人的生理特征(人体感知与运动系统特征).ppt

1,1,东莞理工学院工程管理教研室,人机工程学(三),东莞理工学院教学课件,主讲：黄辉宇,电话Email： 课程网址：70,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,2,第3章 人体感知与运动特征,3.1 人在系统中的功能 3.2 视觉机能及其特征 3.3 听觉机能及其特征 3.4 其他感觉机能及其特征 3.5 神经系统机能及其特征 3.6 人的信息处理系统 3.7 运动系统的机能及其特征 3.8 人体的忍耐力(选讲）,主要内容,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,3,3.1 人在系统中的功能,3.1.1 人是系统中的重要“环节”,把操作者作为人机系统中的一个“环节”来研究，人与外界发生联系的主要是三个子系统，即感觉系统、神经系统、运动系统，如右图所示。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,4,3.1.2 人的感知与反应机能 1. 反射弧 反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形式。反射活动的全部结构组成反射弧；反射弧具有五个基本环节，即感受器 传入神经元 中间神经元 传出神经元 效应器，如图3-2(a)所示。 2. 信息链 人机系统的信息在人的神经系统中的循环过程形成信息链，见图3-2（b）。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,5,图3-2 反射弧及信息链,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,6,3.1.3 感觉通道与信息的协调 人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道、听觉通道和触觉通道。不同感觉通道的适用场合如下表所示：,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,7,3.2.1 视觉刺激 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感受到的光波只占整个电磁光谱的一小部分，其波长为380780nm。,3.2 视觉机能及其特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,8,色彩分辨测试：How well do you see color? 4条色带，每条有22个色块，第一个和最后一个是固定的，中间20个色块可以拖动，按照渐变的原则把他们归位，错得越多，得分越高。 /custom_page.aspx?PageID=77,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,9,3.2.2 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，如右图所示 。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,10,眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为2125mm的球体，其基本构造与照相机类似，见下图 。 视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它们是接受信息的主要细胞。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,11,1. 视角与视力 视角：确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的 相交角度。 =2arctg(D/2L) 视角； D被看物体上两端点的直线距离； L眼睛到被看物体的距离； 视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度， 以临界视角的倒数来表示。 视力=1/能够分辨的最小物体的视角,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,12,小数：0.1, 0.12, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.5, 2.0 对数：4.0, 4.1 , 4.2 , 4.3, 4.4 , 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3 换算公式：L=5+lgV。 L：对数视力； V：小数视力 对数视力表是我国缪天荣教授创造的。比较合理的增加了0.10.2之间的视标，所以，视力检查的结果更加科学、准确。,小数（1.0版）与对数（5.0版）视力表对照表：,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,13,2. 视野与视距 视野：指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，常以角度来表示。分水平视野（单视野/双视野）和垂直视野，见图3-6。 视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种工作视距推荐值参阅表3-2。 3. 中央视觉和周围视觉 中央视觉视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。 周围视觉视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,14,图3-6 人的水平视野和垂直视野,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,15,4. 双眼视觉和立体视觉。双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。 5. 色觉和色视野。如下图所示。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,16,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,17,6. 暗适应和明适应。暗适应与明适应曲线如下图所示。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,18,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,19,视觉特征： 疲劳程度：水平优于垂直。 视线变化习惯：左右，上下，顺时针。 准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。 观察情况的优先性：左上右上左下右下。视区内的仪表布置必须考虑这一点。 设计依据：以双眼视野为设计依据。 接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。 颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白； 颜色相配时的易辨认顺序： 据上述特征，适用视觉的原则参阅表3-2。,测试,黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,20,人机工程,人机工程,人机工程,人机工程,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,21,3.3 听觉机能及其特征,主要内容： 听觉刺激及其适用场合 听觉系统 听觉的物理特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,22,3.3 听觉机能及其特征,3.3.1 听觉刺激及其适用场合 听觉是仅次于视觉的重要感觉。 