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1、第3章 人体感知与运动特征,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）。,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
2、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380780nm，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2125mm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。,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。=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
3、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.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）。,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.
4、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。,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：2020000HZ。3.3.2 听觉系统 起主要作用
5、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。,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
6、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.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
7、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,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
8、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,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)*lo
9、g2n=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。,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
10、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 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。,3.7.2 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
11、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。,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
12、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。,3.8.2 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，
13、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,第 3 章 结 束回 总 目 录第 4 章,附录,本章所附插图,图3-1,返回,图3-2,返回,图3-3,返回,图3-4,返回,图3-5,返回,图3-6,返回,图3-7,返回,图3-8,返回,图3-9,返回,图3-10,返回,图3-11,返回,图3-12,返回,图3-13,返回,图3-14,返回,图3-15,返回,图3-16,返回,图3-17,返回,图3-18,返回,图3-19,返回,图3-20,返回,图3-21,返回,图3-22,返回,图3-23,返回,图3-24,返回,图3-25,返回,图3-26,返回,图3-27,返回,图3-28,返回,图3-29,返回,
