作，即所谓作用过程。,1. 讨论人的机能特点和功能限度2. 为人机工程设计提供:,人机系统的执行过程,第一节
2、 感觉和知觉的特征,在人机工程学设计中，应考虑不同操作者在主观知觉上的差异。,一、概述,1. 感觉,感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映。,定 义,分类,感觉是人了解自身状态和认识客观世界的开端。,感觉和知觉关系如此密切，在心理学中把感觉和知觉统称为：“感知觉”,二、感觉的基本特征,1.适宜刺激,人体的各种感觉器官都有各自的最敏感的刺激形式，这种刺激形式称为相应感觉器官的适宜刺激。,人体的主要感觉器官适宜刺激及其识别特征如右表所示：,人的感觉和知觉是有区别的。应考虑不同操作者在主观知觉上的差异。,2. 知觉,2. 感觉阈限,刚刚能引起差别感觉的刺激最小差别量，称为差别感觉阈限
3、。,它与最初之比是一个常数，有：,称为 : 韦伯定律,I 最初刺激强度；I 引起差别感觉的刺激增量；K:常数，称为韦伯分数,3. 适应在刺激不变的情况下，感觉会逐渐减少以至消失，这种现象称为“适应”。,4. 相互作用,在一定条件下，各种感觉器官对其适宜刺激的感受能力都将受到其他刺激的影响而降低，由此使感受性发生变化的现象称为感觉的相互作用。,适宜刺激,降低,利用感受相互作用规律来改善劳动环境和劳动条件，以适应操作者的主观状态，对提高生产率具有积极的作用。,5 . 对比,统一感受器官接受两种完全不同,但属同一类的刺激物的作用，而使感受性发生变化的现象称为对比。,几个刺激物先后作用于同一感受器官时
4、，将产生继时对比现象。,同时对比,继时对比,几种刺激物同时作用于同一感受器官时产生的对比称为同时对比。,6. 余觉 刺激取消以后，感觉可以存在一极短时间，这种现象叫“余觉”。,三、知觉的基本特征,影响知觉整体性的因素有以下几个方面：,3. 理解性,在知觉时， 用已所获得的知识经验来理解当前的知觉对象的特征，称为知觉的理解性。,在知觉外界事物时，的参与对知觉理解性具有重要的意义。,理解性,错觉是对外界事物不正确的知觉。,主要有以下几个方面：,5、错觉,第二节 视觉机能及其特征,一、视觉系统,视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的。,视觉系统主要部分是眼睛，眼睛是视觉的感受器官。,对视觉的
5、适宜刺激是物体发出或反射的光线。人感受光线的刺激的过程如下：,视网膜,二、光谱波长,视觉的刺激是靠物体发出或反射的光线而引起的。但宇宙间的光线不是人的视觉都能感觉的，宇宙的光是放射不同波长的电磁波，全部电磁光谱如下所示:,三、视觉机能,1视角和视力,视角是确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度。,视角大小如下图;它与观察距离及被看物体上两端点的距离直线有关，有公式如下：,临界视角,视力是眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度以的得倒数来表示:,眼睛能分辨被看物体最近两点的视角，称为临界视角.,视力大小还随下述条件有关:,2视野和视距,正常人两眼的视野如左图:,视距,是指人在操作系统总
6、正常的观察距离。,观察距离与工作的精确程度密切相关，因而应根据具体任务的要求来选择最佳的视距。,下表推荐采用的几种工作任务的视距：,3 中央视觉和周围视觉,在视网膜上分布着视锥细胞多的中央部分，其感色力强，同时能清晰地分辨物体，用这个部分事物的称为中央视觉。,能用于观察空间范围和正在运动的物体，称其为周围视觉。,4 立体视觉,5 色觉和色视野,人眼的适应性分为暗适应和明适应两种:,6 暗适应和明适应,产生的原因：1. 同一的物体在两视网膜上所形成的成象并不相同。经过 视神经中枢的综合，得到一个完整的立体视觉。 2.物体的表面光线的反光和阴影等。,暗适应： 瞳孔放大，光通量增加，视杆细胞功能加强