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体， 人的听感范围：2020000HZ。 听觉通道适用的场合 传递比较简单简短的信息 传递要求立即作出快速响应的信息 作业情况要求操作者不断走动的场合 所处环境不适合使用视觉通道的场合 虽适合视觉传递，但视觉通道已过载的场合 ,反应时运动时实验,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,23,3.3 听觉机能及其特征,3.3.2 听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗； 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见下图。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,24,补充知识：声强单位,1）声强的单位是 W/m2，即声波的能流密度，即在单位时间内，通过与传播方向相垂直的单位面积上的声波能量。 人可听见的最小声音强度（1000HZ）约为： Imin10-12 W/m2 人可忍受的最大声音强度（1000HZ）约为： Imin1 W/m2 因此人们耳朵可听得到的最大声音与最小声音的强度比约1012的范围。 2）声强级的单位：分贝 (dB)10lg(I/Imin) 3）声强测量：,不同分贝水准声音示例,噪声测量实验,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,25,3.3 听觉机能及其特征,课堂 测试实验,3.3.3 听觉的物理特性,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,26,1. 动态范围 听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强 / 正好能听见的声强。 （1）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力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Imin。如右图。 （2）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Imax。 （1）与（2）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。,（3）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区，如右图所示。,3.3 听觉机能及其特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,27,2 .频率响应（感受性） 人耳能听闻的频率比为： fmin / fmax=1:1000； 频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，如右图所示； 听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。,3.3 听觉机能及其特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,28,老年人听阈曲线,正常人听阈曲线,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,29,3. 方向敏感度（双耳效应）,3.3 听觉机能及其特征,（2）由于头部的阻挡效应，造成声音频谱的改变。,（1）时差：t=声源到两耳的时间差。人耳可觉察到的声信号入射的最小偏角为3。,原因？,人右耳对各种不同频率纯音进行单耳听闻的方向敏感度如右图所示。,人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力是不一样的,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,30,4. 掩蔽效应 掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。 掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。（换句话说：就是指环境中的一种声音使得耳朵对另一种声音的敏感度降低的现象。） 残余掩蔽（听觉残留）：掩蔽声去掉以后，掩蔽效应并不立即消除的现象。,3.3 听觉机能及其特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,31,3.4 其他感觉机能及其特征,3.4.1 肤觉 肤觉是仅仅次于听觉的一种感觉，可感受多种外界刺激，形成多种感觉。 1. 触觉，见图3-13和图3-14。 2. 温度觉 3. 痛觉 3.4.2 本体感觉 本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,32,图3-13,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,33,图3-14,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,34,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,35,3.5 神经系统机能及其特征,3.5.1 神经系统 中枢神经系统，包括脑和脊髓。 周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总称，见右图。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,36,3.5.2 大脑皮质功能定位 1. 躯体感觉区，见下图(a)； 2. 躯体运动区，见下图(b)； 3. 其他功能区。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,37,3.6.1 人的信号处理系统模型 人在人机系统中特定操作活动中的作用，可类比为一种信息传递和处理过程，如下图所示。,感觉 输入,信号处理 系统,反应 输出,3.6 人的信息处理系统,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,38,3.6.2 信息计量 信息：对数据加工后所得的结果。 信息 知识内容 信息可以严格定量，信息量用bit为基本单位。 定义： H=log22n。 其中：H信息量 n某信号中所含的二进制码的个数 用概率定义：若出现“0”的概率不是1/2，而是P，出现“1”的概率是1-P，则该信息量可由下式计算： H=-Plog2P-(1-P)log2(1-P)； 注：当P=1/2时，恰好H=-log2(1/2)=log22,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,39,若信号源S中有n个相互独立的不同信号，某个信号j出现的概率为Pj,且Pj之和为1，j信号应出现nPj次，则所有信号的平均信息量为： H=（-nP1log2P1-nP2log2P2-nPnlog2Pn）/n =-Pjlog2Pj (j=1n) 显然，当Pj=1/n时,H达到最大， Hmax=(1/n)*log2n=log2n 当n=2时,即与一位二进制编码表达的最大信息量一致： H=log221=log22 Hmax=log22,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,40,人的反应时间与感觉刺激物的刺激量有关。 1.信息传输速度： C=H/T 其中： C信息传输速率； H传输的信息量； T传输的时间 人的感觉通道的信息传输速率见右图。