1、人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院第二章第二章 人体感知（二）人体感知（二）人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官，主要由骨骼、关节和肌肉三部分组成。人体的运动是以关节为支点，通过附着于骨面的肌肉的收缩，牵动骨骼改变位置而产生的。在运动过程中，骨是运动的杠杆，关节是运动的枢纽，肌肉是运动的动力。三者在神经系统的支配和调节下协调一致，随着人的意志，共同完成各种动作。2.72.7运动系统的机运动系统的机能及其特征能及其特征 人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院
2、人体内的肌肉依其形状构造、分布和功能特点分为三种类型的肌肉。第一类是骨骼肌也叫横纹肌，通过腱与骨骼相连。骨骼肌的收缩能力强，其运动受意志支配，人体运动主要与骨骼肌有关，但用力不能持久。第二类为平滑肌，构成人体某些器官的管壁。第三类为心肌，分布在心脏的房室壁口，组成心肌层。人体工学所研究的仅限于骨骼肌，因为它的活动受神经系统支配，能随人的意志运动，控制人体位置的变化。2.7.12.7.1肌肉的工作机理肌肉的工作机理人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术
3、设计与传媒学院 人体的骨骼肌共有400多块，占成年男性部总重量的40%，约占女性体重的35%，骨骼肌的形状一般有长肌、短肌、阔肌和轮匝肌四种，表面为肌膜包裹，里面由许多排列成的肌纤维构成，并有一定的辅助装置及其自身的神经和血管。肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械能或动能，这种转变是靠肌肉所具有的收缩性来实现的，肌肉的这种生理特性是在神经系统的调节、控制下进行的。肌肉运动的基本特征是收缩与放松，收缩时长度缩短，横断面增大，放松时则成相反变化。其机理是因为肌原纤维是由许多肌微丝；另一种是较为细长的肌动蛋白微丝。肌肉的收缩就是由于两种肌微丝的蛋白之间不断地结合或离解，从而使肌动蛋白微丝在相邻的肌
4、球蛋白微丝之间滑动而向肌节中心靠扰，使肌节缩短，放松时则与此相反，如图223所示。2.7.1.12.7.1.1骨骼肌肉的特点骨骼肌肉的特点人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 肌肉收缩时的力学特征的不同表现，主要取决于负荷（阻力、重量）的大小。a a、潜伏期潜伏期 负荷增大时，从肌肉受到刺激到肌肉开始缩短的时间间隔变长，即潜伏期延长，如图215所示。b b、缩短程度缩短程度 图216所示为人体右胸在肌负荷与肌肉缩短程度，速度的关系，当负荷较大时，肌肉的缩短程度较小。2.7.1.22.7.1.2肌肉收缩的力学特征肌肉收缩的力学特征人机工程学Ergonomics艺术设
5、计与传媒学院艺术设计与传媒学院c c、缩短速度缩短速度 人体右胸大肌在负荷较大时，肌肉缩短速度慢。肌肉收缩速度与待收缩量成正比。在某一负荷下，肌肉收缩时，最初缩短速度较快，随着肌肉的缩短，收缩速度渐慢，到最后缩短值时，缩短速度为零。这一关系可用下式表示。)(SSBdtdst式中 观察瞬时的收缩速度；St可完成的收缩总量；S已完成的收缩量；B常数。dtds 常数B决定整个收缩过程的快慢，其值主要由施于肌肉的负荷决定，即负荷增大，B值减小，因此，负荷很小时肌肉收缩得快，反之收缩变慢。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺
6、术设计与传媒学院 肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.010.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和，肌肉的最大肌力为每平方厘米横截面上3040N，由此可见一个人的肌力大小取决于其肌肉横截面面积的大小，同时肌力还与收缩肌肉的长度有关，以及中枢神经系统的机能状态，肌肉对骨发生作用的机械条件等有关，此外与施力姿势、施力部位、施力方式和施力方向也有密切的联系。只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是操纵力设计的依据。2.7.22.7.2肌肉的力量肌肉的力量人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院表27 身体主要部位肌肉
