人体感知与运动系统

关于人体感知与运动系统1第一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.1人在系统中的功能

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。感知能力、决策能力、作用过程人有很强的主动性第二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3工效学设计的必要性第三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日43.1.1人的感知特性概述1、感觉：是人脑对直接作用于感觉器官（眼、耳、鼻、舌、身）的客观事物个别属性的反映。感觉是获取一切知识的源泉。2、知觉：是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物和主观状况整体属性的反映。第四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日53、感觉与知觉的区别与联系感觉和知觉都是人脑对当前客观事物的直接反映，二者既有区别又有联系。（1）区别感觉反映的是客观事物的个别属性，是客观事物直接真实的反映；知觉反映的客观事物的整体属性，是经过主观加工后的反映。（2）联系感觉是知觉的基础，没有感觉就没有知觉；知觉是感觉的综合和升华，感觉最终以知觉的形式体现出来，很少有孤立的感觉存在。第五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日64、感知的产生第六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日75、感受器（感觉器官）

传统上将眼、耳、鼻、舌、肤、平衡等有关的器官称之为感觉器官。人生活在不断变化的外部条件中，故能够被机体感受的外界变化称之为刺激第七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日83.1.2感觉的基本特性1、刺激（1）刺激三要素：刺激强度、作用时间、强度－时间变化率（2）适宜刺激：感觉器官对外界刺激最敏感的能量形式。第八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日9不同的感觉器官对应着不同的适宜刺激第九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日102、感觉阈限感觉阈：能够被感觉器官感受的刺激强度范围。差别感觉阈限：刚刚能够引起差别感觉的最小刺激差别。且与最初刺激强度之比为常数:K=△I/I刺激强度超过感觉阈值上限，感觉器官将受到损伤第十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日113、适应在刺激不变的情况下，感觉会逐渐减小以致消失的现象被称之为适应。适应对机器的操纵和安全有着重要影响。4、相互作用各种感觉器官对其适宜刺激的感受能力都将受到其他刺激的干扰影响而降低，由此使感受性发生变化的现象被称为感觉的相互作用。同时输入两个相等强度的听觉信息，对其中一个信息的辨别能力将降低50%；不同感觉器官的影响是不同的，听觉信息对视觉信息的干扰比较大。相互作用对交通信息设计的效果有着重要作用。第十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日125、对比同一感觉器官接受两种完全不同但属同一类的刺激物的作用，而使感受性发生变化的现象被称为对比。例如，同样是灰色，在白色背景上看起来显得颜色深一些，而在黑色背景上则显得颜色浅一些；左手放入热水，右手放入冰水，然后双手同时放入温水中，左手感觉凉，而右手感觉热。6、余觉刺激消失以后，感觉仍然可以存在较短短的时间，这种现象叫余觉。第十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日133.1.3知觉的基本特征1、整体性知觉将许多部分或多种属性组成的对象看作具有一定结构的统一体，这一特性称为知觉的整体性。第十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日14影响知觉整体性的因素：接近/相似/封闭/连续/美的形态。第十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日152、选择性在知觉时，把某些对象从背景中优先的区分出来，并予以清晰反映的特性。（1）对象和背景的差别：对象和差别越大，对象越容易从背景中区分出来；（2）对象的运动：在固定不变的背景上，活动刺激更容易成为知觉对象；（3）主观因素：当任务、目的、知识、经验、兴趣、情绪等因素不同时，选择知觉的对象也不同。第十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日163、理解性

在知觉时，用以往所获得的知识经验来理解当前的知觉对象的特征（语言的指导性）。语言指导对知觉的理解有重要影响作用。第十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日174、恒常性

知觉的条件在一定范围内发生变化，而知觉的印象却保持相对不变的特性。知觉恒常性是经验作用的结果。（1）大小恒常性（2）形状恒常性（3）明度恒常性（4）颜色恒常性第十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日185、错觉

对外界事物不正确的知觉，是对知觉恒常性的颠倒。第十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日19错觉产生的原因：一、眼动理论

这种理论认为，我们在知觉几何图形时，眼睛总在沿着图形的轮廓或线条作有规律的扫描运动。当人们扫视图形的某些特定部分时，由于周围轮廓的影响，改变了眼动的方向和范围，造成取样的误差，因而产生各种知觉的错误。第十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日20二、神经抑制作用理论

