人機(jī)工程學(xué)Ergonomics第二章 人體感知（二）藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomics人機(jī)工程學(xué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是人體完成各種動(dòng)作和從事生產(chǎn)勞動(dòng)的器官，主要由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉三部分組成。人體的運(yùn)動(dòng)是以關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，通過(guò)附著于骨面的肌肉的收縮，牽動(dòng)骨骼改變位置而產(chǎn)生的。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，骨是運(yùn)動(dòng)的杠桿，關(guān)節(jié)是運(yùn)動(dòng)的樞紐，肌肉是運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(dòng)作。2.7運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)能及其特征藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics人體內(nèi)的肌肉依其形狀構(gòu)造、分布和功能特點(diǎn)分為三種類型的

肌肉。第一類是骨骼肌也叫橫紋

肌，通過(guò)腱與骨骼相連。骨骼肌

的收縮能力強(qiáng)，其運(yùn)動(dòng)受意志支

配，人體運(yùn)動(dòng)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(xué)

所研究的僅限于骨骼肌，因?yàn)樗?/p>

的活動(dòng)受神經(jīng)系統(tǒng)支配，能隨人

的意志運(yùn)動(dòng)，控制人體位置的變

化。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院2.7.1肌肉的工作機(jī)理人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)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(zhǎng)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(jī)能是將生物化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或動(dòng)能，這種轉(zhuǎn)變是靠肌肉所具有的收縮性來(lái)實(shí)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(jìn)行的。肌肉運(yùn)動(dòng)的基本特征是收縮與放松，收縮時(shí)長(zhǎng)度縮短，橫

斷面增大，放松時(shí)則成相反變化。其機(jī)理是因?yàn)榧≡w維是由

許多肌微絲；另一種是較為細(xì)長(zhǎng)的肌動(dòng)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(dòng)蛋白微絲在相鄰的肌球蛋白微絲之間滑動(dòng)而向肌節(jié)中心靠擾，使肌節(jié)縮短，放松時(shí)則與此相反，如圖2—23所示。2.7.1.1骨骼肌肉的特點(diǎn)人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomics肌肉收縮時(shí)的力學(xué)特征的不同表現(xiàn)，主要取決于負(fù)荷（阻力、重量）的大小。a、潛伏期負(fù)荷增大時(shí)，從肌肉受到刺激到肌肉開始縮短的時(shí)間間隔變長(zhǎng)，即潛伏期延長(zhǎng)，如圖2—15所示。b、縮短程度圖2—16所示為人體右胸在肌負(fù)荷與肌肉縮短程度，速度的關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，肌肉的縮短程度較小。2.7.1.2肌肉收縮的力學(xué)特征人機(jī)工程學(xué)Ergonomicsc、縮短速度人體右胸大肌在負(fù)荷較大時(shí)，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(fù)荷下，肌肉收縮時(shí)，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(shí)，縮短速度為零。這一關(guān)系可用下式表示。式中——觀察瞬時(shí)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(gè)收縮過(guò)程的快慢，其值主要由施于肌肉的負(fù)荷決定，即負(fù)荷增大，B值減小，因此，負(fù)荷很小時(shí)肌肉收縮得快，反之收縮變慢。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics肌肉的力量來(lái)自肌肉收縮，肌肉收縮時(shí)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(jiàn)一個(gè)人的肌力大小取決于其肌肉橫截面面積的大小，同時(shí)肌力還與收縮肌肉的長(zhǎng)度有關(guān)，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)能狀態(tài)，肌肉對(duì)骨發(fā)生作用的機(jī)械條件等有關(guān)，此外與施力姿勢(shì)、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(jì)的依據(jù)。2.7.2肌肉的力量藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)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(shí)的肌肉手臂伸直時(shí)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(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院圖2—26所示在直立姿勢(shì)下彎臂時(shí)，不同角度時(shí)的力量分布，以圖中可了解到在70°處可達(dá)到最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。是許多操縱機(jī)構(gòu)（例如方向盤）置于人體正前上方的原因。人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)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(duì)不同角度和方向的操縱力人機(jī)工程學(xué)Ergonomics圖2—28表示坐姿時(shí)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(shí)產(chǎn)生。肢體所有力量的大小，都與持續(xù)時(shí)間有關(guān)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)、人的力量很快會(huì)衰減。例如，人的拉力由最大值衰減到四分之一數(shù)值時(shí)，只需4分鐘。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院肢體動(dòng)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(shí)而使慢肌纖維收縮，時(shí)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(shí)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(dòng)作速度與頻率限度動(dòng)作部位動(dòng)作速度與頻率手的運(yùn)動(dòng)（cm/s）35控制操縱桿移動(dòng)（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(dòng)（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(yùn)動(dòng)（次/s）0.36～0.722.7.3膚體的動(dòng)作速度與頻率人機(jī)工程學(xué)Ergonomics2.8.1反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)又稱反應(yīng)時(shí)間，是指刺激作用于人后到人明顯的反應(yīng)開始時(shí)所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的時(shí)間間隔。人接受刺激時(shí)并不會(huì)立即有反應(yīng)，而有一個(gè)發(fā)動(dòng)過(guò)程，這種過(guò)程包括刺激使感覺(jué)器產(chǎn)生活動(dòng)，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(yùn)動(dòng)器官，運(yùn)動(dòng)反應(yīng)器接受神經(jīng)沖動(dòng)。產(chǎn)生一定的反應(yīng)，這些過(guò)程所需時(shí)間的總和稱為反應(yīng)時(shí)間，有時(shí)也叫反應(yīng)的潛伏期。2.8

