人體感知與運動特征

關于人體感知與運動特征第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容

1.人在系統(tǒng)中的功能

3.聽覺機能及其特征

4.其他感覺機能及其特征

5.人的信息處理系統(tǒng)

2.視覺機能及其特征

6.運動系統(tǒng)的機能及其特征

7.人的運動輸出第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1人在系統(tǒng)中的功能3.1.1人是系統(tǒng)中的重要“環(huán)節(jié)”把操作者作為人機系統(tǒng)中的一個“環(huán)節(jié)”來研究，人與外界發(fā)生聯(lián)系的主要是三個子系統(tǒng)，即感覺系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、運動系統(tǒng)見圖3-1。要使閉環(huán)系統(tǒng)有效運行，需要人體結構中許多部位協(xié)同發(fā)揮作用。首先是感覺器官，其次是傳入、傳出神經通過大腦和肌肉的傳遞過程，最后是身體的運動器官執(zhí)行操作動作。本章為安全人機工程設計提供有關人體生理學和心理學的基礎。第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3-1人機系統(tǒng)示意圖返回從機器傳來的信息，通過“人”這個環(huán)節(jié)又返回到機器，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。人機所處的環(huán)境因素（如溫度、照明、噪聲、振動等）影響和干擾此系統(tǒng)的效率。故廣義講，人機系統(tǒng)又稱人-機-環(huán)境系統(tǒng)。第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2人的感知與反應機能（感知響應）1.反射?。ǚ瓷涞纳斫Y構基礎）反射是神經系統(tǒng)調節(jié)肌體活動的一種形式，是對內、外環(huán)境的刺激作出的應答反應。參與一個反射活動的全部結構組成該反射的反射弧。反射弧具有五個基本環(huán)節(jié)，即感受器傳入神經元中間神經元傳出神經元效應器。見下圖。反射弧第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月表3－1刺激及感覺反應感覺種類感覺器官適宜刺激識別特征作用視覺眼光形狀、大小、位置、遠近、色彩、明暗、運動方向等鑒別聽覺耳聲聲音的高低、強弱、方向和遠近報警、聯(lián)絡嗅覺鼻揮發(fā)和飛散的物質辣氣、香氣、臭氣報警、鑒別味覺舌被唾液溶解的物質甜酸、苦辣、咸等鑒別皮膚感覺皮膚及皮下組織物理或化學物質對皮膚作用觸覺、痛覺、溫度覺、壓覺報警深部感覺肌體神經及關節(jié)物質對肌體的作用撞擊、重力、姿勢等

平衡感覺前庭器官運動和位置變化旋轉運動、直線運動和擺動等調整人的各種感受器都有一定的感受性和感覺閾限。第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月表3－2人體主要感覺閾值感覺感覺閾下限上限視覺（2.2～5.7）×10-17J（2.2－5.7）×10-8J聽覺1×10-12J/m21×102J/m2嗅覺2×10-7kg/m3

味覺4×10-7(硫酸試劑摩爾濃度)

