第3章 人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)課件

第3章人體感知與運(yùn)動特征第2章鏈接

第4章鏈接第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1人在系統(tǒng)中的功能

把操作者作為人機(jī)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(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)，見圖3-1。感知能力、決策能力、作用過程人有很強(qiáng)的主動性第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)工效學(xué)設(shè)計的必要性3第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1.1人的感知特性概述1、感覺：是人腦對直接作用于感覺器官（眼、耳、鼻、舌、身）的客觀事物個別屬性的反映。感覺是獲取一切知識的源泉。2、知覺：是人腦對直接作用于感覺器官的客觀事物和主觀狀況整體屬性的反映。4第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、感覺與知覺的區(qū)別與聯(lián)系感覺和知覺都是人腦對當(dāng)前客觀事物的直接反映，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。（1）區(qū)別感覺反映的是客觀事物的個別屬性，是客觀事物直接真實的反映；知覺反映的客觀事物的整體屬性，是經(jīng)過主觀加工后的反映。（2）聯(lián)系感覺是知覺的基礎(chǔ)，沒有感覺就沒有知覺；知覺是感覺的綜合和升華，感覺最終以知覺的形式體現(xiàn)出來，很少有孤立的感覺存在。5第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)4、感知的產(chǎn)生6第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)5、感受器（感覺器官）

傳統(tǒng)上將眼、耳、鼻、舌、膚、平衡等有關(guān)的器官稱之為感覺器官。人生活在不斷變化的外部條件中，故能夠被機(jī)體感受的外界變化稱之為刺激7第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1.2感覺的基本特性1、刺激（1）刺激三要素：刺激強(qiáng)度、作用時間、強(qiáng)度－時間變化率（2）適宜刺激：感覺器官對外界刺激最敏感的能量形式。8第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)不同的感覺器官對應(yīng)著不同的適宜刺激9第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、感覺閾限感覺閾：能夠被感覺器官感受的刺激強(qiáng)度范圍。差別感覺閾限：剛剛能夠引起差別感覺的最小刺激差別。且與最初刺激強(qiáng)度之比為常數(shù):K=△I/I刺激強(qiáng)度超過感覺閾值上限，感覺器官將受到損傷10第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、適應(yīng)在刺激不變的情況下，感覺會逐漸減小以致消失的現(xiàn)象被稱之為適應(yīng)。適應(yīng)對機(jī)器的操縱和安全有著重要影響。4、相互作用各種感覺器官對其適宜刺激的感受能力都將受到其他刺激的干擾影響而降低，由此使感受性發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為感覺的相互作用。同時輸入兩個相等強(qiáng)度的聽覺信息，對其中一個信息的辨別能力將降低50%；不同感覺器官的影響是不同的，聽覺信息對視覺信息的干擾比較大。相互作用對交通信息設(shè)計的效果有著重要作用。11第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)5、對比同一感覺器官接受兩種完全不同但屬同一類的刺激物的作用，而使感受性發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為對比。例如，同樣是灰色，在白色背景上看起來顯得顏色深一些，而在黑色背景上則顯得顏色淺一些；左手放入熱水，右手放入冰水，然后雙手同時放入溫水中，左手感覺涼，而右手感覺熱。6、余覺刺激消失以后，感覺仍然可以存在較短短的時間，這種現(xiàn)象叫余覺。12第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1.3知覺的基本特征1、整體性知覺將許多部分或多種屬性組成的對象看作具有一定結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一體，這一特性稱為知覺的整體性。13第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)影響知覺整體性的因素：接近/相似/封閉/連續(xù)/美的形態(tài)。14第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、選擇性在知覺時，把某些對象從背景中優(yōu)先的區(qū)分出來，并予以清晰反映的特性。（1）對象和背景的差別：對象和差別越大，對象越容易從背景中區(qū)分出來；（2）對象的運(yùn)動：在固定不變的背景上，活動刺激更容易成為知覺對象；（3）主觀因素：當(dāng)任務(wù)、目的、知識、經(jīng)驗、興趣、情緒等因素不同時，選擇知覺的對象也不同。15第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、理解性

在知覺時，用以往所獲得的知識經(jīng)驗來理解當(dāng)前的知覺對象的特征（語言的指導(dǎo)性）。語言指導(dǎo)對知覺的理解有重要影響作用。16第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)4、恒常性

知覺的條件在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，而知覺的印象卻保持相對不變的特性。知覺恒常性是經(jīng)驗作用的結(jié)果。（1）大小恒常性（2）形狀恒常性（3）明度恒常性（4）顏色恒常性17第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)5、錯覺

對外界事物不正確的知覺，是對知覺恒常性的顛倒。18第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)錯覺產(chǎn)生的原因：一、眼動理論