人的反應(yīng)特征藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics反應(yīng)時(shí)可以作為成就的指標(biāo)及內(nèi)部過(guò)程復(fù)雜程度的指標(biāo)。對(duì)一件工作越熟悉，反應(yīng)時(shí)間就越快；內(nèi)部過(guò)程越復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)。反應(yīng)時(shí)間分為兩部分組成：一是反應(yīng)知覺(jué)時(shí)間即自出現(xiàn)刺激到開始運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的時(shí)間；二是運(yùn)動(dòng)時(shí)間即運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)間。RT=tz+td式中：RT——反應(yīng)時(shí)間tz——反應(yīng)知覺(jué)時(shí)間

td——運(yùn)動(dòng)時(shí)間藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomicsa、刺激不同的感覺(jué)器官這里分為兩種情況，其一是刺激作用不同的感覺(jué)器官，其反應(yīng)時(shí)間是不同的，見(jiàn)表2—10各種感覺(jué)器官的簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)。其二是刺激作用于同器官的不同位置，其反應(yīng)時(shí)間也不相同。2—10各種感覺(jué)器官的反應(yīng)時(shí)間感覺(jué)器官反應(yīng)時(shí)間（ms）觸覺(jué)110-160聽(tīng)覺(jué)120-160視覺(jué)150-200冷覺(jué)150-230溫覺(jué)180-240嗅覺(jué)210-390痛覺(jué)400-1000味覺(jué)330-11002.8.2.1

刺激對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響2.8.2

影響反應(yīng)時(shí)的因素人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomicsb、刺激的性質(zhì)與強(qiáng)度人對(duì)各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時(shí)間是不同的，見(jiàn)表2—11。對(duì)于同一種性質(zhì)的刺激來(lái)說(shuō)，一般情況是對(duì)弱刺激的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，刺激增加到中等強(qiáng)度與極強(qiáng)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短。2—11對(duì)各種刺激的反應(yīng)時(shí)間刺

激反應(yīng)時(shí)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(qiáng)度刺激的反應(yīng)時(shí)間（ms）刺

激對(duì)刺激開始的反應(yīng)時(shí)間對(duì)中間的反應(yīng)時(shí)間聲中強(qiáng)度弱強(qiáng)度閾限119184779121183745光強(qiáng)弱162205167203Ergonomics人機(jī)工程學(xué)c、刺激的清晰度和可辨性刺激信號(hào)與背景的對(duì)比程度也是影響反應(yīng)時(shí)間的一種因素，信號(hào)愈清晰易辨認(rèn)，則反應(yīng)時(shí)間愈短；反之，則反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)燈光信號(hào)時(shí)，要考慮信號(hào)與背景的亮度比；設(shè)計(jì)標(biāo)志信號(hào)時(shí)，要考慮信號(hào)與背景的顏色對(duì)比；設(shè)計(jì)聲音信號(hào)時(shí)，要考慮信號(hào)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(dāng)刺激信號(hào)的持續(xù)時(shí)間不同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間隨刺激時(shí)間的增加而減少。表2—13為光刺激時(shí)間對(duì)反應(yīng)時(shí)間影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，刺激信號(hào)的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間越短。但這種影響關(guān)系也有一定的限度，當(dāng)刺激持續(xù)時(shí)間達(dá)到某一界限時(shí)，再增加刺激時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間卻不再減少。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)Ergonomics表2—13光刺激時(shí)間對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響（ms）光刺激持續(xù)時(shí)間36122448反

應(yīng)

