人機工程學課件

人機工程學Ergonomics第二章 人體感知（二）藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics人機工程學運動系統(tǒng)是人體完成各種動作和從事生產(chǎn)勞動的器官，主要由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉三部分組成。人體的運動是以關(guān)節(jié)為支點，通過附著于骨面的肌肉的收縮，牽動骨骼改變位置而產(chǎn)生的。在運動過程中，骨是運動的杠桿，關(guān)節(jié)是運動的樞紐，肌肉是運動的動力。三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)下協(xié)調(diào)一致，隨著人的意志，共同完成各種動作。2.7運動系統(tǒng)的機能及其特征藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics人體內(nèi)的肌肉依其形狀構(gòu)造、分布和功能特點分為三種類型的

肌肉。第一類是骨骼肌也叫橫紋

肌，通過腱與骨骼相連。骨骼肌

的收縮能力強，其運動受意志支

配，人體運動主要與骨骼肌有關(guān)，但用力不能持久。第二類為平滑

肌，構(gòu)成人體某些器官的管壁。

第三類為心肌，分布在心臟的房

室壁口，組成心肌層。人體工學

所研究的僅限于骨骼肌，因為它

的活動受神經(jīng)系統(tǒng)支配，能隨人

的意志運動，控制人體位置的變

化。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院2.7.1肌肉的工作機理人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics人體的骨骼肌共有400多塊，占成年男性部總重量的40%，約占女性體重的35%，骨骼肌的形狀一般有長肌、短肌、闊肌和輪匝肌四種，表面為肌膜包裹，里面由許多排列成的肌纖維構(gòu)成，并有一定的輔助裝置及其自身的神經(jīng)和血管。肌肉的基本機能是將生物化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或動能，這種轉(zhuǎn)變是靠肌肉所具有的收縮性來實現(xiàn)的，肌肉的這種生理特性是在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制下進行的。肌肉運動的基本特征是收縮與放松，收縮時長度縮短，橫

斷面增大，放松時則成相反變化。其機理是因為肌原纖維是由

許多肌微絲；另一種是較為細長的肌動蛋白微絲。肌肉的收縮

就是由于兩種肌微絲的蛋白之間不斷地結(jié)合或離解，從而使肌

動蛋白微絲在相鄰的肌球蛋白微絲之間滑動而向肌節(jié)中心靠擾，使肌節(jié)縮短，放松時則與此相反，如圖2—23所示。2.7.1.1骨骼肌肉的特點人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics肌肉收縮時的力學特征的不同表現(xiàn)，主要取決于負荷（阻力、重量）的大小。a、潛伏期負荷增大時，從肌肉受到刺激到肌肉開始縮短的時間間隔變長，即潛伏期延長，如圖2—15所示。b、縮短程度圖2—16所示為人體右胸在肌負荷與肌肉縮短程度，速度的關(guān)系，當負荷較大時，肌肉的縮短程度較小。2.7.1.2肌肉收縮的力學特征人機工程學Ergonomicsc、縮短速度人體右胸大肌在負荷較大時，肌肉縮短速度慢。肌肉收縮速度與待收縮量成正比。在某一負荷下，肌肉收縮時，最初縮短速度較快，隨著肌肉的縮短，收縮速度漸慢，到

最后縮短值時，縮短速度為零。這一關(guān)系可用下式表示。式中——觀察瞬時的收縮速度；

St——可完成的收縮總量；

S——已完成的收縮量；

B——常數(shù)。常數(shù)B決定整個收縮過程的快慢，其值主要由施于肌肉的負荷決定，即負荷增大，B值減小，因此，負荷很小時肌肉收縮得快，反之收縮變慢。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics肌肉的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時產(chǎn)生的力稱為肌肉力。人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為