這種理論認(rèn)為，我們在知覺幾何圖形時，眼睛總在沿著圖形的輪廓或線條作有規(guī)律的掃描運(yùn)動。當(dāng)人們掃視圖形的某些特定部分時，由于周圍輪廓的影響，改變了眼動的方向和范圍，造成取樣的誤差，因而產(chǎn)生各種知覺的錯誤。19第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)二、神經(jīng)抑制作用理論

20世紀(jì)60年代中期，有人根據(jù)輪廓形成的神經(jīng)生理學(xué)知識，提出了神經(jīng)抑制作用理論。這是從神經(jīng)生理學(xué)水平解釋錯覺的一種嘗試。這種理論認(rèn)為，當(dāng)兩個輪廓彼此接近時，網(wǎng)膜內(nèi)的側(cè)抑制過程改變了由輪廓所刺激的細(xì)胞的活動，因而使神經(jīng)興奮分布的中心發(fā)生變化。結(jié)果，人們看到的輪廓發(fā)生了相對的位移，引起幾何形狀和方向的各種錯覺，如波根多夫錯覺等。20第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)三、深度加工和常性誤用理論

這種理論認(rèn)為，錯覺具有認(rèn)知方面的根源。人們在知覺三維空間物體的大小時，總把距離估計在內(nèi)，這是保持物體大小恒常性的重要條件。當(dāng)人們把知覺三維世界的這一特點(diǎn)，自覺、不自覺地應(yīng)用于平面物體時，就會引起錯覺現(xiàn)象。從這個意義上說，錯覺是知覺恒常性的一種例外，是人們誤用了知覺恒常性的結(jié)果。21第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1.4人的感知與反應(yīng)機(jī)能1.反射弧反射是神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)肌體活動的一種基本形成。反射活動的全部結(jié)構(gòu)組成反射??；反射弧具有五個基本環(huán)節(jié)，即感受器傳入神經(jīng)元中間神經(jīng)元傳出神經(jīng)元放應(yīng)器，見圖3-2（a）。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

2.信息鏈人機(jī)系統(tǒng)的信息在人的神經(jīng)系統(tǒng)中的循環(huán)過程形成信息鏈，見圖3-2（b）。

第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.1.3感覺通道與信息的協(xié)調(diào)人機(jī)系統(tǒng)中的最常用的感覺通道是視覺通道、聽覺通道和觸覺通道。其適用場合參閱表3-1。24第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.2視覺機(jī)能及其特征3.2.1視覺系統(tǒng)

人從外界獲取的信息中，有80%的信息是通過視覺獲取的，故眼睛在感覺器官中占有重要位置。視覺是由光線作用于視覺器官而產(chǎn)生的對外部世界表面形象的直接反映。它是通過眼睛、視神經(jīng)和視覺中樞的共同活動完成的，見圖3-4

。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

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(gòu)造與照相機(jī)類似。來自物體的光線通過角膜、玻璃體、瞳孔、晶體，聚焦在視網(wǎng)膜的中央窩。視網(wǎng)膜錐體細(xì)胞及桿體細(xì)胞接受光刺激，轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動，經(jīng)由視神經(jīng)傳導(dǎo)至各視覺中樞。視網(wǎng)膜最外層細(xì)胞包括視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，它們是接受信息的主要細(xì)胞。26第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.2.2視覺的光譜特性視覺的適宜刺激是光。而光是放射的電磁波，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，其波長為380~780nm，見圖3-3。27第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.2.3視覺機(jī)能

人能夠產(chǎn)生視覺是由三個要素決定的，即視覺對象、可見光和視覺器官。要引起人的視覺，除了必須滿足必要的波長條件外，可見光還必須具有一定的強(qiáng)度。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)1.視覺的空間特性（1）視角

視覺的基本功能是辨別外界物體，故視覺能力又分為察覺和分辨，察覺是看出對象的存在，分辨是區(qū)分對象的細(xì)節(jié)。視角：確定被看物尺寸范圍的兩端點(diǎn)光線射入眼球的相交角度。

α=2arctg(D/2L)

α—視角；

D—被看物體上兩端點(diǎn)的直線距離；

L—眼睛到被看物體的距離；

29第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

視敏度是能夠辨出視野中空間距離非常小的兩個物體的能力，在醫(yī)學(xué)上又叫視力。視力：眼睛分辨物體細(xì)微結(jié)構(gòu)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

檢查視力就是策略視覺的分辨能力。30第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)影響視敏度的因素：①照明強(qiáng)度照明強(qiáng)度增強(qiáng)，人眼對物體的最小視角減小；照明強(qiáng)度減弱，人眼對物體的最小視角增加。②亮度比亮度比增加，視敏度增加，但亮度過大、亮度比過高會產(chǎn)生眩目，而眩目又會對視敏度產(chǎn)生不良影響③曝光時間人眼的感受性隨光刺激時間的增長而提高31第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)④運(yùn)動隨著運(yùn)動速度的增加，視敏度在下降，當(dāng)運(yùn)動速度超過60度/秒時，動態(tài)視敏度迅速下降。動視力大大小于靜視力。⑤主體因素不同的視覺器官具有著不同的視敏度，同一視覺器官在不同的歷史時期視敏度也有不同長度的變化。32第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)（2）視野與視距視野：指人的頭部和眼球固定不動的情況下，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。分水平視野（單視野/雙視野）和垂直視野，見圖3-6。

