Сила руки (кг) при выполнении движений в разных направлениях (средние величины, полученные при обследовании 55 мужчин) (по Мак-Кормику)

Положение руки, град1	Левая рука	Правая рука	Левая рука	Правая рука
	Вытягивание (на себя)		Толкание (от себя)
180	52,5	54,4	57,1	62,6
150	50,7	55,3	50,3	55,7
120	42,6	47,1	44,9	46,7
90	36,3	39,9	37,6	38,9
60	29	38,6	36,2	41,7
	Вытягивание (вверх)		Толкание (вниз)
180	18,6	19,5	16	18,6
150	23,6	25,4	18,6	21,3
120	24,5	27,2	23,1	26,3
90	23,6	25,4	22,2	24
60	19,9	22,2	20,8	23,1
	Приведение (к себе)		Отведение (от себя)
180	19,5	22,6	13,6	15,4
150	21,3	24,4	13,1	15
120	20,4	24	13,6	15,4
90	21,7	22,6	15	16,8
G0	22,6	23,5	14,5	19

¹ Положение выражено величиной угла, образованного плечом н сагитталь­ной осью тела.

в полтора раза; при этом Т-образная ручка имеет пре­имущество перед Г-образной [360].

Характеризуя силовые параметры движений, мы привели только средние величины. Между тем ранг их индивидуальных (и возрастных) вариаций весьма зна­чителен: люди могут различаться по физической силе в 2—3 раза и более. Один из крупнейших специалистов по инженерной психологии Мак Фэрланд [442, 443] ре­комендует при расчетах органов управления исходить из показателей не среднего по силе человека, а более сла­бого, так как в критических ситуациях даже средний че­ловек может оказаться не в состоянии выполнять дви­жения, требующие большой силовой нагрузки.

Перечисленные данные об основных параметрах дви­гательного аппарата человека указывают на оптималь-

24—2286 ³⁶⁹

ный и предельно возможный режимы его работы. Они позволяют определить лишь самые общие требования к конструкции органов управления (в отношении допу­стимой амплитуды, скорости и сопротивления), но еще не дают оснований для решения вопроса о выборе такой конструкции, которая обеспечила бы необходимую точ­ность и надежность действий оператора. Его и нельзя решить, исходя только из механических свойств двига­тельного аппарата. В этой связи необходимо обратиться к другому аспекту анализа моторики — к проблеме р е-гуляции рабочих движений. Значение этой проблемы для инженерной психологии тем более важно подчерк­нуть, что с развитием техники энергетические, исполни­тельно-технологические и транспортные функции пере­даются машинам, а за человеком остается функция про­граммирования и управления производственными про­цессами. Эффективность же выполнения этих функций в значительной мере зависит от способов, от скорости и точности произвольной регуляции человеком рабочих движений, воздействующих на органы управления.

Как отмечалось, научные основы учения о регуляции рабочих движений были заложены И. М. Сеченовым. Большой вклад в это учение внес И. П. Павлов.

Идеи Сеченова и Павлова нашли дальнейшее разви­тие в трудах советских психологов и физиологов (Н. А. Бернштейн, П. К. Анохин, А. В. Запорожец, А. Н. Леонтьев, А. Р. Лурия, А. Ц. Пуни, Л. М. Веккер и др. (8, 10, 22, 23, 44, 45, 117, 265]).

В многочисленных исследованиях были выявлены не­которые конкретные закономерности рефлекторных ме­ханизмов двигательного акта, выяснена роль «сенсор­ных коррекций» и «обратной афферентации» в построе­нии движений, изучены некоторые характеристики ней-родинамики и т. д.

Идея программирующей, регулирующей и корриги­рующей функции отражательных процессов находит все более широкое распространение и в исследованиях за­рубежных ученых. В этой связи серьезный интерес пред­ставляют работы, раскрывающие особенности координа­ции движений (Р. М. Барнес [34,1], Е. А. Флейшман [389]), процессов временного согласования ответных дви­гательных реакций с воспринимаемыми сигналами (timing) (А. Т. Велфорд [497]), роль «чувства ясного

370

контроля» и антиципации (К. Дж. В. Крейк [372]) в ре­гуляции движений. Подводя итоги экспер-иментальным исследованиям английских психологов, крупнейший спе­циалист по проблеме навыка, Ф. Бартлетт |[343] пришел к выводу- о том, что сенсорные сигналы не только пу­скают в ход эффекторный аппарат, но направляют и регулирует его.

В исследованиях, «про­веденных в последние го­ды, все более подчерки­вается существенная роль сигналов обратной связи, возникающих при выпол­нении движений, в орга­низации действия. По со­временным 'научным пред­ставлениям в основе ме­ханизма двигательных актов лежит рефлек­торное кольцо.

