人体感知与运动特征

关于人体感知与运动特征第1页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三主要内容

1.人在系统中的功能

3.听觉机能及其特征

4.其他感觉机能及其特征

5.人的信息处理系统

2.视觉机能及其特征

6.运动系统的机能及其特征

7.人的运动输出第2页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.1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、运动系统见图3-1。要使闭环系统有效运行，需要人体结构中许多部位协同发挥作用。首先是感觉器官，其次是传入、传出神经通过大脑和肌肉的传递过程，最后是身体的运动器官执行操作动作。本章为安全人机工程设计提供有关人体生理学和心理学的基础。第3页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三

图3-1人机系统示意图返回从机器传来的信息，通过“人”这个环节又返回到机器，从而形成一个闭环系统。人机所处的环境因素（如温度、照明、噪声、振动等）影响和干扰此系统的效率。故广义讲，人机系统又称人-机-环境系统。第4页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.1.2人的感知与反应机能（感知响应）1.反射弧（反射的生理结构基础）反射是神经系统调节肌体活动的一种形式，是对内、外环境的刺激作出的应答反应。参与一个反射活动的全部结构组成该反射的反射弧。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。见下图。反射弧第5页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三表3－1刺激及感觉反应感觉种类感觉器官适宜刺激识别特征作用视觉眼光形状、大小、位置、远近、色彩、明暗、运动方向等鉴别听觉耳声声音的高低、强弱、方向和远近报警、联络嗅觉鼻挥发和飞散的物质辣气、香气、臭气报警、鉴别味觉舌被唾液溶解的物质甜酸、苦辣、咸等鉴别皮肤感觉皮肤及皮下组织物理或化学物质对皮肤作用触觉、痛觉、温度觉、压觉报警深部感觉肌体神经及关节物质对肌体的作用撞击、重力、姿势等

平衡感觉前庭器官运动和位置变化旋转运动、直线运动和摆动等调整人的各种感受器都有一定的感受性和感觉阈限。第6页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三表3－2人体主要感觉阈值感觉感觉阈下限上限视觉（2.2～5.7）×10-17J（2.2－5.7）×10-8J听觉1×10-12J/m21×102J/m2嗅觉2×10-7kg/m3

味觉4×10-7(硫酸试剂摩尔浓度)

触觉2.6×10-9J

温度觉6.28×10-9kg·J/m2·s9．13×10-6kg·J/m2·s振动觉振幅2.5×10-4mm

说明：从人的感觉阈限来看，刺激本身必须达到一定强度才能对感受器官发生作用。感觉器官经过连续刺激一段时间后，敏感性会降低，产生适应现象。返回第7页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.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，见下图。图3-2反射弧和信息链第8页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.1.3感觉通道与适用的信息通常一种感受器官只能接受一种刺激和识别某一种特征，眼睛只接受光刺激，耳朵只接受声刺激。人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（80%）、听觉通道（14%）、触觉和其他通道（6%）。其适用场合参阅表3-1。第9页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回第10页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.2视觉机能及其特征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（<1/70），人眼所能感觉到的波长为380-780nm（1nm=10-9m），见图3-3。第11页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-3全部电磁光谱中的可见光谱返回第12页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.2.2视觉系统视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动组成。见图3-4。眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为21～25mm的球体，其基本构造与照相机类似，见图3-5。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。如表B1。3.2视觉机能及其特征第13页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-4人的视觉系统右视野左视野处理文字的能力较强处理数字的能力较强数字文字返回第14页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-5眼睛结构示意图返回返回第15页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三表B1视网膜的视杆细胞和视锥细胞的不同性质返回第16页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.2.3视觉机能1.视角与视力（1）视角：由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度。如图所示。

α=2arctg(D/2L)

α—视角，用（’分）表示，即（1/60）°；

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。工业设计中，视角是确定设计可视对象尺寸大小的依据。

3.2视觉机能及其特征第17页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三（2）临界视角：眼睛能分辨被看物体最近两点的视角。按标准规定，人站在离视力检查表5m远处观看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，视力为1.0即视力正常，此时的临界视角=1´(1分)。（3）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第18页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.视野与视距视野：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。(静视野、注视视野、动视野)