第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

視距：指人在操作系統(tǒng)過程中正常的觀察距離，視距過遠(yuǎn)或過近都會影響認(rèn)讀的速度和準(zhǔn)確性，一般操作的視距范圍為38～76cm，在58cm處最為適宜。34第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)色覺與色覺視野視網(wǎng)膜除了能辨別光的明暗外，還有很強(qiáng)的辨色能力，在可見光中，只要光波波長相差超過3nm，人眼即可分辨。缺乏辨別某種顏色的能力被成為色盲，若辨別某種顏色能力較弱被稱為色弱。35第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、視覺的時間特性

視覺器官的感受性對光刺激變化的相順應(yīng)性稱為適應(yīng)，人眼對光的適應(yīng)可分為明適應(yīng)和暗適應(yīng)。暗適應(yīng)：是指人從光亮處進(jìn)入暗處時視覺感受性隨時間延長而提高的現(xiàn)象。暗適應(yīng)過程快慢受到曝光強(qiáng)度、曝光性質(zhì)、年齡、營養(yǎng)的狀況等因素的影響。缺乏維生素A時會引起暗適應(yīng)機(jī)制紊亂。36第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)37第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.中央視覺和周圍視覺中央視覺—視維細(xì)胞（感色能力強(qiáng)、能清晰分辨物體）。周圍視覺—視桿細(xì)胞（觀察空間范圍和正在運(yùn)動的物體）。

對視野各方面都縮小到10°以內(nèi)者被稱為工業(yè)盲，不適宜從事要求具有較大視野范圍的工作。38第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)4.雙眼視覺和立體視覺：雙眼視物時，具有分辨物體深淺、遠(yuǎn)近等相對位置的能力，形成立體視覺。立體視覺產(chǎn)生的原因是由于同一物體在不同視網(wǎng)膜上所成的像并不完全相同所致。立體視覺的效果并不完全靠雙眼視覺，物體表面的光線反射情況和陰影都會加強(qiáng)立體視覺效果，另外，生活經(jīng)驗也對立體視覺有一定效果，人們總絕對近物色澤鮮明，遠(yuǎn)物色調(diào)暗淡，利用這些現(xiàn)象，人們常常通過平面圖形塑造具有立體感的圖案，有時可達(dá)以假亂真效果。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

視覺特征：1.疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。2.視線變化習(xí)慣：左—右，上—下，順時針。3.準(zhǔn)確性：水平尺寸和比例的估計更準(zhǔn)確。4.觀察情況的優(yōu)先性：左上—右上—左下—右下。視區(qū)內(nèi)的儀表布置必須考慮這一點(diǎn)。5.設(shè)計依據(jù)：以雙眼視野為設(shè)計依據(jù)。6.接受程度：直線輪廓優(yōu)于曲線輪廓。7.顏色的易辨認(rèn)順序：紅、綠、黃、白；顏色相配時的易辨認(rèn)順序：黃底黑字、黑底白字、藍(lán)底白字、白底黑字。據(jù)上述特征，適用視覺的原則參閱表3-2。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.3聽覺機(jī)能及其特征3.3.1聽覺刺激聽覺是僅次于視覺的重要感覺，其適宜刺激為聲音，聲音的聲源是振動的物體，振動在彈性介質(zhì)中一波的形式進(jìn)行傳播，所產(chǎn)生的彈性波為聲波，第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.3.2聽覺系統(tǒng)

人耳由外耳、中耳和內(nèi)耳組成，其中起主要作用的部位：內(nèi)耳耳蝸。起輔助作用的部位：外耳、中耳、內(nèi)耳的其它部分，見圖3-9。聽覺過程：聲波→外耳道→鼓膜振動→三聽小骨振動→傳至中耳的卵圓窗→引起液體從前庭向耳蝸的前庭階移動→刺激聽覺細(xì)胞→轉(zhuǎn)化成聽覺脈沖→傳給大腦42第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.3.3聽覺的物理特性

1.頻率響應(yīng)（感受性）人的聽感范圍：20~20000HZ。人耳能聽聞的頻率比為fmin/fmax=1：1000；頻率感受的上限隨著年齡的增長而逐年連續(xù)下降，見圖3-10；聽覺的頻率響應(yīng)特性對聽覺傳示裝置的設(shè)計是很重要的。43第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2.動態(tài)范圍（聲音的強(qiáng)度）44第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

