人机工程学(第三版)第3章 人体感知与运动系统

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。 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。
第3章 人体感知与运动特征
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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。
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 成。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 放应器，见图 3-2（a）。
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，见图3-7。 6. 暗适应和明适应，见图3-8。
视觉特征：
1.疲劳程度：水平优于垂直。 2.视线变化习惯：左—右，上—下，顺时针。 3. 准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。 4.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。 5.设计依据：以双眼视野为设计依据。 6 .接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。 7.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。 据上述特征，适用视觉的原则参阅表3-2。
第 3 章 结 束
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附录
本章所附插图
图3-1
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图3-2
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图3-3
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图3-4
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图3-5
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图3-6
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图3-7
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图3-8
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图3-9
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图3-10
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图3-11
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图3-12
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图3-13
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图3-14
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图3-15
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图3-16
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图3-17
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
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
3.5.1 神经系统 1. 中枢神经系统，包括脑和脊髓。 2. 周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总 称，见图3-15。 3.5.2 大脑皮质功能定位 1. 躯体感觉区，见图3-16（a） 2. 躯体运动区，见图3-16（b） 3. 其他功能区
3.6 人的信息处理系统
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，见图3-17。 感觉 信号处理 反应 输入 系统 输出 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
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）。
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。
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，记忆曲线见图3-19。
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。
3.8 人的运动输出
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3-8。 2.反应时间与刺激信号的强度有关，参阅表3-9。 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.方向敏感度（双耳效应） （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°。 （2）人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同， 见图3-12。由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。 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。
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。
3.5 神经系统机能及其特征
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图3-18
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图3-19
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图3-20
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图3-21
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图3-22
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图3-23
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图3-24
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Hale Waihona Puke Baidu
图3-25
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图3-26
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图3-27
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图3-28
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图3-29
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3.2.3 视觉机能
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。 α =2arctg(D/2L) α —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
2. 动态范围（声音的强度） 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。 （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,见 图3-11。
3.3 听觉机能及其特征
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。
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。
3.3.3 听觉的物理特性
1 .频率响应（感受性） 人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1：1000； 频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见图3-10； 听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。
3.7 运动系统的机能及其特征
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 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。
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
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
=-∑Pjlog2Pj (j=1„n) 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
3.6.3感觉的信息处理 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图3-18。 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。
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）。 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。其适用场合参阅表3-1。
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，其波长为380~780nm， 见图3-3。 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，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。