7、所产生的力（N）肌肉的部位手臂肌肉上臂肌中的肌肉手臂弯曲时的肌肉手臂伸直时的肌肉姆指肌肉背部肌肉（取于屈伸肌）力的数值男右3822842842251181196左36327422420698女右21612720617688696左19612719616778人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 图226所示在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分布，以图中可了解到在70处可达到最大值，即产生相当于体重的力量。是许多操纵机构（例如方向盘）置于人体正前上方的原因。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院手臂的角度（）拉 力推 力左 手右 手左
8、手右 手 180(向前平伸臂15012090（垂臂）60向 后230 240190 250160 190150 170 110 120向 前190 230140 190120 160100 160100 1601801501209060向 上40 6070 8080 11080 9070 90向 下60 8080 90100 120100 12080 901801501209060向 侧60 9070 9090 10070 8080 90向 侧40 6040 7050 7050 7060 80表2-8手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与
9、传媒学院 图228表示坐姿时足在不同位置上脚蹬力大小，图中的外围曲线就是足蹬力的界限，箭头表示用力方向，可知最大蹬力一般在膝部屈曲160时产生。肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。随着时间延长、人的力量很快会衰减。例如，人的拉力由最大值衰减到四分之一数值时，只需4分钟。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学
10、院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 肢体动作速度的大小，在很大程度上决定于肢体肌肉收缩的速度。不同的肌肉，收缩速度也不同，如慢肌纤维收缩速度慢，快纤维收缩速度也快。通常一块肌肉中既有慢肌纤维，也含快肌纤维。中枢神经系统可能时而使慢肌纤维收缩，时而肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度。收缩速度还决定于肌肉收缩时所发挥的力量和阻力的大小。发挥的力量愈大，外部阻力愈小，则收缩速度愈快。表29 人体各部位动作速度与频率限度动作部位动作速度与
11、频率手的运动（cm/s）控制操纵杆移动（cm/s）手指敲击的最大频率（次/s）旋转把手与驾驶盘（r/s）身体转动（次/s）手控制的最大谐振截止频率（H2）手的弯曲与伸直（次/s）脚掌与脚的运动（次/s）358.817359.4229.460.721.620.811.20.360.722.7.32.7.3肤体的动作速度与频率肤体的动作速度与频率人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 反应时又称反应时间，是指刺激作用于人后到人明显的反应开始时所需要的时间，即刺激与反应之间的时间间隔。人接受刺激时并不会立即有反应，而有一个发动过程，这种过程包括刺激使感觉器产生活动，经由传
12、入神经传至大脑神经中枢，经大脑加工后，再由传出神经传到运动器官，运动反应器接受神经冲动。产生一定的反应，这些过程所需时间的总和称为反应时间，有时也叫反应的潜伏期。2.8.1 反应时 2.8 人的反应特征人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 反应时可以作为成就的指标及内部过程复杂程度的指标。对一件工作越熟悉，反应时间就越快；内部过程越复杂，反应时间就越长。反应时间分为两部分组成：一是反应知觉时间即自出现刺激到开始运动反应的时间；二是运动时间即运动过程时间。RT=tz+td 式中：RT反应时间 tz反应知觉时间 td运动时间 人机工程学Ergonomics艺术设计与传