7、（较慢），30分钟,明适应：瞳孔缩小，光通量减少，视锥细胞功能加强（较快），1分钟 但人眼的感受性迅速降低，30秒后变化很缓慢，大约 1 分钟明适应过程 完成。,视觉有很强的辩色能力，可分辨180多种颜色。 人眼分辨光波波长相差3nm, 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫；,“三原色学说”-红、黄、绿。,暗适应,明适应,四、视觉特征,人机工程学的视觉原则,基本原则,应用法则,设计视觉资料,(1)刺激 (2)抑制(3)诱导(4)对抗(5)传递(6)疲劳(7)反馈,(1) 容易看见的法则(2) 知觉形状零碎的法则(3) 对比法则(4) 远近视法则(5) 运动视法则(6) 眩目法则(7) 方向性法则(8)
8、对抗作用法则(9) 暗适应法则(10)错视、错觉法则(11)应激发应、疲劳法则(12)注意法则(13)调和法则,观察对象的条件 (1) 图案 (2) 背景 ,观察者的条件 (1) 休息 (2) 时间 ,听觉是仅次于视觉的重要感觉，其适宜的刺激是声音是由物体振动所产生的弹性波在介质中传播的。人的耳朵只能接受一定范围波频率的声波，为20-20,000HZ。超出该范围的称为次声波、超声波。不为人耳所感觉。,一、听觉系统,人耳为听觉器官，严格地说，只有内耳的耳蜗起司听作用，外耳、中耳以及内耳的其他部分时起听觉的辅助部分。人耳的基本结构如右图上所示，耳蜗是感音器官，它是个盘旋的管道系统，用前庭阶、蜗管及
9、鼓阶三个并排盘旋的管道，人耳结构见右图下。,第三节 听觉机能及其特征,二、听觉的物理特征,1频率响应,可听声主要取决于声音的频率，具有正常听力的青少年（年龄在12-25之间）能够觉察到的频率范围大约是1620 000 Hz。,随着年龄的增长，频率感受的上限逐年连续降低。,但对f 1000HZ低频率范围，听觉灵敏度几乎不受年龄的影响。,频率响应特性 对传示装置设计是很重要的。,2动态范围,可听声除取决于声音的频率外，还取决于声音的强度。,在最佳的听闻频率范围内，一个听觉正常的人刚刚能听到给定各频率的正弦式 纯音的最低声强 I min，称为相应频率下的“听阈值”。,听 阈,听觉声强动态范围用下述比
10、值表示：,痛 阈,对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生 疼痛感的极限声强 I max，称为响应频率下的 “痛阈值”。,听觉区域,由听阈与痛阈两条曲线所包围的“听觉区”,这种阈值虽然是一种“天赋”，却非常结近于适合人类交换信息的有用极限。,由图中分析，除开2000-5000HZ之间，开始感到疼痛的极限声强几乎与频率无关.,听 阈,由图中可以得出以下几点结论：,3、方向敏感度,人耳的听觉一般为双耳效应”，或称“立体声效应”。在通常的听闻声压为30-70dB时，这双耳效应基本上取决于下述条件：,右图表示右耳对不同频率(200、500、2,500 、5,000 HZ)纯单音的单耳听闻方向敏感度。,
11、声源方向,是由声音达到两耳的时间差来判断的。刚刚可以觉差的信号入射偏角为3。，时差应为t30s。,头部“遮挡”效应,靠近声源的耳朵接受声音各频率成分；另一只耳发生“畸变”。特别是中频与高频部分。,4、掩蔽效应,一个声音被另一个声音所掩盖的现象，称为掩蔽。,一个声音的听阀因另一个声音所掩蔽作用而提高的效应，称为掩蔽效应。,第四节 其他感觉机能及其特征,这一节主要讨论的是外界对人体的直接刺激时，人的感觉机能和所反应时特征状况，主要的感觉器官是体肤皮肤。皮肤是人体上很重要的感觉器官，感受着外界环境中与它接触物体的刺激。人体皮肤上分布着三种感受器：,试验表明：不用感觉的感受区在皮肤上表面呈相互独立的点
12、状分布。,特 征,四、本 体 感 觉,人在进行各种操作活动的同时能给出身体积四肢所在位置的信息，这种感受称为“本体感觉”。,本体感觉系统主要包括两个方面：,在身体组织中，可造出三种类型的运动觉感受器:；,在训练技巧性的工作中，运动觉系统又非常重要的地位。许多复杂技巧动作的熟练程度都有赖于有效的反馈作用。,例如：打字活动中：手指、手背、 肩部相互协调，反馈，经过训练； 手指动作自然。,第五节 神经系统机能及其特征,一、神经系统,神经系统是人体最主要的机能调节系统，其主要功能为：,神经系统可以分为中枢神经系统和周围神经系统两部分。,1、中枢神经系统,分成四种功能成分：,二、大脑皮质功能定位,藉以控