人耳可聽聲音的大小既可以用聲壓來表示，也可用聲強(qiáng)來表示，聽覺聲強(qiáng)的動態(tài)范圍=正好可忍受的聲強(qiáng)/正好能聽見的聲強(qiáng)。（1）聽閾：在最佳的聽聞頻率范圍內(nèi)，一個聽力正常的人剛剛能聽到給定各頻率的正弦式純音的最低聲強(qiáng)Imin。（2）痛閾：對于感受給定各頻率的正弦式純音，開始產(chǎn)生疼痛感的極限聲強(qiáng)Imax。（1）與（2）都與頻率有關(guān)系，是在某一頻率下的聽閾值或痛閾值。（3）聽覺范圍：由聽閾和痛閾兩曲線所包圍的聽覺區(qū),第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.方向敏感度（雙耳效應(yīng)）（1）時差：?t=聲源到兩耳的時間差。人耳可覺察到的聲信號入射的最小偏角為3°。（2）人耳對不同頻率、不同方向的聲音的感受能力不同，見圖3-12。由于頭部的掩蔽效應(yīng)，造成聲音頻譜的改變。4.掩蔽效應(yīng)掩蔽：一個聲音被另一個聲音所掩蓋的現(xiàn)象。掩蔽效應(yīng)：一個聲音的聽閾因另一個聲音的掩蔽作用而提高的效應(yīng)。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.4其他感覺機(jī)能及其特征3.4.1膚覺

膚覺是僅僅次于聽覺的一種感覺，可感受多種外界刺激，形成各種感覺。皮膚覺又分為：

1.觸覺觸覺是微弱的機(jī)械刺激觸及了皮膚淺層的觸覺感受器而引起的。通過觸覺人可以辨別物體的大小、形狀、硬度、光滑度及表面機(jī)理等機(jī)械性質(zhì)。對皮膚施以適當(dāng)?shù)拇碳?，將引起皮膚表面下的組織產(chǎn)生位移（小到0.001mm），激發(fā)觸的感覺。觸覺感受器在體表的各處有所不同，舌尖、唇部和指尖等處較為敏感，背部、腿和手背等處較差。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

2.溫度覺溫度覺分為熱覺和冷覺兩種，這兩種溫度覺是有兩種不同范圍的溫度感受器引起的，冷覺與熱覺以30℃為界，熱覺以47℃時為最高。溫度感受器分布于皮膚的不同部位，形成所謂的冷點(diǎn)和熱點(diǎn)；溫度覺的強(qiáng)度取決于溫度刺激的強(qiáng)度和被刺激部位的大小。

3.痛覺

痛覺是劇烈的刺激引起的，這種刺激可以是溫度刺激、機(jī)械刺激或藥物刺激等各種物理、化學(xué)刺激。由于痛覺可以導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生保護(hù)性的反應(yīng)，故它有很大的生物學(xué)意義。48第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.4.2本體感覺

本體感覺系統(tǒng)包括耳前庭系統(tǒng)和運(yùn)動覺系統(tǒng)，可感受身體和四肢所在位置的信息。在身體組織中，有三類運(yùn)動覺感受器，第一類為肌肉內(nèi)的紡錘體；第二類為腱中各個不同位置的感受器；第三類為深部組織中的層板小體。人們對運(yùn)動覺系統(tǒng)的研究往往不被重視，實際上在操作訓(xùn)練中有著非常重要的地位，許多復(fù)雜技巧動作的熟練程度，都有賴于有效的反饋作用。49第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.5神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能及其特征3.5.1神經(jīng)系統(tǒng)

神經(jīng)系統(tǒng)是人體主要的機(jī)能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，人機(jī)系統(tǒng)中人的操作活動就是通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使人體與外界環(huán)境相協(xié)調(diào)。神經(jīng)系統(tǒng)范圍中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)兩部分。

1.中樞神經(jīng)系統(tǒng)，包括腦和脊髓。大腦皮質(zhì)控制著脊髓和腦的其余部分，是調(diào)節(jié)人體活動的最高中樞。

2.周圍神經(jīng)系統(tǒng)，中樞神經(jīng)以外全部神經(jīng)的總稱，周圍神經(jīng)系統(tǒng)的功能是在感受器與中樞之間及中樞與效應(yīng)器之間傳遞信息（神經(jīng)沖動）第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.5.2大腦皮質(zhì)功能定位大腦皮質(zhì)是神經(jīng)系統(tǒng)的最高中樞。大腦皮質(zhì)的不同功能往往相對集中在某些特定部位，具體有：