动视野:见图3-6。

水平视野（单视野/双视野）:1.5º-3.0º——特优视区；（物象落在黄斑上）10º以内——最优视区；10º-20º——瞬息视区；（能在很短的时间内看清物体）20º-30º——有效视区；（需集中注意力看）其余：良好视区。3.2.3视觉机能第19页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三垂直视野:（如图3-6）水平视线上下1.5º为特优视区；水平视线以下10º为最优视区；水平视线以上10º，以下10º—30º内为有效视区；其余：良好视区。舒适视线：直立：水平视线以下15度；放松立：水平视线以下30度；放松坐：水平视线以下40度。一般应根据观察目标大小和形状及工作要求确定视距，普通操作的视距范围在38～76cm之间，在56cm处最为适宜。2.视野与视距3.2.3视觉机能视距：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。第20页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三在垂直面内，标准视线为水平视线，最大固定视野为115°，标准视线上方50°，下方70°，扩大的视野为150°，站立时的自然视线低于水平线10°，坐着时自然视线代于水平视线15°；人在很低松驰的状态中，站着和坐着时的自然视线偏离标准视线分别是30°和38°。因此，人在轻松的时刻观看展览时，展示物的位置在低于标准视线30°的区域里。图3-6人的垂直视野返回第21页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回任务要求举例视距离（眼至视觉对象）单位：cm固定视野直径单位：cm备注最精细的工作安装最小部件（表、电子元件）12～2520～40完全坐着，部分地依靠视觉辅助手段（小型放大镜、显微镜）精细工作安装收音机、电视机25～3540～60坐着或站着中等粗活在印刷机、钻井机床旁工作50以下至80坐或站粗活包装、粗磨50～15030～250多为站着远看黑板、开汽车150以上250…坐或站表3-2不同工作任务视距的推荐值

第22页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-6人的水平视野返回在水平面内最大固定双眼视野为180°，扩大的视野为190°，在标准视线左右各10°～20°视野内可以辨别字。在标准视线左右各5°～30°视野内可以辨别字母，在标准视线右30°～60°范围是颜色视野，人最敏锐的视力是在标准视线两侧各10°的视野内。第23页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.中央视觉和周围视觉中央视觉（明视觉）—视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。周围视觉（暗视觉）—视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。操作者在进行作业时，除要注视操作对象外，还要求看到周围情况。如果视野很小或缺损，将会对工作效率产生影响，甚至造成工作事故。因而，在选择车、船驾驶员时，必须检查其正常视野范围。如果各方面的视野都缩小10°以内者称为工业盲。3.2.3视觉机能第24页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三4.双眼视觉和立体视觉双眼视物：视野范围较大；具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力；能形成立体视觉。5.色觉和色视野色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围，图3-7。3.2.3视觉机能第25页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-7人的色视野眼睛的色视野返回第26页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三6.暗适应和明适应(视觉的适应)人眼随视觉环境中光亮度的变化而感受性发生变化的过程，有暗适应和明适应两种。见图3-8。根据视觉的明暗适应特征，要求在设计工作面照明时，需使其亮度均匀而且不产生阴影，否则，眼睛的频繁明暗调节，不仅会增加眼睛的疲劳，而且会引起错误操作。7.眩光

物体表面产生的刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。

3.2.3视觉机能第27页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-8明适应与暗适应返回第28页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三目标与背景有一定的对比度时，人眼才能看清其形状。这种对比可以用颜色（背景与物体具有不同的颜色），也可以用亮度（背景与物体在亮度上有一定的差别）。人眼刚刚能看辨别到物体时，背景与物体之间的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比度；临界对比的倒数称为对比感度。8、对比感度式中：CP——临界对比度