Простейшая блок-схема управления движениями (по Бернштейну).

Рис. 82 аппарата

В связи с проникнове­нием идей и методов ки­бернетики в биологиче­ские и антропологические

науки многие исследователи (Н. А. Бернштеин [23], К. Дж. В. Крейк [372]) пытаются наметить общую схему контура регулирования движений и определить его ос­новные элементы. На рис. 82 приведена блок-схема ап­парата управления движениями, предложенная Н. А. Бернштейном [23]. Этот аппарат образует замкну­тый контур регулирования, включающий шесть основных элементов:

/ — эффектор (двигательный аппарат), работа которого управляется по заданному параметру;

2. — задающий элемент, который вносит на ос­нове заданной программы требуемое значение регули­руемого параметра;

3. — рецептор, воспринимающий фактические текущие значения параметра и передающий сигналы о них;

4. — прибор сличения, выявляющий расхождение требуемого и фактического значений;

24*

371

5—прибор пере шифровки, переводящий данные приборы сличения в коррекционные импульсы, подавае­мые регулятору;

6 — регулятор, управляющий эффектором.

Приведенная схема, конечно, не дает исчерпывающе­го объяснения механизму регуляции движений. С раз­витием конкретного исследования процессов циркуляции осведомительной и командной информации она, вероят­но, будет уточняться и дополняться. Тем не менее в этой схеме достаточно четко очерчены основные звенья той системы, которая осуществляет регуляцию двигательных актов (рефлекторного кольца).

Исключительная роль в формировании сигналов об­ратной связи, а следовательно, и в регуляции движений принадлежит кинестетическим ощущениям, а также ося­занию, отражающим состояние двигательного аппарата и его взаимодействие с объектом манипуляции в каж­дый данный момент. Как показывают исследования, ес­ли на начальных ступенях образования навыка движе­ния протекают под контролем зрения, то впоследствии этот контроль все более переходит к чувствительным приборам, заложенным в самом двигательном аппарате. По данным Бушуровой [36, 35], в ходе формирования навыка кинестезия как бы «вбирает в себя опыт» других сенсорных модальностей.

В этом случае образуется внутренний контур регу­лирования, обеспечивающий значительное ускорение циркуляции управляющей информации. Так, по подсче­там К. Купфмюллера '[424], время прохождения сигнала по внутреннему контуру примерно 0,04 сек, что в не­сколько раз короче времени прохождения при зритель­ном контроле движений, т. е. во «внешнем» контуре ре­гулирования (0,1—0,2 сск^. Поэтому в тех системах, где требуется высокая скорость действий оператора, органы управления необходимо конструировать с таким расчетом, чтобы обеспечить возможность переключения регулятивных функций со зрения (и вообще дистант-рецепции) на кинестезию и осязание. Подробнее об этом будет сказано позднее.

Образ совершаемого движения формируется на осно­ве мышечных, суставных и тактильных ощущений. К со­жалению, из-за ряда методических трудностей харак­теристики этих составляющих и их относительная роль

372

в структуре образа изучены еще недостаточно. Имею­щиеся данные позволяют судить о возможностях и осо­бенностях отражения движений пока лишь в общих чертах.

В связи с задачей конструирования органов управ­ления определенный интерес представляют данные о возможностях различения направления, размаха, дли­тельности и силы движений руки.

Систематическое изучение пространственно-двигательной ориентировки было начато в работах Г. X. Кекчеева [146], который показал, что наиболее точ­ные сигналы (кинестетические ощущения) о направле­нии и размахе движения возникают в том случае, если оно совершается па расстоянии 15—35 см от средней точки тела (т. е. в оптимальной рабочей зоне). Для рас­стояний больше чем 40—50 см точность анализа сни­жается.

Позднее вопросом пространственно-двигательной ориентировки в связи с инженерно-психологическими задачами занимался П. Фиттс [406]. В экспериментах испытуемому (с выключенным зрением) предлагалось последовательно попадать пальцем в центры мишеней, расположенных вокруг него. Точность движений оцени­валась по числу попаданий. Данные Фиттса приведены на рис. 83. По Фиттсу, наибольшая точность движений, не контролируемых зрительно, характерна для сагит­тальной плоскости (угол равен 0°). С увеличением угла она постепенно снижается. Точность попаданий правой руки (в мишени справа) несколько больше, чем левой (в мишени слева). Пространственно-двигательная ори­ентировка точнее для уровня ниже груди. Исходя из этих данных, с учетом ранга ошибок предлагается отде­лять органы управления один от другого на расстояние не менее чем 15—20 см в средней зоне моторного поля оператора и 30—40 см — в крайних. Только при таких условиях можно рассчитывать на высокую точность при­цельных движений руки без визуального контроля.