1.軀體感覺區(qū)，見圖3-16（a）對側(cè)半身感覺和本體感覺，神經(jīng)沖動傳到此區(qū)域，將產(chǎn)生相應(yīng)的感覺。

2.軀體運(yùn)動區(qū)，見圖3-16（b）通過軀體運(yùn)動區(qū)控制全身的運(yùn)動。

3.其他功能區(qū)視區(qū)、聽區(qū)、嗅區(qū)及語言代表區(qū)。51第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.6人體信息處理系統(tǒng)3.6.1人的信號處理系統(tǒng)模型人在人機(jī)系統(tǒng)中特定操作活動中的作用，可類比為一種信息傳遞和處理過程，見圖3-17。感覺信號處理反應(yīng)輸入系統(tǒng)輸出第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.6.2信息計量

在心理學(xué)研究中，引入了信息論的方法，使得可以對各種不同條件下的結(jié)果在一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)（加工信息量和通道容量）上進(jìn)行比較。1、信息熵的概念熵（Entropy）原是熱力學(xué)的一個概念，用來表示系統(tǒng)的紊亂程度，是不確定性的度量。自然界存在一個普遍規(guī)律：能量密度的差異傾向于變成均等。熵隨時間增大而增大－－熱力學(xué)第二定律。隨著孤立系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)，其熵單調(diào)增大，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時，熵將達(dá)到最大。熵的變化和最大值確定了孤立系統(tǒng)過程進(jìn)行的方向和限度。53第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

從微觀上來說，熵是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無序度的量度，系統(tǒng)越無序，越混亂，熵就越大。

1948年，香農(nóng)提出了信息熵的概念，解決了對信息的量化度量問題。一個系統(tǒng)越有序，信息熵就越低，一個系統(tǒng)越混亂，信息熵就越高。換句話說，變量的不確定性越大，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來度量。54第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、信息量的計算

信息：對數(shù)據(jù)加工后所得的結(jié)果。信息知識內(nèi)容為了計算信息量，香農(nóng)提出了度量信息熵的公示：式中，I(A)度量事件A發(fā)生所提供的信息量，稱之為事件A的自信息；P(A)

為事件A發(fā)生的概率。如果一個隨機(jī)試驗有N個可能的結(jié)果或一個隨機(jī)消息有N個可能的值，且它們出現(xiàn)的概率分別為P1

、P2

、P3

、……、PN

，則這些事件的自消息平均值為：55第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

信息量的計量單位為比特(bit)，它表示二進(jìn)制的一位，即當(dāng)某件事情出現(xiàn)的概率為1/2時，則不出現(xiàn)的概率也為1/2，那么由香農(nóng)公式可知，該事件包含的信息量為：

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

也就是說，當(dāng)一個單一事件發(fā)生的概率為1/2時，其包含的信息量正好為一個比特（bit）。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

若信號源S中有n個相互獨(dú)立的不同信號，某個信號j出現(xiàn)的概率為Pj,且Pj之和為1，j信號應(yīng)出現(xiàn)nPj次，則所有信號的平均信息量為：

H=（-nP1log2P1-nP2log2P2-…-nPnlog2Pn）/n=-∑Pjlog2Pj(j=1…n)

顯然，當(dāng)Pj=1/n時,H達(dá)到最大Hmax=∑(1/n)*log2n=log2n

在實際應(yīng)用中，各事件發(fā)生的概率是不可知的，所以只能通過N次試驗，獲得某種結(jié)果出現(xiàn)的統(tǒng)計頻次。

因此，事件出現(xiàn)得概率越小，信息量愈大。即信息量的多少是與事件發(fā)生頻繁(即概率大小)成反比。57第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)例題：若估計在一次國際象棋比賽中謝軍獲得冠軍的可能性為0.1(記為事件A)，而在另一次國際象棋比賽中她得到冠軍的可能性為0.9(記為事件B)。試分別計算當(dāng)你得知她獲得冠軍時，從這兩個事件中獲得的信息量各為多少？

H(A)=-log2P(0.1)≈3.32(比特)

H(B)=-log2P(0.9)≈0.152(比特)58第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)例題：向空中投擲硬幣，落地后有兩種可能的狀態(tài)，一個是正面朝上，另一個是反面朝上，每個狀態(tài)出現(xiàn)的概率為1/2。如投擲均勻的正六面體的骰子，則可能會出現(xiàn)的狀態(tài)有6個，每一個狀態(tài)出現(xiàn)的概率均為1/6。試通過計算來比較狀態(tài)的不肯定性與硬幣狀態(tài)的不肯定性的大小。

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

[推論1]當(dāng)且僅當(dāng)某個P(Xi)=1，其余的都等于0時，H(X)=0。

[推論2]當(dāng)且僅當(dāng)某個P(Xi)=1/n，i=1，2，……，n時，H(X)有極大值logn。59第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.6.3信息處理過程1、信息加工處理特征人從感覺器官接受的信息，傳導(dǎo)到大腦皮層，在大腦皮質(zhì)處受著心理和生理活動狀況的影響，進(jìn)行加工、調(diào)整和決策。1）信息的處理能力是有一定限度的.2）影響人處理信息能力的因素有許多:(1)人的神經(jīng)活動規(guī)律