觸覺2.6×10-9J

溫度覺6.28×10-9kg·J/m2·s9．13×10-6kg·J/m2·s振動覺振幅2.5×10-4mm

說明：從人的感覺閾限來看，刺激本身必須達到一定強度才能對感受器官發(fā)生作用。感覺器官經過連續(xù)刺激一段時間后，敏感性會降低，產生適應現(xiàn)象。返回第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.信息鏈人機系統(tǒng)的信息在人的神經系統(tǒng)中的循環(huán)過程形成信息鏈，見下圖。圖3-2反射弧和信息鏈第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3感覺通道與適用的信息通常一種感受器官只能接受一種刺激和識別某一種特征，眼睛只接受光刺激，耳朵只接受聲刺激。人機系統(tǒng)中的最常用的感覺通道是視覺通道（80%）、聽覺通道（14%）、觸覺和其他通道（6%）。其適用場合參閱表3-1。第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2視覺機能及其特征3.2.1視覺刺激視覺的適宜刺激是光。人的兩眼可以感受到的光波只占整個電磁光譜的一小部分（<1/70），人眼所能感覺到的波長為380-780nm（1nm=10-9m），見圖3-3。第11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-3全部電磁光譜中的可見光譜返回第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)由眼睛、視神經和視覺中樞的共同活動組成。見圖3-4。眼睛是視覺的感受器官，人眼是直徑為21～25mm的球體，其基本構造與照相機類似，見圖3-5。視網(wǎng)膜最外層細胞包括視桿細胞和視錐細胞，它們是接受信息的主要細胞。如表B1。3.2視覺機能及其特征第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-4人的視覺系統(tǒng)右視野左視野處理文字的能力較強處理數(shù)字的能力較強數(shù)字文字返回第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-5眼睛結構示意圖返回返回第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月表B1視網(wǎng)膜的視桿細胞和視錐細胞的不同性質返回第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3視覺機能1.視角與視力（1）視角：由瞳孔中心到觀察對象兩端所張開的角度。如圖所示。

α=2arctg(D/2L)

α—視角，用（’分）表示，即（1/60）°；

D—被看物體上兩端點的直線距離；

L—眼睛到被看物體的距離。工業(yè)設計中，視角是確定設計可視對象尺寸大小的依據(jù)。

3.2視覺機能及其特征第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）臨界視角：眼睛能分辨被看物體最近兩點的視角。按標準規(guī)定，人站在離視力檢查表5m遠處觀看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，視力為1.0即視力正常，此時的臨界視角=1′(1分)。（3）視力：眼睛分辨物體細微結構能力的一個生理尺度，以臨界視角的倒數(shù)來表示。

視力=1/能夠分辨的最小物體的視角第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.視野與視距視野：眼睛觀看正前方物體時所能看得見的空間范圍,常以角度來表示。(靜視野、注視視野、動視野)

動視野:見圖3-6。

水平視野（單視野/雙視野）:1.5o-3.0o——特優(yōu)視區(qū)；（物象落在黃斑上）10o以內——最優(yōu)視區(qū)；10o-20o——瞬息視區(qū)；（能在很短的時間內看清物體）20o-30o——有效視區(qū)；（需集中注意力看）其余：良好視區(qū)。3.2.3視覺機能第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直視野:（如圖3-6）水平視線上下1.5o為特優(yōu)視區(qū)；水平視線以下10o為最優(yōu)視區(qū)；水平視線以上10o，以下10o—30o內為有效視區(qū)；其余：良好視區(qū)。舒適視線：直立：水平視線以下15度；放松立：水平視線以下30度；放松坐：水平視線以下40度。一般應根據(jù)觀察目標大小和形狀及工作要求確定視距，普通操作的視距范圍在38～76cm之間，在56cm處最為適宜。2.視野與視距3.2.3視覺機能視距：指人在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離，幾種工作視距推薦值參閱表3-2。第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在垂直面內，標準視線為水平視線，最大固定視野為115°，標準視線上方50°，下方70°，擴大的視野為150°，站立時的自然視線低于水平線10°，坐著時自然視線代于水平視線15°；人在很低松馳的狀態(tài)中，站著和坐著時的自然視線偏離標準視線分別是30°和38°。因此，人在輕松的時刻觀看展覽時，展示物的位置在低于標準視線30°的區(qū)域里。圖3-6人的垂直視野返回第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回任務要求舉例視距離（眼至視覺對象）單位：cm固定視野直徑單位：cm備注最精細的工作安裝最小部件（表、電子元件）12～2520～40完全坐著，部分地依靠視覺輔助手段（小型放大鏡、顯微鏡）精細工作安裝收音機、電視機25～3540～60坐著或站著中等粗活在印刷機、鉆井機床旁工作50以下至80坐或站粗活包裝、粗磨50～15030～250多為站著遠看黑板、開汽車150以上250…坐或站表3-2不同工作任務視距的推薦值