13、制机体的活动，应答内外环境的刺激。,特定功能相对集中在某个特定部位，其主要的功能定位区有：,人脑所具有的这些特点，使人在人机系统中成为一个最重要的、占主导性的环节。,四、神经系统活动方式,1、反射弧,神经系统调节机体的活动，对内、外环境的刺激做出一定的应答反应，称为反射。,反射是神经系统调节机体活动的一种基本形式，具有五个基本环节：,2、信息键,感受器官从外界收集信息，经过传入通道输送到中枢神经系统的适当部位，信息在这里经过处理、评价并与储存信息相比较，必要时形成指令，并经过传出神经前卫送到效应器而作用于运动器官。,第六节 人的信息处理系统,一、人的信息处理系统模型,在人和机器发生关系和相互作
14、用的过程中，最本质的联系是信息交换。,在人机工程这一特定的操作活动上，可以把人视为一个单通道的有限输送容量的信息处理系统来研究。其系统流程图如图所示。,人的信息处理系统的一个重要特点，是能对外界信息进行主动搜索。,2采样,感觉系统接受外界刺激是以不连续的、量子化的方式进行的。采样 间隔取决于刺激的频率。若刺激的变化频率为F时，采样间隔 T 按 下式计算：,（做数字试验）,3 7 4 5 6 8 4 6,3 7 4 6 5 8 4 6,3 7 5 4 8 2 4 6,7349,4 1 7 3,3 7 4 5 6 8 4 6,3 7 4 6 5 8 4 6,3 7 5 4 8 2 4 6,7349
15、,4 1 7 3,3编码,人的感觉信息的传递也是以各种编码方式进行的。,2、短时记忆,人机系统研究中将短时记忆称为操作记忆。,短时记忆的保存时间与存储信息量多少有密切关系，在需要短时记忆的作业中，其信息编码应尽量缩短。,为了保证短时记忆作业效能，其方法有：,3、长时记忆,长时记忆实际没有时间限制，可以延长至人的一生。,长时记忆是人脑习的基础。提高长时记忆能力方法有：,右图是以（1字 / 秒）显示 30字记录人的瞬时记忆试验曲线。,树,家,吮,瞬,调,缩,熟,骼,附,撑,第七节 运动系统的机能及其特征,运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。,在人的运动过程中：,人体重要活动范围和身
16、体各部位舒适姿势的调节范围：,最大的拉力 为180,最大的推力 为 0,第八节 人的运动输出,在人机系统中，操作者接受信息并经中枢加工后，便依据加工的结果对系统做出反应。系统中的这一环节称为操作者的信息输出，信息输出是人对系统进行有效控制并是系统能正常运转的必要环节。,反应时间的长短不仅与反应类型有关，还受许多因素的影响：,A. 刺激信号与背景的对比程度,是影响反应时间的一种因素,3刺激的清晰度和可辨度,信号愈清晰愈容易辨认，则反应时间愈短，反之，反应时间较长。,设计信号标志时，应考虑信号与背景的对比程度等。,D. 操纵器与显示器的形状、位置、大小、操纵器的用力方向、大小等 因素都会影响反应时
17、间。,B. 当刺激信号的持续时间不同时，反应时间随刺激时间的增加而减少。,C. 反应时间随刺激信号数目的增加而明显的延长,光刺激时间对反应时间的影响,可选择的刺激选择数目对反应时间的影响,如线性运动在视觉中刺激，起有效的冲发作用。,在疲劳研究中，把反应时间作为测定疲劳程度的一项指标。,在疲劳研究中，把反应时间作为测定疲劳程度的一项指标。,5、机体疲劳因素,1、动作特点（同一部位，动作特点不同，所需的最少平均时间不同）,抓取,旋转,脚,克服阻力 0。72/ s,直线动作 0。36/ s,随着目标距离增加，定位运动时间增长；,随着目标宽度增加，定位运动时间缩短。,2、目标距离,3、运动方向,1）
18、从左下至右上的定位运动时间最短,2）运动方向和距离对重复运动速度也由影响。,3）差异随着运动距离的增大而增大。,三、运动准确性,准确性是运动输出质量高低的一个重要标志,1. 运动速度与准确性,速度准确性曲线,过分的强调准确性，而降低运动速度是不必要的。,2. 盲目定位运动的准确性,当视觉负荷较重时，往往需要人在没有视觉帮助下根据对运动轨迹的记忆和运动觉的反馈，进行盲目的定位运动。,研究表明：旋转手柄比移动直线运动容易,3. 运动方向与准确性,颤抖方向 上下 左右 进出 进出 错误次数 247 203 45 42,4. 操作方式与准确性,旋转手柄的水平安装比垂直安装时，水平旋转容易。按钮也是如此,（完）,