(2)動機(jī)與積極性

(3)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練

(4)疲勞(5)個體差異

(6)人的信息傳遞率不可能超過7.5bit/s(7)意識水平第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、人的反應(yīng)能力人的反應(yīng)時間與感覺刺激物的刺激量有關(guān)。

1）信息傳輸速度C=H/T

其中：C—信息傳輸速率；

H—傳輸?shù)男畔⒘?；T—傳輸?shù)臅r間。61第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

人的反應(yīng)速度是反映人的感覺通道信息傳輸能力的客觀數(shù)量，一般而言，人的反應(yīng)速度不會超過10bit/s，當(dāng)超過這一極限后，信息就不能完全地被接受，此時要么不對信息進(jìn)行繼續(xù)處理，要么進(jìn)行錯誤的處理。人體不存在一個固定不變的信息傳輸速率，它隨刺激物的不同性質(zhì)、維數(shù)和不同工作類型而變化。62第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

2）采樣采樣間隔取決于刺激的頻率。若刺激的變化頻率為F，則T=1/2F，由此可見，采樣頻率降低，則采樣周期延長。當(dāng)刺激物以速度或加速度形式出現(xiàn)時，采樣時間間隔的計算公式為：T=(K+1)/2F3）編碼編碼方式的優(yōu)劣與工作性質(zhì)有關(guān);

辨認(rèn)工作—數(shù)碼、字母、斜線---較好搜索定位—顏色、數(shù)碼、形狀---較好計數(shù)工作—數(shù)碼、顏色、形狀---較好比較或驗證—各方法幾乎沒有區(qū)別---較好利用感覺系統(tǒng)的信息處理原理，可以設(shè)計出高質(zhì)量的人機(jī)系統(tǒng)。63第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.6.4中樞信息處理

記憶是各種信息處理活動的基礎(chǔ)，一般分為三種形式：1.感覺信息儲存由感覺器官傳入大腦的信息必須在大腦組織中儲存一段時間，還需要大腦進(jìn)行甄別，這種感覺信息儲存過程衰減很快，而且存儲量也有一定限度，延長顯示時間也不能提高它的效率。2.短時記憶短時記憶時間比感覺信息儲存時間稍長，不超過幾十秒，而且儲存的數(shù)量也有一定限度。許多職業(yè)都需要有良好的短時記憶。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.長時記憶凡比短時記憶時間長的記憶過程都屬于長時記憶。長時記憶是人腦學(xué)習(xí)功能的基礎(chǔ)。長時記憶的儲存數(shù)量是無限的。65第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7人體生物力學(xué)生物力學(xué)是研究稅務(wù)系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。生物系統(tǒng)運(yùn)動的表現(xiàn)形式有兩種：第一，整個生物系統(tǒng)對于其周圍的介質(zhì)、支撐物或其它物體發(fā)生位移，如行走、彈跳。第二，生物系統(tǒng)本身發(fā)生形變，即其中一部分相對于另一部分發(fā)生位移，如伸手、彎腰。人體生物力學(xué)的主要研究內(nèi)容為：人體各部分的力量、活動范圍和速度。66第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7.1人體生物力學(xué)的一般知識人體完成各種活動動作的運(yùn)動器官系統(tǒng)，由肌肉、關(guān)節(jié)、骨骼等組成，骨—運(yùn)動的杠桿；關(guān)節(jié)—運(yùn)動的樞紐；肌肉—運(yùn)動的動力。三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和協(xié)調(diào)下完成各種動作。一、骨骼的功能1、人體骨骼的強(qiáng)度

1）在一定范圍內(nèi)，骨的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是線性的；2）新鮮骨的強(qiáng)度雖然比干骨低50%，但有較好的彈性；3）骨骼的抗壓強(qiáng)度高于其抗拉強(qiáng)度50%左右；67第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)4）不同結(jié)構(gòu)形式的骨骼，抗拉強(qiáng)度差別較大，而抗壓強(qiáng)度相差不大。

人體各部位骨骼具有強(qiáng)度高，重量輕、抗壓強(qiáng)度最大、抗彎強(qiáng)度次之，抗扭強(qiáng)度最小的特點(diǎn)。68第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)69第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、人體骨的功能人體大約有206塊骨，形成人體的支架。1）骨構(gòu)成體腔的壁，以承載和保護(hù)內(nèi)臟器官；2）骨之間由關(guān)節(jié)連接構(gòu)成骨骼，形成人體支架；3）骨骼的骨髓腔和松質(zhì)的腔隙中填充這骨髓，骨髓除具備造血功能外還具有儲存脂肪、鈣、磷的功能；4）肌肉在神經(jīng)系統(tǒng)支配下產(chǎn)生收縮時，牽動著骨圍繞關(guān)節(jié)活動，使人體產(chǎn)生各種動作。70第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、骨杠桿在骨杠桿中，關(guān)節(jié)是支點(diǎn)，肌肉是力量源泉，肌肉與骨的附著點(diǎn)稱為力點(diǎn)，而作用于骨上的阻力的作用點(diǎn)稱為重點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)不同的位置分布，分為：