△Lp——临界亮度差

Lp——背景亮度

Lo——物体的亮度

SC——对比感度3.2.3视觉机能第29页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三对比感度与照度、物体尺寸、视距、和眼的适应情况等因素有关。在理想情况下，视力好的人，其临界对比度约为0.01，也就是其对比感度达到100。第30页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三疲劳程度：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，仪表的布置必须考虑这一点。设计依据：因正常情况不可能一只眼动，另一只不动，故一般操作，应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：黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字、白底红字。3.2.4视觉特征3.2视觉机能及其特征第31页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三右上限左上限左下限右下限返回第32页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三第33页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三据说能看见9张脸的智商有一百八十！你能看出几张脸?

第34页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.3.1听觉刺激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：20～20000Hz。感受性最高的频率范围:1000～4000Hz。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，见图3-9。3.3听觉机能及其特征图3-9（a）人耳的基本结构（b）耳蜗耳与听觉视频第35页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三不同分貝水準的聲音示例第36页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.3.3听觉的物理特性（声音：音调、强度、音色）1.频率响应（感受性）人耳能听闻的频率比为：fmin/fmax=1：1000；频率感受的上限随年龄增长而逐年连续下降，如右图所示；3.3听觉机能及其特征图3-10听力损失曲线第37页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.3.3听觉的物理特性

（声音：音调、强度、音色）1.频率响应（感受性）人耳能听闻的频率比为：fmin/fmax=1：1000；频率感受的上限随年龄增长而逐年连续下降，如右图；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8kHz10kHz12kHz14.1kHz14.9kHz15.8kHz16.7kHz17.7kHz18.8kHz19.9kHz21.1kHz22.4kHz测试：第38页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三声强（I）是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量。单位为W/m2。

I=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种频率的正弦式纯音的最低声强Imin（听阈值），如图3-11；

3.3.3听觉的物理特性可听声除取决与声音的频率外，还取决于声音的强度（即声音的动态范围）。2.动态范围（声音的强度）标准灵敏度：f=1000Hz，I0=Imin=10-12W/m2（2）痛阈：对于感受给定各种频率的正弦式纯音，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）听觉区域：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区（影线部分）,如图3-11。图3-11听阈、痛阈与听觉区域IminImax第39页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.方向敏感度(亦称“双耳效应”或“立体声效应”)如果声音来自听音者的正前方，此时由于声源到左、右耳的距离相等，从而声波到达左、右耳的时间差、音色差为零，此时感受出声音来自听音者正前方，而不是偏向某一侧。声音强弱不同时，可感受出声源与听音者之间的距离。由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。靠近声源的耳朵可接收完整声频，而远离的那只只能接收“畸变”声音（衰减）。（3）人耳对不同频率、来自不同方向的声音的感受能力不同，见右图。3.3.3听觉的物理特性3.3听觉机能及其特征图3-12右耳对各频率纯音单耳听闻的方向敏感度人的听觉系统的这一特性对室内声学设计是极其重要的！！由图可知：低频时响应对方向依赖程度小，高频时依赖程度大。第40页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.3.3听觉的物理特性4.掩蔽效应掩蔽效应指人的耳朵只对最明显的声音反应敏感，而对于不敏感的声音，反应则较不为敏感。例如在声音的整个频率谱中，如果某一个频率段声音比较强，则人就对其它频段的声音不敏感了。应用此原理，人们发明了mp3等压缩的数字音乐格式，在这些格式的文件里，只突出记录了人耳朵较为敏感的中频段声音，而对于较高和较低的频率的声音则简略记录，从而大大压缩了所需的存储空间。在人们欣赏音乐时，如果设备对高频响应得比较好，则会使人感到低频响应不好，反之亦然。一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。前者称为掩蔽声音(maskingtone)，后者称为被掩蔽声音(maskedtone)。3.3听觉机能及其特征第41页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三5.听觉疲劳人的听阈复原须经历一段时间，掩蔽声去掉后，掩蔽效应并不立即消除，这个现象称为残余掩蔽或听觉残留。其量值可表示听觉疲劳。图：以一纯音掩蔽另一纯音的示例3.3.3听觉的物理特性3.3听觉机能及其特征第42页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三3.4其他感觉机能及其特征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。人体皮肤上分布着三种感受器：触觉、温度和痛觉感受器。