0.01～0.02N，肌力是多條肌纖維的收縮力總和，肌肉的最大肌力為每平方厘米橫截面上30—40N，由此可見一個人的肌力大小取決于其肌肉橫截面面積的大小，同時肌力還與收縮肌肉的長度有關(guān)，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機能狀態(tài)，肌肉對骨發(fā)生作用的機械條件等有關(guān)，此外與施力姿勢、施力部位、施力方式和施力方向也有密切的聯(lián)系。只有在這些綜合條件下的肌肉出力的能力和限度才是操縱力設(shè)計的依據(jù)。2.7.2肌肉的力量藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics表2—7身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（N）肌肉的部位手臂肌肉上臂肌中的肌肉手臂彎曲時的肌肉手臂伸直時的肌肉姆指肌肉背部肌肉（取于屈伸?。┝Φ臄?shù)值男右3822842842251181196左36327422420698女右21612720617688696左19612719616778人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院圖2—26所示在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分布，以圖中可了解到在70°處可達到最大值，即產(chǎn)生相當于體重的力量。是許多操縱機構(gòu)（例如方向盤）置于人體正前上方的原因。人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院手臂的角度（℃）拉

力推

力左手右

手左

手右手向后向前180(向前平伸臂23024019023015019025014019012016019012016090（垂臂）15017010016060110120100160向上向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向側(cè)向側(cè)180609040601507090407012090100507090708050706080906080表2-8手臂在坐姿下對不同角度和方向的操縱力人機工程學Ergonomics圖2—28表示坐姿時足在不同位置上腳蹬力大小，圖中的外圍曲線就是足蹬力的界限，箭頭表示用力方向，可知最大蹬力一般在膝部屈曲160°時產(chǎn)生。肢體所有力量的大小，都與持續(xù)時間有關(guān)。隨著時間延長、人的力量很快會衰減。例如，人的拉力由最大值衰減到四分之一數(shù)值時，只需4分鐘。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院肢體動作速度的大小，在很大程度上決定于肢體肌肉收縮的速度。不同的肌肉，收縮速度也不同，如慢肌纖維收縮速度慢，快纖維收縮速度也快。通常一塊肌肉中既有慢肌纖維，也含快肌纖維。中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能時而使慢肌纖維收縮，時而肌纖維收縮，從而改變肌肉的收縮速度。收縮速度還決定于肌肉收縮時所發(fā)揮的力量和阻力的大小。發(fā)揮的力量愈大，外部阻力愈小，則收縮速度愈快。表2—9人體各部位動作速度與頻率限度動作部位動作速度與頻率手的運動（cm/s）35控制操縱桿移動（cm/s）8.8～17手指敲擊的最大頻率（次/s）3～5旋轉(zhuǎn)把手與駕駛盤（r/s）9.42～29.46身體轉(zhuǎn)動（次/s）0.72～1.62手控制的最大諧振截止頻率（H2）手的彎曲與伸直（次/s）0.81～1.2腳掌與腳的運動（次/s）0.36～0.722.7.3膚體的動作速度與頻率人機工程學Ergonomics2.8.1反應(yīng)時反應(yīng)時又稱反應(yīng)時間，是指刺激作用于人后到人明顯的反應(yīng)開始時所需要的時間，即刺激與反應(yīng)之間的時間間隔。人接受刺激時并不會立即有反應(yīng)，而有一個發(fā)動過程，這種過程包括刺激使感覺器產(chǎn)生活動，經(jīng)由傳入神經(jīng)傳至大腦神經(jīng)中樞，經(jīng)大腦加工后，再由傳出神經(jīng)傳到運動器官，運動反應(yīng)器接受神經(jīng)沖動。產(chǎn)生一定的反應(yīng)，這些過程所需時間的總和稱為反應(yīng)時間，有時也叫反應(yīng)的潛伏期。2.8

人的反應(yīng)特征藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics反應(yīng)時可以作為成就的指標及內(nèi)部過程復(fù)雜程度的指標。對一件工作越熟悉，反應(yīng)時間就越快；內(nèi)部過程越復(fù)雜，反應(yīng)時間就越長。反應(yīng)時間分為兩部分組成：一是反應(yīng)知覺時間即自出現(xiàn)刺激到開始運動反應(yīng)的時間；二是運動時間即運動過程時間。RT=tz+td式中：RT——反應(yīng)時間tz——反應(yīng)知覺時間

td——運動時間藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomicsa、刺激不同的感覺器官這里分為兩種情況，其一是刺激作用不同的感覺器官，其反應(yīng)時間是不同的，見表2—10各種感覺器官的簡單反應(yīng)時。其二是刺激作用于同器官的不同位置，其反應(yīng)時間也不相同。2—10各種感覺器官的反應(yīng)時間感覺器官反應(yīng)時間（ms）觸覺110-160聽覺120-160視覺150-200冷覺150-230溫覺180-240嗅覺210-390痛覺400-1000味覺330-11002.8.2.1