時(shí)間191189187184184此外，刺激信號(hào)的數(shù)目對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響最為明顯，即反應(yīng)時(shí)間隨刺激信號(hào)數(shù)的增加而明顯的延長(zhǎng)，見(jiàn)表2—14。對(duì)于需要辨別兩種刺激信號(hào)時(shí)，若兩刺激信號(hào)的差異愈大，則其可辨性愈好，即反應(yīng)時(shí)間愈短；反之，其反應(yīng)時(shí)間愈長(zhǎng)。表2—15為幾種刺激的可辨性對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院表2—14可選擇的刺激數(shù)目對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響刺激選擇目

反應(yīng)時(shí)間（ms）11872316336444345485653275708603961910622表2—15刺激的辨別難度對(duì)反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)間（ms）305313324345290299311334人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomics在實(shí)際操作中，反應(yīng)時(shí)間還與操縱器、顯示器的設(shè)計(jì)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(huì)影響反應(yīng)時(shí)間。例如，線條運(yùn)動(dòng)能在視覺(jué)中樞引起有效的沖動(dòng)發(fā)放，視覺(jué)顯示中大量運(yùn)用線條和指針是有根據(jù)的。如果用數(shù)字進(jìn)行狀態(tài)顯示，效果將很差。又如紅光和綠藍(lán)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(jì)的人體工學(xué)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(shí)間為

0.1～0.15s，聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)時(shí)間稍高。連續(xù)工作時(shí)，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(jué)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(shí)間

達(dá)1～3s，要進(jìn)行復(fù)雜判斷和認(rèn)知反應(yīng)的時(shí)間平均達(dá)3～5s。因此，在人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮人的反應(yīng)能力的限度。人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomics人的反應(yīng)分三個(gè)連續(xù)的時(shí)期：一是前期即從預(yù)備信號(hào)到刺激，二是反應(yīng)時(shí)間即從刺激到肌運(yùn)動(dòng)，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(zhǔn)備狀態(tài)，前期時(shí)間太短，可能沒(méi)有做好反應(yīng)的準(zhǔn)備，如果前期時(shí)間太長(zhǎng)，準(zhǔn)備又會(huì)松懈。一般2秒左右的前期時(shí)間比較合適，但這存在個(gè)體差異。一般的田徑賽跑，前期時(shí)間定為1.5秒為佳，表2—16為前期準(zhǔn)備時(shí)間與反應(yīng)時(shí)的關(guān)系，可見(jiàn)在前期準(zhǔn)備時(shí)間在1～2秒比較好，其反應(yīng)時(shí)間短，標(biāo)準(zhǔn)差小。表2—16準(zhǔn)備時(shí)間對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響準(zhǔn)備時(shí)間（s）0.5124平均反應(yīng)時(shí)（nm）335241245276標(biāo)準(zhǔn)差（nm）644351562.8.3.1人的準(zhǔn)備狀態(tài)2.8.3

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

所示?？梢?jiàn)間隔時(shí)間為1

s時(shí)的反應(yīng)時(shí)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(gè)信號(hào)的效

率，比發(fā)現(xiàn)間隔為10～15s出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)的效率要低10倍。另外，心理上的定向作用也會(huì)影響反應(yīng)時(shí)間。例如，事先要求操作者在反應(yīng)中監(jiān)視某一“事故信號(hào)”，由于這種定向（定勢(shì)）作用，操作者觀察這個(gè)“事故信號(hào)”的反應(yīng)速度會(huì)顯著提高。藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)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(shí)別，判斷和選擇等因素的影響，其反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)而且錯(cuò)誤反應(yīng)的次數(shù)，會(huì)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(duì)反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)間（ms）3053133243452902993113342.8.3.2復(fù)雜反應(yīng)人機(jī)工程學(xué)Ergonomics藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院人不同年齡時(shí)期的反應(yīng)時(shí)也不同，從幼兒到25歲這一時(shí)期反應(yīng)時(shí)隨年齡增加而逐漸縮短，起初減少得很快，以后放慢。年齡時(shí)間2.8.3.3年齡因素人機(jī)工程學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院Ergonomics人體各部位動(dòng)作一次的最少平均時(shí)間見(jiàn)表2—17。由表可知，即使同一部位，但動(dòng)作特點(diǎn)不同，其所需的最少平

均時(shí)間也不同。另外，對(duì)于手的動(dòng)作，隨著出手距離增加，反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)加長(zhǎng)，見(jiàn)表2-18。出手距離（cm）204060平均反應(yīng)時(shí)間（ms）525596670標(biāo)準(zhǔn)差（ms）507174表2—18反應(yīng)動(dòng)作距離與動(dòng)作時(shí)間2.8