1）平衡杠桿

2）省力杠桿

3）速度杠桿：用力大，但運(yùn)動速度快由等功原理，即杠桿省力不省功原理，得之于力則失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量與最大的運(yùn)動范圍兩者是相矛盾的。71第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)72第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

二、關(guān)節(jié)的活動范圍1、關(guān)節(jié)的聯(lián)結(jié)全身的骨與骨之間借助一定的結(jié)構(gòu)相聯(lián)結(jié)，稱為骨連接，骨連接范圍直接聯(lián)結(jié)和間接聯(lián)結(jié)，我們所說的關(guān)節(jié)為間接聯(lián)結(jié)，有較大的活動性。2、關(guān)節(jié)的作用

1）關(guān)節(jié)的損傷---由于關(guān)節(jié)既受到肌肉和韌帶的穩(wěn)定作用，也受到其限制作用，故當(dāng)超出其限制范圍是就會受到損傷。

2）關(guān)節(jié)的舒適---當(dāng)人體處在最大活動范圍以內(nèi)活動時，相應(yīng)關(guān)節(jié)也處于舒適范圍之內(nèi)，其可靠性和安全性都會得到提高。第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)三、人體肌肉力學(xué)特性人體活動的能量決定于肌肉，肌肉的基本機(jī)能就是將攝入的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或熱能再轉(zhuǎn)變成機(jī)械功或力。1、肌肉的分類人體的肌肉依其構(gòu)造、功能、分布等可分為平滑肌、心肌和橫紋?。珀P(guān)節(jié)附著）三種。由于人體運(yùn)動主要與橫紋肌有關(guān)，故工效學(xué)里討論的肌肉僅限于橫紋肌，簡稱肌肉。人體橫紋肌共有400塊，其總重約占人體體重的40%，每一塊肌肉都是一個器官。74第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、肌肉的基本特征肌肉運(yùn)動的基本特征是收縮與放松。故肌肉具有展長性和彈性、興奮性、收縮性的特征。肌肉收縮是人體產(chǎn)生力的根源。肌肉收縮時其長度縮短，橫面積增大，放松時正好相反。75第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)肌肉的收縮和放松都是由神經(jīng)系統(tǒng)支配而產(chǎn)生的：76第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、肌肉的收縮方式肌肉收縮有兩種方式：等長收縮、等張收縮。等長收縮：肌肉收縮產(chǎn)生的張力變化，而肌肉的長度不變，此時產(chǎn)生的力是靜態(tài)力，不做外功。等張收縮：肌肉的張力不變，而肌肉的長度變化，此時產(chǎn)生的力是動態(tài)的，肌肉做外功。4、肌肉放松的作用節(jié)省體內(nèi)物質(zhì)和能量的消耗；保證動作的準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)和有力的完成；有利于減輕疲勞，減少誤操作。77第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)四、人體運(yùn)動的特征人體是一個有機(jī)的物質(zhì)系統(tǒng)，身體各部分的運(yùn)動都是轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動狀態(tài)的改變主要取決于力矩，而非取決于力。對于人體生物系統(tǒng)而言，肌肉的張力對相應(yīng)關(guān)節(jié)的軸形成力矩。78第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)五、人體活動范圍人體的肢體、軀干、頭、頸、上肢、下肢等運(yùn)動器官都有各自的活動范圍。人體的活動范圍可分為：最有利范圍、正常范圍和最大可及范圍三種。1、最有利范圍最有利范圍是指可使人在既能達(dá)到動作目的，又保證了人的工作輕松、舒適、不疲勞的最佳效果的人體活動范圍，也就是順手科技的活動范圍。因此，要求施加的操縱力不大、使用頻率很高、極其重要的操作裝置應(yīng)安裝在此范圍內(nèi)。79第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、正?；顒臃秶；顒臃秶侵溉梭w一般活動均在此活動范圍內(nèi)進(jìn)行，如上肢相對于不動的肩膀在肘關(guān)節(jié)彎曲時外切弧的范圍。該范圍是理想的作業(yè)區(qū)域，因此一般常用又重要的操作裝置應(yīng)安裝在此范圍內(nèi)。3、最大可及范圍最大可及范圍是指肢體長時間處于最大限度伸直狀態(tài)的活動范圍。由于在此范圍內(nèi)作業(yè)時，肌肉內(nèi)力消耗大，容易產(chǎn)生疲勞，所以在設(shè)計時盡可能不使人在這一范圍內(nèi)作業(yè)，故只有不常用且費(fèi)力很大的操作裝置可安裝在此范圍內(nèi)。80第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7.2人體各部分的操縱力操縱力是指操作者在操作時為達(dá)到操作目的所付出的一定數(shù)量的力。肌肉收縮所產(chǎn)生的肌力大小取決于以下幾個生理因素：單個肌纖維的收縮力；肌肉中肌纖維的數(shù)量與體積；肌肉收縮前的長度；中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)能狀態(tài)；肌肉對骨骼發(fā)生作用的機(jī)械條件。操作中肢體力量的發(fā)揮除取決于人體生理特征外，還與施力姿勢、施力部位、施力方式、施力方向密切相關(guān)。81第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)一、手的操縱力1、坐姿操縱力根據(jù)檢測研究可知，人的左手弱于右手；拉力大于推力；向下力略大于向上力；向內(nèi)力大于向外力；手臂處于側(cè)面下方時，推拉力都比較弱，但向上和向下的力較大。82第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)2、立姿操縱力立姿時，最大拉力和推力產(chǎn)生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力則產(chǎn)生在肩的上方0°方向上。故推拉形式的控制裝置，安裝在這兩個部位時操縱力最大。83第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3、握力一般而言，人的右手握力大于左手握力，且隨時間的增加而降低。正常男子的右手握力大約550N，左手握力421N，1分鐘后握力將降低一半左右。