20世纪60年代中期，有人根据轮廓形成的神经生理学知识，提出了神经抑制作用理论。这是从神经生理学水平解释错觉的一种尝试。这种理论认为，当两个轮廓彼此接近时，网膜内的侧抑制过程改变了由轮廓所刺激的细胞的活动，因而使神经兴奋分布的中心发生变化。结果，人们看到的轮廓发生了相对的位移，引起几何形状和方向的各种错觉，如波根多夫错觉等。第二十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日21三、深度加工和常性误用理论

这种理论认为，错觉具有认知方面的根源。人们在知觉三维空间物体的大小时，总把距离估计在内，这是保持物体大小恒常性的重要条件。当人们把知觉三维世界的这一特点，自觉、不自觉地应用于平面物体时，就会引起错觉现象。从这个意义上说，错觉是知觉恒常性的一种例外，是人们误用了知觉恒常性的结果。第二十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.1.4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）。第二十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日

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）。

第二十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日243.1.3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。第二十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.2视觉机能及其特征3.2.1视觉系统

人从外界获取的信息中，有80%的信息是通过视觉获取的，故眼睛在感觉器官中占有重要位置。视觉是由光线作用于视觉器官而产生的对外部世界表面形象的直接反映。它是通过眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的，见图3-4。第二十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日26

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。来自物体的光线通过角膜、玻璃体、瞳孔、晶体，聚焦在视网膜的中央窝。视网膜锥体细胞及杆体细胞接受光刺激，转换为神经冲动，经由视神经传导至各视觉中枢。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。第二十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日273.2.2视觉的光谱特性视觉的适宜刺激是光。而光是放射的电磁波，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。第二十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.2.3视觉机能

人能够产生视觉是由三个要素决定的，即视觉对象、可见光和视觉器官。要引起人的视觉，除了必须满足必要的波长条件外，可见光还必须具有一定的强度。第二十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日291.视觉的空间特性（1）视角

视觉的基本功能是辨别外界物体，故视觉能力又分为察觉和分辨，察觉是看出对象的存在，分辨是区分对象的细节。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；

第二十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日30

视敏度是能够辨出视野中空间距离非常小的两个物体的能力，在医学上又叫视力。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

检查视力就是策略视觉的分辨能力。第三十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日31影响视敏度的因素：①照明强度照明强度增强，人眼对物体的最小视角减小；照明强度减弱，人眼对物体的最小视角增加。②亮度比亮度比增加，视敏度增加，但亮度过大、亮度比过高会产生眩目，而眩目又会对视敏度产生不良影响③曝光时间人眼的感受性随光刺激时间的增长而提高第三十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日32④运动随着运动速度的增加，视敏度在下降，当运动速度超过60度/秒时，动态视敏度迅速下降。动视力大大小于静视力。⑤主体因素不同的视觉器官具有着不同的视敏度，同一视觉器官在不同的历史时期视敏度也有不同长度的变化。第三十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日（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。

第三十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日34

视距：指人在操作系统过程中正常的观察距离，视距过远或过近都会影响认读的速度和准确性，一般操作的视距范围为38～76cm，在58cm处最为适宜。第三十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日35色觉与色觉视野视网膜除了能辨别光的明暗外，还有很强的辨色能力，在可见光中，只要光波波长相差超过3nm，人眼即可分辨。缺乏辨别某种颜色的能力被成为色盲，若辨别某种颜色能力较弱被称为色弱。第三十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日362、视觉的时间特性

视觉器官的感受性对光刺激变化的相顺应性称为适应，人眼对光的适应可分为明适应和暗适应。暗适应：是指人从光亮处进入暗处时视觉感受性随时间延长而提高的现象。暗适应过程快慢受到曝光强度、曝光性质、年龄、营养的状况等因素的影响。缺乏维生素A时会引起暗适应机制紊乱。第三十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日37第三十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日383.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）。

对视野各方面都缩小到10°以内者被称为工业盲，不适宜从事要求具有较大视野范围的工作。第三十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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。立体视觉产生的原因是由于同一物体在不同视网膜上所成的像并不完全相同所致。立体视觉的效果并不完全靠双眼视觉，物体表面的光线反射情况和阴影都会加强立体视觉效果，另外，生活经验也对立体视觉有一定效果，人们总绝对近物色泽鲜明，远物色调暗淡，利用这些现象，人们常常通过平面图形塑造具有立体感的图案，有时可达以假乱真效果。第三十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日