Исследования проприоцептивной оценки амплиту­ды движений руки показали, что короткие движения, как правило, переоцениваются, длинные — недооцени­ваются. По разным данным «нейтральная точка» (раз­деляющая короткие и длинные движения) соответствует •амплитуде от 8 до 15 см. Из этого общего правила

373

г)

Рис. 83. Точность пространственно-двигательной ориентировки

(по П. Фиттсу):

а — условия эксперимента; б— результаты экспериментов; в — верхний ряд

мишеней; с — средний ряд мишеней; н — нижний ряд мишеней. Положение белых кругов отображает положение мишеней в зоне движений рук (от —135° до +135° относительно сагиттальной плоскости). Средний ряд кругов соответствует среднему положению мишеней (на уровне груди). Вели­чина кругов обозначает относительное число ошибок: чем больше круг, тем меньшая точность ориентировки соответствует данному направлению. Цифры под кругами указывают среднюю величину ошибок (в дюймах). Относитель­ная величина черных кругов, расположенных внутри белых, пропорциональна ошибкам, которые допускались при попадании в разные квадранты мишеней.

выпадают только движения, направленные сверху вниз, которые всегда переоцениваются. С увеличением ампли­туды возрастает и абсолютная ошибка. Наиболее точно оцениваются движения правой руки, 'совершаемые в на­правлении из центра направо.

Точность оценки амплитуды зависит от характера взаимодействия элементов кинематической цепи. Наш сотрудник С. Н. Сафарян сравнил два способа вос­произведения движений заданной амплитуды: 1) про­извольный (как удобней для испытуемого) и 2) при фиксированном положении всех звеньев руки, переме­шающейся относительно плечевого сустава. Воспроиз­ведение вторым способом оказалось точнее, что обу­словлено большей простотой кинематической цепи в этом случае, а также, по-видимому, высоким уровнем чув­ствительности плечевого сустава.

Точность чувствительного анализа длительности заметно уступает точности анализа пространственных признаков движений. Однако соответствующая трени­ровка приводит к повышению точности. Так, например, точность различения длительности графических движе­ний, по нашим данным [194, 195], достигает 0,1—0,2 сек. Аналогичные результаты получила Бушуро'ва [136], изучавшая рабочие движения в операциях опиливания металла.

В исследованиях Кекчеева было установлено, что различения пространственных и временных параметров движения взаимосвязаны. Так, медленно совершаемые движения дают наибольшее число ошибок в различе­нии не только длительности (переоценка), но также амплитуды и направления. Вместе с тем изменение амплитуды влияет на точность различения длитель­ности и скорости.

Можно предполагать, что существует некоторое опти­мальное соотношение основных параметров движений, при котором они различаются наиболее точно.

Дифференциальный порог мышечных напря­жений (силовой параметр), по данным разных авто­ров, равен 2,5% (Вебер), 9% (Сишор) относительно ис­ходной величины. Несовпадение данных объясняется различием в условиях и задачах экспериментов. При соответствующей тренировке порог может быть умень­шен до 1 % (Докукин).

375

По мнению Бейтса [по 141], проприоцептивные сиг­налы о величине усилия являются основной входной величиной в системе регулирования движений. Ско­рость рассматривается как простой интеграл от силы, а смещение как двойной. В связи с этим различают первичную и вторичную афферентацию. Согласно это­му мнению, регуляция движений по силе является более простой задачей, чем по скорости и величине. Данная точка зрения, по-видимому, справедлива, если рассмат­ривать мышечную чувствительность вне связи с сустав­ной.

Важнейшей чертой двигательного развития человека является функциональное разделение левой и правой рук. По моторным функциям в 90%' случаев правая рука оказывается ведущей. Но по функциям сенсорным взаимоотношение рук более сложно. Если по показате­лям пространственно-двигательной ориентировки 6ojjee развита кинестезия правой руки, то по уровню различе­ния статических напряжений, по тактильной чувстви­тельности и скорости осязания — левая (подробнее см. в книге Ананьева и др. [8]).

Итак, человеческая рука представляет собой слож­ную управляемую систему с обратными связями. Точ­ность и скорость ее движений определяются не самими по себе свойствами мышечной ткани и строением суста­вов, а главным образом характеристиками процесса циркуляции управляющей информации (временем цик­ла регуляции, временем переключений, структурой управляющих сигналов и т. д.) ^{. Благодаря организа­ции регуляционных взаимодействий на основе- сигналов обратной связи (прежде всего проприоцептивных) пре­одолеваются избыточные степени свободы движущегося органа, кинематические цепи становятся полносвязан­ными, а тем самым движения превращаются в коорди­нированные.