刺激對反應(yīng)時的影響2.8.2

影響反應(yīng)時的因素人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomicsb、刺激的性質(zhì)與強度人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，見表2—11。對于同一種性質(zhì)的刺激來說，一般情況是對弱刺激的反應(yīng)時間較長，刺激增加到中等強度與極強時，反應(yīng)時間短。2—11對各種刺激的反應(yīng)時間刺

激反應(yīng)時間光176電

擊143聲

音142光和電擊142光和聲音142聲音和電擊131光、聲和電擊1272—12不同強度刺激的反應(yīng)時間（ms）刺

激對刺激開始的反應(yīng)時間對中間的反應(yīng)時間聲中強度弱強度閾限119184779121183745光強弱162205167203Ergonomics人機工程學c、刺激的清晰度和可辨性刺激信號與背景的對比程度也是影響反應(yīng)時間的一種因素，信號愈清晰易辨認，則反應(yīng)時間愈短；反之，則反應(yīng)時間延長。因此，在設(shè)計燈光信號時，要考慮信號與背景的亮度比；設(shè)計標志信號時，要考慮信號與背景的顏色對比；設(shè)計聲音信號時，要考慮信號與背景的信噪比及頻率的不同等。例如，在重要的控制室里要求有一定的隔光、隔音措施，就是為了保證操作者的反應(yīng)速度。當刺激信號的持續(xù)時間不同時，反應(yīng)時間隨刺激時間的增加而減少。表2—13為光刺激時間對反應(yīng)時間影響的實驗結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，刺激信號的持續(xù)時間越長，反應(yīng)時間越短。但這種影響關(guān)系也有一定的限度，當刺激持續(xù)時間達到某一界限時，再增加刺激時間，反應(yīng)時間卻不再減少。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學Ergonomics表2—13光刺激時間對反應(yīng)時間的影響（ms）光刺激持續(xù)時間36122448反

應(yīng)

時間191189187184184此外，刺激信號的數(shù)目對反應(yīng)時間的影響最為明顯，即反應(yīng)時間隨刺激信號數(shù)的增加而明顯的延長，見表2—14。對于需要辨別兩種刺激信號時，若兩刺激信號的差異愈大，則其可辨性愈好，即反應(yīng)時間愈短；反之，其反應(yīng)時間愈長。表2—15為幾種刺激的可辨性對反應(yīng)時間的影響。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院表2—14可選擇的刺激數(shù)目對反應(yīng)時間的影響刺激選擇目

反應(yīng)時間（ms）11872316336444345485653275708603961910622表2—15刺激的辨別難度對反應(yīng)時間的影響要辨別的刺激白和黑紅和綠紅和黃紅和橙紅和橙（加25%紅）紅和橙（加50%紅）紅和橙（加75%紅）10和13mm線段10和12.5mm線段平均反應(yīng)時間（ms）197208217246252260271296298要辨別的刺激10和12mm線段10和11.5mm線段10和11mm線段10和10.5mm線段相差

16Hz純音相差

12Hz純音相差

8Hz純音相差

4Hz純音平均反應(yīng)時間（ms）305313324345290299311334人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics在實際操作中，反應(yīng)時間還與操縱器、顯示器的設(shè)計有關(guān)，操縱器與顯示器的形狀、位置、大小、操縱器的用力方向、大小等因素都會影響反應(yīng)時間。例如，線條運動能在視覺中樞引起有效的沖動發(fā)放，視覺顯示中大量運用線條和指針是有根據(jù)的。如果用數(shù)字進行狀態(tài)顯示，效果將很差。又如紅光和綠藍光在神經(jīng)系統(tǒng)引起完全不同的反應(yīng)，所以不同顏色的照明有質(zhì)的區(qū)別。因此，研究操縱器、顯