1.触觉(tactilesense)触觉是微弱的机械刺激触及了皮肤浅层的的触觉感受器引起的；压觉是较强的机械刺激引起皮下组织变形而产生的，二者性质相似，故称触压觉。触觉感受器：游离神经末梢、触觉小体、触盘、毛发神经末梢等。触觉阈限(limen)：引起皮肤表面下的组织位移的机械刺激引起的触觉，小到0.001mm。而能感知两个刺激点间的最小距离，称为两点阈限。手指的两点阈限值最低，这是利用手指触觉操作的一种“天赋”。

(1)触觉的敏感性：皮肤的不同区域由于其厚度、神经分布状况不同对触觉的敏感性不同，如图3-13。

(2)触觉的定位能力：指尖和舌尖能力最强，而上臂、腰部和背部对刺激点定位能力较差，如图3-14。

3.4.1肤觉第43页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-13男性身体各部分的触觉敏感性返回第44页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三图3-14男性身体各部位刺激点定位的能力返回第45页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.温度觉

分为冷觉和热觉，由两种不同范围的温度感受器引起的。冷感受器在皮肤温度低于30℃时开始冲动；热感受器在皮肤温度高于30℃时开始发放冲动，到47℃时为最高。

温度感受器分布在皮肤的不同部位，形成所谓冷点和热点。每平方厘米皮肤内，冷点有6-23个，热点有3个。高温作业：高于25℃GB4200-1997—《高温作业分级》GB953-1989—《高温作业允许持续接触时间限制》低温作业：低于5℃；冷水作业：水温低于12℃GB/T14440-93——《低温作业分级》GB/T14439-93——《冷水作业分级》3.4.1肤觉(cutaneoussenses)3.4其他感觉机能及其特征第46页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回表3－19高温作业分级表

接触高温作业时间minWBGT指数/℃湿球黑球温度指数：表示人体接触生产环境热强度的一个经验指数。25～

2627～

2829～

3031～

3233～

3435～

3637～

3839～

4041～

42≥43≤120ⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅢⅢⅢ121～

240ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣ－－241～

360ⅡⅡⅢⅢⅣⅣ－－－－≥360ⅢⅢⅣⅣ－－－－－－第47页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回表3－20高温作业允许持续接触热时间限值/min

工作地点温度

oC轻劳动中等劳动重劳动30～32807060>32～34706050>34～36605040>36～38504030>38～40403020>40～42302015>42～44201010第48页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回表3－21低温作业分级表

低温作业时间率（％）温度范围

/oC≤5～10≤0～－5≤－5～－10≤－10～－15≤－15～－20<－20≤25>25～50>50～75>75ⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅢⅡⅡⅢⅢⅡⅢⅢⅣⅢⅢⅣⅣ第49页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三返回表3－23冷水作业分级表

冷水作业时间率（％）≤12～10<10～8<8～6<6～4<4～2<2～0≤25>25－50>50－75>75ⅠⅠⅠⅡ

ⅠⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅢⅡⅡⅢⅢⅡⅢⅢⅣⅢⅢⅣⅣ温度范围

/oC第50页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三凡是剧烈的物理或化学刺激（冷、热、压力等），均可引起痛觉，属身体组织的游离神经末梢产生。其在皮肤中的分布部位称作痛点。每平方厘米皮肤表面约有100个痛点，整个皮肤表面达100万个。痛觉的中枢部分位于大脑皮层。痛觉敏感度方面，皮肤和外粘膜高，角膜的中央最痛。3.痛觉3.4.1肤觉图3-15

人的痛、温度和粗略触觉传导通路3.4其他感觉机能及其特征第51页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三上图为各种