Вместе с тем в трудовых операциях рука выступает как компонент системы «орган-Ьорудие», которая в ко­нечном счете определяет структуру двигательного акта.

¹ Из этого, конечно, не следует, что анатомия руки не играет роли в построении движений. Совершенно ясно, что строение мо­торного аппарата и его механические свойства оказывают суще­ственное влияние на характеристики процесса регуляции.

376

Любое, даже сравнительно простое, трудовое дейст­вие складывается из более или менее значительной массы элементарных движений, объединяемых механиз­мом регуляции в целостную структуру. Разные движе­ния, включенные в такую структуру, несут различные функции, по которым .их можно разбить на три группы.

Первую группу составляют собственно рабочие (или исполнительские) движения, посредством которых осуществляется воздействие на объект. В структуре тру­дового действия эти движения занимают центральное место. Их конкретные характеристики определяются особенностями той операции, которая выполняется си­стемой «рука+орудие».

К другой группе относятся гностические дви­жения. Как следует из названия, они направлены на познание объекта и условий действия. Эти движения весьма многообразны.

Прежде 'всего нужно указать на ощупывающие, или осязательные, движения, с шомощыо которых субъект получает информацию о механических свойствах и пространственных особенностях тех предметов, которы­ми он манипулирует.

Разновидностью движений, близкой к осязательным, являются измерительные движения, играющие важную роль в формировании образа расстояния, которое долж­на пройти рука (Ю. П. Лапе [171]).

К гностическим движениям относятся также про­бующие и контрольные. По своим характеристикам пробующие движения сходны с собственно рабочими. Однако их действительной функцией является ориенти­ровка в возможных способах действия, из которых вы­бирается оптимальный для данных условий. Посредст­вом контрольных движений осуществляется текущая проверка отдельных этапов и всего хода действия.

Третью группу составляют приспособитель­ные движения. К ним относятся установочные движе­ния (установка рабочей позы руки), а также корриги­рующие i(c их помощью исправляются ошибки, возни­кающие в процессе выполнения действия), уравновеши­вающие и компенсаторные (они обеспечивают устойчи­вость и пластичность работающей руки) ¹.

¹ Более "подробное описание движений различных типов дается в наших работах [7, 48, 434].

377

Между перечисленными типами движений нет рез­ких границ. В реальных трудовых действиях можно наблюдать их взаимные переходы.

Взаимоотношение между этими движениями изме­няется в процессе формирования навыков. На первой ступени обычно преобладают гностические движения^!. Позднее они редуцируются и настолько тесно сливаются с рабочими движениями, что их часто трудно бывает расчленить. Однако, как показала В. В. Суворова ,[298], гностические (особенно пробующие) движения вновь появляются при перестройке навыков. Изменение взаимоотношений между движениями разных типов в процессе формирования навыка связано с изменением уровня их регуляции (об уровнях регуляции см. гл. 4).

Перечисленные типы движений были выявлены при изучении операций ручного труда. Интересно отметить, что в некоторых видах операций правая рука выпол­няет преимущественно рабочие движения, а левая — гностические и приспособительные.

Позднее они были обнаружены также в действиях по управлению машинами. Это было установлено в экспериментах Н. А. Розе [273], изучавшей манипуля­ции с различными органами управления (маховики, тумблеры, выключатели, рукоятки, рычаги и т. д.) ². Анализ показал, что в этих случаях разные пальцы вы­полняют разные функции. Обычно большой, указатель­ный и иногда средний производят рабочие движения. Средний и безымянный часто выполняют гностические движения, а безымянный — приспособительные. Однако каждый тип движения не связан однозначно с опреде­ленным пальцем. В процессе манипулирования происхо­дит смена функций пальцев и «передача» движений от одного к другому.

Целостное движение кисти представляет* собой' ком­бинацию парциальных движений каждого пальца, раз-

¹ Исследователи обычно отмечают, что в 'начале формирования навыка наблюдается много «лишних» движений. Эти движения ка­ жутся лишними только по отношению к конечному результату. В действительности же они необходимы, так как обеспечивают ориентировку субъекта в условиях труда. Многие из «лишних» дви­ жений являются по существу гностическими.

² Исследование Розе проводилось на кафедре психологии ЛГУ под руководством проф. Ананьева и автора.

378

деленных микропаузами. При этом, чем сложнее дви­гательная задача, тем более дробными становятся дви­жения. По-видимому, увеличение дробности 'является условием образования сложных двигательных структур.