示器設(shè)計的人體工學因素就成為提高系統(tǒng)工效的重要途徑

之一。人的反應(yīng)速度是有限的，一般條件反射反應(yīng)時間為

0.1～0.15s，聽覺反應(yīng)時間稍高。連續(xù)工作時，由于人的

神經(jīng)傳遞存在著0.5s左右的不應(yīng)期，所以需要感覺指導(dǎo)的

間斷操作的間隙期一般應(yīng)大于0.5s；復(fù)雜的選擇反應(yīng)時間

達1～3s，要進行復(fù)雜判斷和認知反應(yīng)的時間平均達3～5s。因此，在人機系統(tǒng)設(shè)計中，必須考慮人的反應(yīng)能力的限度。人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics人的反應(yīng)分三個連續(xù)的時期：一是前期即從預(yù)備信號到刺激，二是反應(yīng)時間即從刺激到肌運動，三是后期即從明顯反應(yīng)開始到反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)前期即反應(yīng)準備狀態(tài)，前期時間太短，可能沒有做好反應(yīng)的準備，如果前期時間太長，準備又會松懈。一般2秒左右的前期時間比較合適，但這存在個體差異。一般的田徑賽跑，前期時間定為1.5秒為佳，表2—16為前期準備時間與反應(yīng)時的關(guān)系，可見在前期準備時間在1～2秒比較好，其反應(yīng)時間短，標準差小。表2—16準備時間對反應(yīng)時的影響準備時間（s）0.5124平均反應(yīng)時（nm）335241245276標準差（nm）644351562.8.3.1人的準備狀態(tài)2.8.3

人的主體因素人機工程學Ergonomics如果把刺激時間看成是預(yù)備時間，其研究結(jié)果如圖2-29

所示?？梢婇g隔時間為1

s時的反應(yīng)時間最短，其次是2s。該研究還指出發(fā)現(xiàn)間隔為1～9min出現(xiàn)一個信號的效

率，比發(fā)現(xiàn)間隔為10～15s出現(xiàn)一個信號的效率要低10倍。另外，心理上的定向作用也會影響反應(yīng)時間。例如，事先要求操作者在反應(yīng)中監(jiān)視某一“事故信號”，由于這種定向（定勢）作用，操作者觀察這個“事故信號”的反應(yīng)速度會顯著提高。藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics復(fù)雜反應(yīng)包括選擇反應(yīng)和辨別反應(yīng)，這些反應(yīng)由于在反應(yīng)潛伏期中包括識別，判斷和選擇等因素的影響，其反應(yīng)時間比較長而且錯誤反應(yīng)的次數(shù)，會隨刺激復(fù)雜程度的加大將隨之增加。表2—15刺激的辨別難度對反應(yīng)時間的影響要辨別的刺激白和黑紅和綠紅和黃紅和橙紅和橙（加25%紅）紅和橙（加50%紅）紅和橙（加75%紅）10和13mm線段10和12.5mm線段平均反應(yīng)時間（ms）197208217246252260271296298要辨別的刺激10和12mm線段10和11.5mm線段10和11mm線段10和10.5mm線段相差

16Hz純音相差

12Hz純音相差

8Hz純音相差

4Hz純音平均反應(yīng)時間（ms）3053133243452902993113342.8.3.2復(fù)雜反應(yīng)人機工程學Ergonomics藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院人不同年齡時期的反應(yīng)時也不同，從幼兒到25歲這一時期反應(yīng)時隨年齡增加而逐漸縮短，起初減少得很快，以后放慢。年齡時間2.8.3.3年齡因素人機工程學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院Ergonomics人體各部位動作一次的最少平均時間見表2—17。由表可知，即使同一部位，但動作特點不同，其所需的最少平

均時間也不同。另外，對于手的動作，隨著出手距離增加，反應(yīng)時間相應(yīng)加長，見表2-18。出手距離（cm）204060平均反應(yīng)時間（ms）525596670標準差（ms）507174表2—18反應(yīng)動作距離與動作時間2.8