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。第四十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.3听觉机能及其特征3.3.1听觉刺激听觉是仅次于视觉的重要感觉，其适宜刺激为声音，声音的声源是振动的物体，振动在弹性介质中一波的形式进行传播，所产生的弹性波为声波，第四十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日423.3.2听觉系统

人耳由外耳、中耳和内耳组成，其中起主要作用的部位：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。听觉过程：声波→外耳道→鼓膜振动→三听小骨振动→传至中耳的卵圆窗→引起液体从前庭向耳蜗的前庭阶移动→刺激听觉细胞→转化成听觉脉冲→传给大脑第四十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日433.3.3听觉的物理特性

1.频率响应（感受性）人的听感范围：20~20000HZ。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。第四十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日442.动态范围（声音的强度）第四十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日

人耳可听声音的大小既可以用声压来表示，也可用声强来表示，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,第四十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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。第四十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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，形成各种感觉。皮肤觉又分为：

1.触觉触觉是微弱的机械刺激触及了皮肤浅层的触觉感受器而引起的。通过触觉人可以辨别物体的大小、形状、硬度、光滑度及表面机理等机械性质。对皮肤施以适当的刺激，将引起皮肤表面下的组织产生位移（小到0.001mm），激发触的感觉。触觉感受器在体表的各处有所不同，舌尖、唇部和指尖等处较为敏感，背部、腿和手背等处较差。第四十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日48

2.温度觉温度觉分为热觉和冷觉两种，这两种温度觉是有两种不同范围的温度感受器引起的，冷觉与热觉以30℃为界，热觉以47℃时为最高。温度感受器分布于皮肤的不同部位，形成所谓的冷点和热点；温度觉的强度取决于温度刺激的强度和被刺激部位的大小。

3.痛觉

痛觉是剧烈的刺激引起的，这种刺激可以是温度刺激、机械刺激或药物刺激等各种物理、化学刺激。由于痛觉可以导致机体产生保护性的反应，故它有很大的生物学意义。第四十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日493.4.2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。在身体组织中，有三类运动觉感受器，第一类为肌肉内的纺锤体；第二类为腱中各个不同位置的感受器；第三类为深部组织中的层板小体。人们对运动觉系统的研究往往不被重视，实际上在操作训练中有着非常重要的地位，许多复杂技巧动作的熟练程度，都有赖于有效的反馈作用。第四十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.5神经系统机能及其特征3.5.1神经系统神经系统是人体主要的机能调节系统，人机系统中人的操作活动就是通过神经系统的调节作用，使人体与外界环境相协调。神经系统范围中枢神经系统和周围神经系统两部分。

1.中枢神经系统，包括脑和脊髓。大脑皮质控制着脊髓和脑的其余部分，是调节人体活动的最高中枢。

2.周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总称，周围神经系统的功能是在感受器与中枢之间及中枢与效应器之间传递信息（神经冲动）第五十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日513.5.2大脑皮质功能定位大脑皮质是神经系统的最高中枢。大脑皮质的不同功能往往相对集中在某些特定部位，具体有：

1.躯体感觉区，见图3-16（a）对侧半身感觉和本体感觉，神经冲动传到此区域，将产生相应的感觉。

2.躯体运动区，见图3-16（b）通过躯体运动区控制全身的运动。

3.其他功能区视区、听区、嗅区及语言代表区。第五十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.6人体信息处理系统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第五十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日533.6.2信息计量

在心理学研究中，引入了信息论的方法，使得可以对各种不同条件下的结果在一个统一的标准（加工信息量和通道容量）上进行比较。1、信息熵的概念熵（Entropy）原是热力学的一个概念，用来表示系统的紊乱程度，是不确定性的度量。自然界存在一个普遍规律：能量密度的差异倾向于变成均等。熵随时间增大而增大－－热力学第二定律。随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大，当系统达到平衡时，熵将达到最大。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度。第五十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日54

从微观上来说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序，越混乱，熵就越大。

1948年，香农提出了信息熵的概念，解决了对信息的量化度量问题。一个系统越有序，信息熵就越低，一个系统越混乱，信息熵就越高。换句话说，变量的不确定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需的信息量也就越大，由此可知，信息量可以由信息熵来度量。第五十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日552、信息量的计算

信息：对数据加工后所得的结果。信息知识内容为了计算信息量，香农提出了度量信息熵的公示：式中，I(A)度量事件A发生所提供的信息量，称之为事件A的自信息；P(A)