13、媒学院艺术设计与传媒学院a、刺激不同的感觉器官 这里分为两种情况，其一是刺激作用不同的感觉器官，其反应时间是不同的，见表210各种感觉器官的简单反应时。其二是刺激作用于同器官的不同位置，其反应时间也不相同。210各种感觉器官的反应时间感觉器官反应时间（ms）触觉110-160听觉120-160视觉150-200冷觉150-230温觉180-240嗅觉210-390痛觉400-1000味觉330-11002.8.2.1 刺激对反应时的影响2.8.2 影响反应时的因素人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院b、刺激的性质与强度 人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的，见表
14、211。对于同一种性质的刺激来说，一般情况是对弱刺激的反应时间较长，刺激增加到中等强度与极强时，反应时间短。211对各种刺激的反应时间刺 激反应时间光电 击声 音光 和 电击光 和 声音声音和电击光、声和电击176143142142142131127212不同强度刺激的反应时间（ms）刺 激对刺激开始的反应时间对中间的反应时间声中强度弱强度阈 限119184779121183745光强弱162205167203人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院c、刺激的清晰度和可辨性 刺激信号与背景的对比程度也是影响反应时间的一种因素，信号愈清晰易辨认，则反应时间愈短；反之，则
15、反应时间延长。因此，在设计灯光信号时，要考虑信号与背景的亮度比；设计标志信号时，要考虑信号与背景的颜色对比；设计声音信号时，要考虑信号与背景的信噪比及频率的不同等。例如，在重要的控制室里要求有一定的隔光、隔音措施，就是为了保证操作者的反应速度。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。表213为光刺激时间对反应时间影响的实验结果。由表中数据可知，刺激信号的持续时间越长，反应时间越短。但这种影响关系也有一定的限度，当刺激持续时间达到某一界限时，再增加刺激时间，反应时间却不再减少。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院表213 光刺激时间对反应时间的影
16、响（ms）光刺激持续时间36122448反 应 时 间191189187184184 此外，刺激信号的数目对反应时间的影响最为明显，即反应时间随刺激信号数的增加而明显的延长，见表214。对于需要辨别两种刺激信号时，若两刺激信号的差异愈大，则其可辨性愈好，即反应时间愈短；反之，其反应时间愈长。表215为几种刺激的可辨性对反应时间的影响。表214 可选择的刺激数目对反应时间的影响刺激选择目反应时间（ms）11872316336444345485653275708603961910622表215 刺激的辨别难度对反应时间的影响要 辨 别的刺激白和黑红和绿红和黄红和橙红 和 橙（加25%红）红 和 橙
17、（加50%红）红 和 橙（加75%红）1 0 和1 3 m m线段1 0 和12.5mm线段平 均 反应 时 间（ms）197208217246252260271296298要 辨 别的刺激1 0 和12mm线段10和11.5mm线段1 0 和1 1 m m线段1 0 和10.5mm线段相差16Hz纯音相差12Hz纯音相差8 H z 纯音相差4 H z 纯音 平 均 反应 时 间（ms）305313324345290299311334 人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 在实际操作中，反应时间还与操纵器、显示器的设计有关，操纵器与显示器的形状、位置、大小、操纵器
18、的用力方向、大小等因素都会影响反应时间。例如，线条运动能在视觉中枢引起有效的冲动发放，视觉显示中大量运用线条和指针是有根据的。如果用数字进行状态显示，效果将很差。又如红光和绿蓝光在神经系统引起完全不同的反应，所以不同颜色的照明有质的区别。因此，研究操纵器、显示器设计的人体工学因素就成为提高系统工效的重要途径之一。人的反应速度是有限的，一般条件反射反应时间为0.10.15s，听觉反应时间稍高。连续工作时，由于人的神经传递存在着0.5s左右的不应期，所以需要感觉指导的间断操作的间隙期一般应大于0.5s；复杂的选择反应时间达13s，要进行复杂判断和认知反应的时间平均达35s。因此，在人机系统设计中，
19、必须考虑人的反应能力的限度。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 人的反应分三个连续的时期：一是前期即从预备信号到刺激，二是反应时间即从刺激到肌运动，三是后期即从明显反应开始到反应结束。反应前期即反应准备状态，前期时间太短，可能没有做好反应的准备，如果前期时间太长，准备又会松懈。一般2秒左右的前期时间比较合适，但这存在个体差异。一般的田径赛跑，前期时间定为1.5秒为佳，表216为前期准备时间与反应时的关系，可见在前期准备时间在12秒比较好，其反应时间短，标准差小。表216准备时间对反应时的影响准备时间（s）0.5 1 2 4平均反应时（nm）335 241 245