Можно предполагать, что каждое парциальное дви­жение дает элементарный кинестетический сигнал. С уве­личением дробности движений и соответственно массы элементарных кинестетических сигналов возрастают возможности их последующего синтеза в целостную структуру. В этом проявляется единство механизмов анализа и синтеза в построении двигательного акта.

Структура двигательных компонентов и определяе­мые ею скорость и точность управляющего действия зависят от тех задач, которые решает оператор.

По назначению органов управления двигательные задачи ориентировочно можно разделить на четыре класса.

А. Одни органы управления предназначены для операций включения, выключения и переключения. Ма­нипулирование с ними строится по принципу простых или дизъюнктивных двигательных реакций (иног­да Р ДО).

В гл. 1 приведены данные о латентном периоде этих реакций, однако ничего не сказано о моторных компонентах. На первый взгляд может показаться, что моторный компонент здесь предельно прост (нажим кнопки, перемещение рычага или поворот ру­коятки). Однако детальный анализ показывает, что даже в этом случае двигательный акт складывается из довольно значительной массы микродвижений пальцев. По данным Розе, латентный период подобного рода ре­акций зависит не только от тех факторов, которые опи­саны в гл. 1, но и от временных характеристик устано­вочных движений. Она показала, что, чем раньше рука принимает необходимую позу, тем короче латентный период. Самый процесс манипулирования состоит из ряда микродвижений каждого пальца, совершаемых как в -контакте, так и вне контакта с органом управления. Так, по подсчетам Розе, при нажиме на кнопку за 0,75 сек пальцы правой руки совершают более 60 микро­движений, при переключении тумблера за то же вре­мя— около 80, «клювика» — более 60. Значительная доля принадлежит осязательным микродвижениям,

379

с помощью которых отражаются свойства органа управ­ления (фррма, сопротивление), что важно для органи­зации хватки и регулирования усилий, а также компен­сирующим и уравновешивающим, которые обеспечивают координированность двигательного акта.

Б. Второй класс двигательных задач состоит в вы­полнении последовательного ряда повторяющихся движений, с помощью которых осуществляются опе­рации кодирования и передачи информации (печатание перфокарт, машинопись, передача телеграмм), а также точной нацеленной установки. Эти движения могут быть вращательными, нажимными или ударными.

Одной из важных характеристик повторяющихся движений является их тем<п. Исследования вращатель­ных движений (манипулирование с ручками и махови­ками) установили, что максимальный темп вращения для ведущей руки равен 4,83 об/сек, для неведущей — 4 об/сек [363, 441]. Выявилась также его зависимость от радиуса вращаемых рукояток и величины их сопро­тивления, а значит, и необходимого усилия. При мини­мальном сопротивлении наибольший темп приходится на рукоятки радиусом 3 см. С увеличением радиуса до 24 см максимальный темп сокращается почти вдвое; уменьшение радиуса также дает сокращение темпа, хотя и менее заметное. Если сопротивление рукоятки возрастает, то максимальный темп сокращается, при этом особенно сильно для движений с малым радиусом (менее 3 см) и почти незаметно для движений с боль­шим радиусом (от 7 до 24 см). При увеличении сопро­тивления (трения) до 5 000 г максимальный темп дости­гается лри вращении рукоятки радиусом 4 см.

Максимальный темп нажимных движений при вели­чине усилия 25 г для ведущей руки составляет 6,68 на­жимов/сек, для неведущей — 5,3 нажимов/сек. При увеличении усилия до 400 г эти различия уменьшаются (6,14 — для ведущей; 5,59 — для неведущей).

Важным моментом нажимных движений является регулирование усилий. Его точность в значительной мере зависит от кинестической сигнализации. По дан­ным К. А. Провинса '[466], при анестезии двигательного нерва точность воспроизведения усилий уменьшается (особенно при силе 200 г и меньше). Она зависит также и от тактильной сигнализации, изменяясь с изменением

380

площади кожной поверхности, контактирующей с пред­метом.

Исследования нашего сотрудника Г. В. Суходоль-ского обнаружили влияние темпа движений на регуля­цию силы нажимов. При сравнении темпов 1, 2, 3 и 5 нажимов/сек оптимальным оказался последний. При темпе 5 нажимов/сек точнее. решаются задачи как со­хранения заданного усилия, так и его постепенного из­менения (увеличения или уменьшения).

Максимальный тем<п ударных движений пальцами варьирует от 5 до 14 ударов в 1 сек. В среднем он равен 8,5 ударов в 1 сек¹. При этом наблюдаются различия между пальцами (табл. 22).

Т Л Б Л И Ц А 22