为事件A发生的概率。如果一个随机试验有N个可能的结果或一个随机消息有N个可能的值，且它们出现的概率分别为P1

、P2

、P3

、……、PN

，则这些事件的自消息平均值为：第五十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日

信息量的计量单位为比特(bit)，它表示二进制的一位，即当某件事情出现的概率为1/2时，则不出现的概率也为1/2，那么由香农公式可知，该事件包含的信息量为：

H=-Plog2P-(1-P)log2(1-P)=-0.5×log2（1/2）-0.5×log2(1/2)=-0.5×（-0.5）-0.5×（-0.5）

=1

也就是说，当一个单一事件发生的概率为1/2时，其包含的信息量正好为一个比特（bit）。第五十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日57

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=1…n)

显然，当Pj=1/n时,H达到最大Hmax=∑(1/n)*log2n=log2n

在实际应用中，各事件发生的概率是不可知的，所以只能通过N次试验，获得某种结果出现的统计频次。

因此，事件出现得概率越小，信息量愈大。即信息量的多少是与事件发生频繁(即概率大小)成反比。第五十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日58例题：若估计在一次国际象棋比赛中谢军获得冠军的可能性为0.1(记为事件A)，而在另一次国际象棋比赛中她得到冠军的可能性为0.9(记为事件B)。试分别计算当你得知她获得冠军时，从这两个事件中获得的信息量各为多少？

H(A)=-log2P(0.1)≈3.32(比特)

H(B)=-log2P(0.9)≈0.152(比特)第五十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日59例题：向空中投掷硬币，落地后有两种可能的状态，一个是正面朝上，另一个是反面朝上，每个状态出现的概率为1/2。如投掷均匀的正六面体的骰子，则可能会出现的状态有6个，每一个状态出现的概率均为1/6。试通过计算来比较状态的不肯定性与硬币状态的不肯定性的大小。

H(硬币)=-(2×1/2)×logP2(1/2)≈1(比特)H(骰子)=-6×(1/6)×logP2(1/6)≈2.6(比特)

[推论1]当且仅当某个P(Xi)=1，其余的都等于0时，H(X)=0。

[推论2]当且仅当某个P(Xi)=1/n，i=1，2，……，n时，H(X)有极大值logn。第五十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.6.3信息处理过程1、信息加工处理特征人从感觉器官接受的信息，传导到大脑皮层，在大脑皮质处受着心理和生理活动状况的影响，进行加工、调整和决策。1）信息的处理能力是有一定限度的.2）影响人处理信息能力的因素有许多:(1)人的神经活动规律

(2)动机与积极性

(3)学习和训练

(4)疲劳(5)个体差异

(6)人的信息传递率不可能超过7.5bit/s(7)意识水平第六十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日612、人的反应能力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。第六十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日62

人的反应速度是反映人的感觉通道信息传输能力的客观数量，一般而言，人的反应速度不会超过10bit/s，当超过这一极限后，信息就不能完全地被接受，此时要么不对信息进行继续处理，要么进行错误的处理。人体不存在一个固定不变的信息传输速率，它随刺激物的不同性质、维数和不同工作类型而变化。第六十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日63

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。当刺激物以速度或加速度形式出现时，采样时间间隔的计算公式为：T=(K+1)/2F3）编码编码方式的优劣与工作性质有关;

辨认工作—数码、字母、斜线---较好搜索定位—颜色、数码、形状---较好计数工作—数码、颜色、形状---较好比较或验证—各方法几乎没有区别---较好利用感觉系统的信息处理原理，可以设计出高质量的人机系统。第六十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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.感觉信息储存由感觉器官传入大脑的信息必须在大脑组织中储存一段时间，还需要大脑进行甄别，这种感觉信息储存过程衰减很快，而且存储量也有一定限度，延长显示时间也不能提高它的效率。2.短时记忆短时记忆时间比感觉信息储存时间稍长，不超过几十秒，而且储存的数量也有一定限度。许多职业都需要有良好的短时记忆。第六十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日653.长时记忆凡比短时记忆时间长的记忆过程都属于长时记忆。长时记忆是人脑学习功能的基础。长时记忆的储存数量是无限的。第六十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日663.7人体生物力学生物力学是研究税务系统运动规律的科学。生物系统运动的表现形式有两种：第一，整个生物系统对于其周围的介质、支撑物或其它物体发生位移，如行走、弹跳。第二，生物系统本身发生形变，即其中一部分相对于另一部分发生位移，如伸手、弯腰。人体生物力学的主要研究内容为：人体各部分的力量、活动范围和速度。第六十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日673.7.1人体生物力学的一般知识人体完成各种活动动作的运动器官系统，由肌肉、关节、骨骼等组成，骨—运动的杠杆；关节—运动的枢纽；肌肉—运动的动力。三者在神经系统的支配和协调下完成各种动作。一、骨骼的功能1、人体骨骼的强度