握緊強(qiáng)度是人能夠施加在手柄上的最大握緊力，在設(shè)計手工工具、夾具和操縱機(jī)構(gòu)時，都需考慮握緊強(qiáng)度。握緊強(qiáng)度的估算公式為：84第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)4、拉力與推力若手作前后運(yùn)動時，拉力要比推力大；當(dāng)手作左右方向運(yùn)動時，則推力大于拉力。5、扭力和提力與拉力和推力相比，扭力和提力要小，而且與操作姿勢有關(guān)。85第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)總結(jié)：人的瞬間操縱力可達(dá)到很大的值，有時可達(dá)1000N左右，但如果長時間操縱力超過127～150N時，極易產(chǎn)生疲勞，不利于安全生產(chǎn)。86第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)二、腳的操縱力用腳來操縱機(jī)器的例子很多，比如汽車的離合、油門、制動踏板都是通過腳來控制的。腳產(chǎn)生力的大小與下肢的位置、姿勢和方向有關(guān)。下肢伸直時所產(chǎn)生的力大于下肢彎曲時所產(chǎn)生的力；坐姿有靠背支持時，腳可產(chǎn)生最大的力（可達(dá)2500N左右）；立姿時腳的用力比坐姿用力大。87第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7.3人體活動的速度和準(zhǔn)確度一、肢體的動作速度肢體的動作速度的大小，基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。而肌肉的收縮速度一方面取決于肌肉的類型（慢肌纖維、快肌纖維），另一方面還取決于肌肉收縮時所產(chǎn)生的發(fā)揮力和阻力的大小。對于操作速度，還取決于動作方向和動作軌跡等特征以及不同的動作特點(diǎn)。人體從事快而準(zhǔn)確的直線運(yùn)動，其運(yùn)動的平均水平速度和最大速度隨移動距離的增加而增加，動作準(zhǔn)確度的誤差率，以短距離時最大，隨距離的增加動作準(zhǔn)確度的誤差率減少。88第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

動作的速度取決于工作方向和動作的軌跡特征。一直向前的操作動作速度要比旋轉(zhuǎn)速度大1.5～2.0倍左右。水平操作動作速度大于垂直操作動作速度，順時針操作動作速度大于逆時針操作動作速度89第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)二、人體動作的頻率動作頻率是指在一定時間內(nèi)動作所重復(fù)的次數(shù)。肢體的動作頻率也取決于動作部位和動作方式。90第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)

在設(shè)計操作系統(tǒng)時，對操作速度和頻率的要求不得超出肢體動作速度和頻率的能力限制。91第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)92第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)三、人體動作的靈活性在操縱時產(chǎn)生突然或平穩(wěn)的改變方向時，圓形軌跡比直線軌跡靈活；手向著身體動作比離開身體的動作靈活而準(zhǔn)確；向前后往復(fù)動作比向左右往復(fù)動作的速度大。人體較短部位的動作比較長部位的動作靈活；人體較輕部位的動作比較重部位的動作靈活；人體體積較小部位的動作比較大部位的動作靈活。93第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)根據(jù)以上分析，人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以下規(guī)律：94第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7.4影響人體作用力的因素

1、體重

2、體位第3章人體感知與運(yùn)動系統(tǒng)3.7.2主要關(guān)節(jié)的活動范圍

關(guān)節(jié)的活動范圍有一定的限度，人體處于舒適時，關(guān)節(jié)必然處在一定的舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，參閱表3-4。肌體的出力范圍肌體所能發(fā)揮的力量