20、 276标准差（nm）64 43 51 562.8.3.12.8.3.1人的准备状态人的准备状态2.8.3 2.8.3 人的主体因素人的主体因素人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 如果把刺激时间看成是预备时间，其研究结果如图2-29 所示。可见间隔时间为1s时的反应时间最短，其次是2s。该研究还指出发现间隔为19min出现一个信号的效率，比发现间隔为1015s出现一个信号的效率要低10倍。另外，心理上的定向作用也会影响反应时间。例如，事先要求操作者在反应中监视某一“事故信号”，由于这种定向（定势）作用，操作者观察这个“事故信号”的反应速度会显著提高。人机工程学E
21、rgonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 复杂反应包括选择反应和辨别反应，这些反应由于在反应潜伏期中包括识别，判断和选择等因素的影响，其反应时间比较长而且错误反应的次数，会随刺激复杂程度的加大将随之增加。表215 刺激的辨别难度对反应时间的影响要 辨 别的刺激白和黑红和绿红和黄红和橙红 和 橙（加25%红）红 和 橙（加50%红）红 和 橙（加75%红）1 0 和1 3 m m线段1 0 和12.5mm线段平 均 反应 时 间（ms）197208217246252260271296298要 辨 别的刺激1 0 和12mm线段10和11.5mm线段1 0 和1 1 m m线段1 0
22、 和10.5mm线段相差16Hz纯音相差12Hz纯音相差8 H z 纯音相差4 H z 纯音 平 均 反应 时 间（ms）305313324345290299311334 2.8.3.2复杂反应人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 人不同年龄时期的反应时也不同，从幼儿到25岁这一时期反应时随年龄增加而逐渐缩短，起初减少得很快，以后放慢。年龄时间2.8.3.3年龄因素年龄因素人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院 人体各部位动作一次的最少平均时间见表217。由表可知，即使同一部位，但动作特点不同，其所需的最少平均时间也不同。另外，对于手的
23、动作，随着出手距离增加，反应时间相应加长，见表2-18。出手距离（cm）204060平 均 反 应 时 间（ms）525596670标准差（ms）507174表218 反应动作距离与动作时间2.8.4不同的动作部位人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院表217 人体各部位动作一次的最少平均时间动作部位动作特点最少平均时间/s手抓取直线的曲线的0.070.22旋转克服阻力不克服阻力0.720.22脚直 线 的克服阻力的0.360.72腿直 线 的脚 向侧 面0.360.721.46躯干弯 曲倾 斜0.721.621.26人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院
24、艺术设计与传媒学院 对于反应动作的出手方向不同，反应时间也不同。如图231所示，如以出手方向的反应时间为100，则方向为102；方向为123；方向为128；方向为129；在方向的位置上向左或向右移动速度没有差别。一般说来，手作返回身体方向的动作比离开身体方向的动作反应要快些。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院2.8.6 运动准确性 准确性是运动输出质量高低的另一 个重要指标。在人机系统中，如果操 作者发生反应错误或准确性不高，即 使其反应时间和运动时间都很短，也不能实现系统目标，甚至会导致事故。影响运动准确性的主要因素有运动时间、运动类型、运动方向、操作方式等。运动速度与准确性两者间存在着互相补偿关系，描述其关系的曲线称为速度准确性特性曲线，如图2-33所示。该曲线表示速度越慢，准确性越高，但速度降到一定程度时，曲线渐趋平坦。说明在人机系统设计中，过分强调速度是不利的。曲线的拐点处为最佳工作点，该点表示运动时间较短，但准确性较高。随着系统安全性要求的提高，常将实际的工作点选在最佳工作点右侧的某一位置上。人机工程学Ergonomics艺术设计与传媒学院艺术设计与传媒学院