1）在一定范围内，骨的应力－应变关系是线性的；2）新鲜骨的强度虽然比干骨低50%，但有较好的弹性；3）骨骼的抗压强度高于其抗拉强度50%左右；第六十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日684）不同结构形式的骨骼，抗拉强度差别较大，而抗压强度相差不大。

人体各部位骨骼具有强度高，重量轻、抗压强度最大、抗弯强度次之，抗扭强度最小的特点。第六十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日69第六十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日702、人体骨的功能人体大约有206块骨，形成人体的支架。1）骨构成体腔的壁，以承载和保护内脏器官；2）骨之间由关节连接构成骨骼，形成人体支架；3）骨骼的骨髓腔和松质的腔隙中填充这骨髓，骨髓除具备造血功能外还具有储存脂肪、钙、磷的功能；4）肌肉在神经系统支配下产生收缩时，牵动着骨围绕关节活动，使人体产生各种动作。第七十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日713、骨杠杆在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是力量源泉，肌肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力的作用点称为重点，根据三点不同的位置分布，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，即杠杆省力不省功原理，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。第七十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日72第七十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日

二、关节的活动范围1、关节的联结全身的骨与骨之间借助一定的结构相联结，称为骨连接，骨连接范围直接联结和间接联结，我们所说的关节为间接联结，有较大的活动性。2、关节的作用

1）关节的损伤---由于关节既受到肌肉和韧带的稳定作用，也受到其限制作用，故当超出其限制范围是就会受到损伤。

2）关节的舒适---当人体处在最大活动范围以内活动时，相应关节也处于舒适范围之内，其可靠性和安全性都会得到提高。第七十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日74三、人体肌肉力学特性人体活动的能量决定于肌肉，肌肉的基本机能就是将摄入的化学能转变成机械能或热能再转变成机械功或力。1、肌肉的分类人体的肌肉依其构造、功能、分布等可分为平滑肌、心肌和横纹肌（跨关节附着）三种。由于人体运动主要与横纹肌有关，故工效学里讨论的肌肉仅限于横纹肌，简称肌肉。人体横纹肌共有400块，其总重约占人体体重的40%，每一块肌肉都是一个器官。第七十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日752、肌肉的基本特征肌肉运动的基本特征是收缩与放松。故肌肉具有展长性和弹性、兴奋性、收缩性的特征。肌肉收缩是人体产生力的根源。肌肉收缩时其长度缩短，横面积增大，放松时正好相反。第七十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日76肌肉的收缩和放松都是由神经系统支配而产生的：第七十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日773、肌肉的收缩方式肌肉收缩有两种方式：等长收缩、等张收缩。等长收缩：肌肉收缩产生的张力变化，而肌肉的长度不变，此时产生的力是静态力，不做外功。等张收缩：肌肉的张力不变，而肌肉的长度变化，此时产生的力是动态的，肌肉做外功。4、肌肉放松的作用节省体内物质和能量的消耗；保证动作的准确、协调和有力的完成；有利于减轻疲劳，减少误操作。第七十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日78四、人体运动的特征人体是一个有机的物质系统，身体各部分的运动都是转动，转动状态的改变主要取决于力矩，而非取决于力。对于人体生物系统而言，肌肉的张力对相应关节的轴形成力矩。第七十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日79五、人体活动范围人体的肢体、躯干、头、颈、上肢、下肢等运动器官都有各自的活动范围。人体的活动范围可分为：最有利范围、正常范围和最大可及范围三种。1、最有利范围最有利范围是指可使人在既能达到动作目的，又保证了人的工作轻松、舒适、不疲劳的最佳效果的人体活动范围，也就是顺手科技的活动范围。因此，要求施加的操纵力不大、使用频率很高、极其重要的操作装置应安装在此范围内。第七十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日802、正常活动范围正常活动范围是指人体一般活动均在此活动范围内进行，如上肢相对于不动的肩膀在肘关节弯曲时外切弧的范围。该范围是理想的作业区域，因此一般常用又重要的操作装置应安装在此范围内。3、最大可及范围最大可及范围是指肢体长时间处于最大限度伸直状态的活动范围。由于在此范围内作业时，肌肉内力消耗大，容易产生疲劳，所以在设计时尽可能不使人在这一范围内作业，故只有不常用且费力很大的操作装置可安装在此范围内。第八十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日813.7.2人体各部分的操纵力操纵力是指操作者在操作时为达到操作目的所付出的一定数量的力。肌肉收缩所产生的肌力大小取决于以下几个生理因素：单个肌纤维的收缩力；肌肉中肌纤维的数量与体积；肌肉收缩前的长度；中枢神经系统的机能状态；肌肉对骨骼发生作用的机械条件。操作中肢体力量的发挥除取决于人体生理特征外，还与施力姿势、施力部位、施力方式、施力方向密切相关。第八十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日82一、手的操纵力1、坐姿操纵力根据检测研究可知，人的左手弱于右手；拉力大于推力；向下力略大于向上力；向内力大于向外力；手臂处于侧面下方时，推拉力都比较弱，但向上和向下的力较大。第八十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日832、立姿操纵力立姿时，最大拉力和推力产生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力则产生在肩的上方0°方向上。故推拉形式的控制装置，安装在这两个部位时操纵力最大。第八十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日843、握力一般而言，人的右手握力大于左手握力，且随时间的增加而降低。正常男子的右手握力大约550N，左手握力421N，1分钟后握力将降低一半左右。