第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-6人的水平視野返回在水平面內最大固定雙眼視野為180°，擴大的視野為190°，在標準視線左右各10°～20°視野內可以辨別字。在標準視線左右各5°～30°視野內可以辨別字母，在標準視線右30°～60°范圍是顏色視野，人最敏銳的視力是在標準視線兩側各10°的視野內。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.中央視覺和周圍視覺中央視覺（明視覺）—視維細胞（感色能力強、能清晰分辨物體）。周圍視覺（暗視覺）—視桿細胞（觀察空間范圍和正在運動的物體）。操作者在進行作業(yè)時，除要注視操作對象外，還要求看到周圍情況。如果視野很小或缺損，將會對工作效率產生影響，甚至造成工作事故。因而，在選擇車、船駕駛員時，必須檢查其正常視野范圍。如果各方面的視野都縮小10°以內者稱為工業(yè)盲。3.2.3視覺機能第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4.雙眼視覺和立體視覺雙眼視物：視野范圍較大；具有分辨物體深淺、遠近等相對位置的能力；能形成立體視覺。5.色覺和色視野色視野是指顏色對眼的刺激能引起感覺的范圍，圖3-7。3.2.3視覺機能第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-7人的色視野眼睛的色視野返回第26頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月6.暗適應和明適應(視覺的適應)人眼隨視覺環(huán)境中光亮度的變化而感受性發(fā)生變化的過程，有暗適應和明適應兩種。見圖3-8。根據(jù)視覺的明暗適應特征，要求在設計工作面照明時，需使其亮度均勻而且不產生陰影，否則，眼睛的頻繁明暗調節(jié)，不僅會增加眼睛的疲勞，而且會引起錯誤操作。7.眩光

物體表面產生的刺眼和耀眼的強烈光線，稱為眩光。

3.2.3視覺機能第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-8明適應與暗適應返回第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月目標與背景有一定的對比度時，人眼才能看清其形狀。這種對比可以用顏色（背景與物體具有不同的顏色），也可以用亮度（背景與物體在亮度上有一定的差別）。人眼剛剛能看辨別到物體時，背景與物體之間的最小亮度差稱為臨界亮度差。臨界亮度差與背景亮度之比稱為臨界對比度；臨界對比的倒數(shù)稱為對比感度。8、對比感度式中：CP——臨界對比度

△Lp——臨界亮度差

Lp——背景亮度

Lo——物體的亮度

SC——對比感度3.2.3視覺機能第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月對比感度與照度、物體尺寸、視距、和眼的適應情況等因素有關。在理想情況下，視力好的人，其臨界對比度約為0.01，也就是其對比感度達到100。第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。視線變化習慣：左—右，上—下，順時針。準確性：水平尺寸和比例的估計更準確。觀察情況的優(yōu)先性：左上—右上—左下—右下視區(qū)，儀表的布置必須考慮這一點。設計依據(jù)：因正常情況不可能一只眼動，另一只不動，故一般操作，應以雙眼視野為設計依據(jù)。接受程度：直線輪廓優(yōu)于曲線輪廓。顏色的易辨認順序：紅、綠、黃、白；顏色相配時的易辨認順序：黃底黑字、黑底白字、藍底白字、白底黑字、白底紅字。3.2.4視覺特征3.2視覺機能及其特征第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月右上限左上限左下限右下限返回第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)f能看見9張臉的智商有一百八十！你能看出幾張臉?

第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1聽覺刺激聽覺的適宜刺激是聲音，聲音的聲源是振動的物體，人的聽感范圍：20～20000Hz。感受性最高的頻率范圍:1000～4000Hz。3.3.2聽覺系統(tǒng)起主要作用的部位：內耳耳蝸起輔助作用的部位：外耳、中耳、內耳的其它部分，見圖3-9。3.3聽覺機能及其特征圖3-9（a）人耳的基本結構（b）耳蝸耳與聽覺視頻第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月不同分貝水準的聲音示例第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3聽覺的物理特性（聲音：音調、強度、音色）1.頻率響應（感受性）人耳能聽聞的頻率比為：fmin/fmax=1：1000；頻率感受的上限隨年齡增長而逐年連續(xù)下降，如右圖所示；3.3聽覺機能及其特征圖3-10聽力損失曲線第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3聽覺的物理特性