,3.6.3 感觉的信息处理,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,41,2.采样 采样间隔取决于刺激的频率。 若刺激的变化频率为F，则T=1/2F，由此可见，采样频率降低，则采样周期延长。 3.编码 辨认工作数码、字母、斜线 搜索定位颜色、数码、形状 计数工作数码、颜色、形状 比较或验证各方法几乎没有区别 编码方式的优劣参阅表3-3。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,42,3.6.4 中枢信息处理 记忆是各种信息处理活动的基础，一般分为三种形式： 1. 感觉信息储存 2. 短时记忆 3. 长时记忆，记忆 曲线见右图。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,43,测试,瑞,斯,芹,如,苗,植,若,清,超,感,检,信,志,面,节,削,初,西,金,显,位,儿,永,东,树,佳,本,环,亚,玉,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,44,骨运动的杠杆 关节运动的枢纽 肌肉运动的动力 3.7.1 骨的功能和骨杠杆 1.骨的功能； 2.骨杠杆，见图3-20。,3.7 运动系统的机能及其特征,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,45,根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点）三者不同的位置分布，分为： 1）平衡杠杆； 2）省力杠杆； 3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。,图3-20,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,46,3.7.2 主要关节的活动范围 关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内，参阅表3-4。 3.7.3 肌体的出力范围 肌体所能发挥的力量大小取决于： 1）人体肌肉的生理特征 2）施力的姿势、部位、方式和方向，分别见图3-21，图3-22和图3-23，相应的出力数值参阅表3-5，表3-6。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,47,图3-21 立 姿 弯 臂 时 的 力 量 分 布,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,48,图3-22 立姿直臂时的拉力与推力分布,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,49,图3-23 不 同 体 力 下 的 蹬 力,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,50,3.7.4 肢体的动作速度与频率 动作速度取决于肢体肌肉收缩的速度，而操作动作速度还取决于动作方向和动作轨迹等特征。 动作频率取决于动作部位和动作方法，参阅表3-7。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,51,3.8.1 反应时间 反应时间（ RT）又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应的时间间距。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组成。 即RT=tz+td。 影响反应时间的主要因素如下： 1.不同的感觉器官反应时间不同，以触觉与听觉最优，视觉次之，参阅表3-9。 2.反应时间与刺激信号的强度有关，参阅表3-10。 3.刺激的环境影响反应时间。信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率的对比程度越强越好。此外，刺激信号的数目、显示器及操纵器的设计也影响反应时间，参阅表3-10，表3-11。 4.人的主体因素也影响反应时间，如习俗、个体差异、疲劳等个人生理、心理状况。,3.8 人的运动输出,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,52,3.8.2 运动速度（用完成动作的时间来表示） 1.动作特点 2.目标距离 3.运动方向，见图3-24，图3-25 4.动作轨迹特征 反应时与运动时的测量 如图3-30所示。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,53,图3-24 手 向 各 方 向 运 动 时 间 差 异,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,54,图3-25 不同区域内手指敲击运动速度差异,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,55,图3-30 反应时运动时测量仪,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,56,3.8.3 运动准确性 1.运动速度与准确性：速度越慢，准确性越高， 见图3-26 2.盲目定位的准确性：正前方盲目定位准确性最高， 见图3-27 3.运动方向与准确性，见图3-28 4.操作方式与准确性，见图3-29 运动稳定性测量见图3-31。,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,57,图3-26 速 度 准 确 性 特 性 曲 线,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,58,图3-27 不同方位盲目定位运动准确性,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,59,图3-28 手臂运动方向对连续控制运动准确性影响,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,60,图3-29 不同控制操作方式对准确性影响,返回,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,61,图3-31 运动稳定性测量,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,62,3.8 人体的忍耐力,疲劳的概念 疲劳是指在劳动生产过程中，作业能力出现明显下降，或由于厌倦而不愿意继续工作的一种状态。 通常把疲劳分为两种，即肌肉疲劳（或称体力疲劳）和精神疲劳（或称全身疲劳、脑力疲劳）。 肌肉疲劳 生理学实验 （见图3-32）,图3-32 离体蛙腿肌肉的疲劳表现 新鲜肌肉的收缩和松弛； 同一块肌肉，中等刺激后； 同一块肌肉，强刺激后； 同一块肌肉很强刺激后,图3-32,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,63,肌肉疲劳的生化改变 肌肉活动时能量的来源示意图：,图3-33 肌肉活动时能量来源模式图,Prepared by PhD H. Y. Huang, Dongguan University of Technology,64,肌肉疲劳的电生理现象 许多研究资料指出，反复收缩的随意肌在衰竭后，仍可能对通过皮肤的电刺激作出应答，表明肌肉疲劳是中枢神经系统的一种现象，而不单是肌肉本身的现象。 肌肉疲劳的肌电图 一些生理学家推测，在疲劳早期阶段，中枢神经系统的活动可有代偿地增加。当肌肉被反复刺激处于疲劳时，若肌肉收缩仍维持在同样水平，则必需有更多的肌肉纤维被刺激而进入活动状态，故在肌肉收缩不变的情况下，随着疲劳程度的增加，肌电图所见的电活动亦必然增加。 这就说明，在工业生产过程中出现肌肉疲劳时，若需维持原有的工作效能，中枢神经系统的活动势必要加强。,Prepared by Ph