握紧强度是人能够施加在手柄上的最大握紧力，在设计手工工具、夹具和操纵机构时，都需考虑握紧强度。握紧强度的估算公式为：第八十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日854、拉力与推力若手作前后运动时，拉力要比推力大；当手作左右方向运动时，则推力大于拉力。5、扭力和提力与拉力和推力相比，扭力和提力要小，而且与操作姿势有关。第八十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日86总结：人的瞬间操纵力可达到很大的值，有时可达1000N左右，但如果长时间操纵力超过127～150N时，极易产生疲劳，不利于安全生产。第八十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日87二、脚的操纵力用脚来操纵机器的例子很多，比如汽车的离合、油门、制动踏板都是通过脚来控制的。脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。下肢伸直时所产生的力大于下肢弯曲时所产生的力；坐姿有靠背支持时，脚可产生最大的力（可达2500N左右）；立姿时脚的用力比坐姿用力大。第八十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日883.7.3人体活动的速度和准确度一、肢体的动作速度肢体的动作速度的大小，基本上取决于肢体肌肉收缩的速度。而肌肉的收缩速度一方面取决于肌肉的类型（慢肌纤维、快肌纤维），另一方面还取决于肌肉收缩时所产生的发挥力和阻力的大小。对于操作速度，还取决于动作方向和动作轨迹等特征以及不同的动作特点。人体从事快而准确的直线运动，其运动的平均水平速度和最大速度随移动距离的增加而增加，动作准确度的误差率，以短距离时最大，随距离的增加动作准确度的误差率减少。第八十八页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日89

动作的速度取决于工作方向和动作的轨迹特征。一直向前的操作动作速度要比旋转速度大1.5～2.0倍左右。水平操作动作速度大于垂直操作动作速度，顺时针操作动作速度大于逆时针操作动作速度第八十九页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日90二、人体动作的频率动作频率是指在一定时间内动作所重复的次数。肢体的动作频率也取决于动作部位和动作方式。第九十页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日91

在设计操作系统时，对操作速度和频率的要求不得超出肢体动作速度和频率的能力限制。第九十一页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日92第九十二页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日93三、人体动作的灵活性在操纵时产生突然或平稳的改变方向时，圆形轨迹比直线轨迹灵活；手向着身体动作比离开身体的动作灵活而准确；向前后往复动作比向左右往复动作的速度大。人体较短部位的动作比较长部位的动作灵活；人体较轻部位的动作比较重部位的动作灵活；人体体积较小部位的动作比较大部位的动作灵活。第九十三页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日94根据以上分析，人机系统设计应当遵循以下规律：第九十四页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日3.7.4影响人体作用力的因素

1、体重

2、体位第九十五页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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。第九十六页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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。第九十七页，共一百三十一页，编辑于2023年，星期日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