（聲音：音調、強度、音色）1.頻率響應（感受性）人耳能聽聞的頻率比為：fmin/fmax=1：1000；頻率感受的上限隨年齡增長而逐年連續(xù)下降，如右圖；聽覺的頻率響應特性對聽覺傳示裝置的設計是很重要的。3.3聽覺機能及其特征8kHz10kHz12kHz14.1kHz14.9kHz15.8kHz16.7kHz17.7kHz18.8kHz19.9kHz21.1kHz22.4kHz測試：第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月聲強（I）是指單位時間內，聲波通過垂直于傳播方向單位面積的聲能量。單位為W/m2。

I=正好可忍受的聲強/正好能聽見的聲強

（1）聽閾：在最佳的聽聞頻率范圍內，一個聽力正常的人剛剛能聽到給定各種頻率的正弦式純音的最低聲強Imin（聽閾值），如圖3-11；

3.3.3聽覺的物理特性可聽聲除取決與聲音的頻率外，還取決于聲音的強度（即聲音的動態(tài)范圍）。2.動態(tài)范圍（聲音的強度）標準靈敏度：f=1000Hz，I0=Imin=10-12W/m2（2）痛閾：對于感受給定各種頻率的正弦式純音，開始產生疼痛感的極限聲強Imax。（1）與（2）都與頻率有關系，是在某一頻率下的聽閾值或痛閾值。（3）聽覺區(qū)域：由聽閾和痛閾兩曲線所包圍的聽覺區(qū)（影線部分）,如圖3-11。圖3-11聽閾、痛閾與聽覺區(qū)域IminImax第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.方向敏感度(亦稱“雙耳效應”或“立體聲效應”)如果聲音來自聽音者的正前方，此時由于聲源到左、右耳的距離相等，從而聲波到達左、右耳的時間差、音色差為零，此時感受出聲音來自聽音者正前方，而不是偏向某一側。聲音強弱不同時，可感受出聲源與聽音者之間的距離。由于頭部的掩蔽效應，造成聲音頻譜的改變。靠近聲源的耳朵可接收完整聲頻，而遠離的那只只能接收“畸變”聲音（衰減）。（3）人耳對不同頻率、來自不同方向的聲音的感受能力不同，見右圖。3.3.3聽覺的物理特性3.3聽覺機能及其特征圖3-12右耳對各頻率純音單耳聽聞的方向敏感度人的聽覺系統(tǒng)的這一特性對室內聲學設計是極其重要的！！由圖可知：低頻時響應對方向依賴程度小，高頻時依賴程度大。第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3聽覺的物理特性4.掩蔽效應掩蔽效應指人的耳朵只對最明顯的聲音反應敏感，而對于不敏感的聲音，反應則較不為敏感。例如在聲音的整個頻率譜中，如果某一個頻率段聲音比較強，則人就對其它頻段的聲音不敏感了。應用此原理，人們發(fā)明了mp3等壓縮的數(shù)字音樂格式，在這些格式的文件里，只突出記錄了人耳朵較為敏感的中頻段聲音，而對于較高和較低的頻率的聲音則簡略記錄，從而大大壓縮了所需的存儲空間。在人們欣賞音樂時，如果設備對高頻響應得比較好，則會使人感到低頻響應不好，反之亦然。一種頻率的聲音阻礙聽覺系統(tǒng)感受另一種頻率的聲音的現(xiàn)象稱為掩蔽效應。前者稱為掩蔽聲音(maskingtone)，后者稱為被掩蔽聲音(maskedtone)。3.3聽覺機能及其特征第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.聽覺疲勞人的聽閾復原須經歷一段時間，掩蔽聲去掉后，掩蔽效應并不立即消除，這個現(xiàn)象稱為殘余掩蔽或聽覺殘留。其量值可表示聽覺疲勞。圖：以一純音掩蔽另一純音的示例3.3.3聽覺的物理特性3.3聽覺機能及其特征第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4其他感覺機能及其特征膚覺是僅僅次于聽覺的一種感覺，可感受多種外界刺激，形成多種感覺。人體皮膚上分布著三種感受器：觸覺、溫度和痛覺感受器。

1.觸覺(tactilesense)觸覺是微弱的機械刺激觸及了皮膚淺層的的觸覺感受器引起的；壓覺是較強的機械刺激引起皮下組織變形而產生的，二者性質相似，故稱觸壓覺。觸覺感受器：游離神經末梢、觸覺小體、觸盤、毛發(fā)神經末梢等。觸覺閾限(limen)：引起皮膚表面下的組織位移的機械刺激引起的觸覺，小到0.001mm。而能感知兩個刺激點間的最小距離，稱為兩點閾限。手指的兩點閾限值最低，這是利用手指觸覺操作的一種“天賦”。

(1)觸覺的敏感性：皮膚的不同區(qū)域由于其厚度、神經分布狀況不同對觸覺的敏感性不同，如圖3-13。

(2)觸覺的定位能力：指尖和舌尖能力最強，而上臂、腰部和背部對刺激點定位能力較差，如圖3-14。

3.4.1膚覺第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-13男性身體各部分的觸覺敏感性返回第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-14男性身體各部位刺激點定位的能力返回第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.溫度覺

分為冷覺和熱覺，由兩種不同范圍的溫度感受器引起的。冷感受器在皮膚溫度低于30℃時開始沖動；熱感受器在皮膚溫度高于30℃時開始發(fā)放沖動，到47℃時為最高。

溫度感受器分布在皮膚的不同部位，形成所謂冷點和熱點。每平方厘米皮膚內，冷點有6-23個，熱點有3個。高溫作業(yè)：高于25℃GB4200-1997—《高溫作業(yè)分級》GB953-1989—《高溫作業(yè)允許持續(xù)接觸時間限制》低溫作業(yè)：低于5℃；冷水作業(yè)：水溫低于12℃GB/T14440-93——《低溫作業(yè)分級》GB/T14439-93——《冷水作業(yè)分級》3.4.1膚覺(cutaneoussenses)3.4其他感覺機能及其特征第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回表3－19高溫作業(yè)分級表

接觸高溫作業(yè)時間minWBGT指數(shù)/℃濕球黑球溫度指數(shù)：表示人體接觸生產環(huán)境熱強度的一個經驗指數(shù)。25～

2627～

2829～

3031～

3233～

3435～

3637～

3839～

4041～

42≥43≤120ⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅢⅢⅢ121～

240ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣ－－241～

360ⅡⅡⅢⅢⅣⅣ－－－－≥360ⅢⅢⅣⅣ－－－－－－第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回表3－20高溫作業(yè)允許持續(xù)接觸熱時間限值/min

工作地點溫度

oC輕勞動中等勞動重勞動30～32807060>32～34706050>34～36605040>36～38504030>38～40403020>40～42302015>42～44201010第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回表3－21低溫作業(yè)分級表

低溫作業(yè)時間率（％）溫度范圍

/oC≤5～10≤0～－5≤－5～－10≤－10～－15≤－15～－20<－20≤25>25～50>50～75>75ⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅢⅡⅡⅢⅢⅡⅢⅢⅣⅢⅢⅣⅣ第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月返回表3－23冷水作業(yè)分級表

冷水作業(yè)時間率（％）≤12～10<10～8<8～6<6～4<4～2<2～0≤25>25－50>50－75>75ⅠⅠⅠⅡ

ⅠⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅢⅡⅡⅢⅢⅡⅢⅢⅣⅢⅢⅣⅣ溫度范圍

/oC第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月凡是劇烈的物理或化學刺激（冷、熱、壓力等），均可引起痛覺，屬身體組織的游離神經末梢產生。其在皮膚中的分布部位稱作痛點。每平方厘米皮膚表面約有100個痛點，整個皮膚表面達100萬個。痛覺的中樞部分位于大腦皮層。痛覺敏感度方面，皮膚和外粘膜高，角膜的中央最痛。3.痛覺3.4.1膚覺圖3-15

人的痛、溫度和粗略觸覺傳導通路3.4其他感覺機能及其特征第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月