3.4. Тактильные и кинестетические анализаторы

Тактильный анализатор входит в группу кожных анализаторов, реагирующих на механические (механорецепторы) и электрические раздражители при прикосновениях в некоторых точках кожного покрова. Эти точки называются осязательными. Под прикосновением подразумевается воздействие давления на кожу, вызывающее её деформацию.

Абсолютная чувствительность механорецепторов определяется величиной минимального давления (в пределах 1–5 мН). Наиболее чувствительными участками кожного покрова, характеризующимися максимальной плотностью осязательных точек на 1см² (пространственная чувствительность) и ощущением нажима при вдавливании кожи на 0,01 мм, являются кончики пальцев, губы и язык (1,96—4,9110⁴Па). Поэтому основные органы управления техническими объектами выполняются для пальцевой регулировки. Кроме того, знание тактильных характеристик позволяет правильно организовать трудовую системы управления для людей с ослабленным зрением, т.к. тактильные пороги у них незначительно отличаются от показателей механочувствительности видящих. Минимальной абсолютной чувствительностью характеризуются спина, плечи и бедра (7,85—9,9110⁴Па).

Пример распределения чувствительных зон ладони, используемый при проектировании и выборе вида и формы органов управления от пальцевых до ладонных (кнопки, клавиши, рычаги) приведён на рис. 3.10. Цифры обозначают минимальную глубину деформации кожи (мм), необходимую для возникновения ощущения.

При управлении системами возникают ситуации, когда требуется задействовать несколько органов управления, или когда на оператора воздействуют несколько механостимулов одновременно. В данном случае пространственная чувствительность будет ниже, чем при последовательном воздействии стимулов (ступенчатое переключение передачи в автомобиле). Пространственная чувствительность определяется минимальным расстоянием между двумя точками кожи, при воздействии на которые возникает ощущение двух прикосновений. Для некоторых участков кожи её характеристики показаны в табл. 3.16.

К огда последовательные раздражители достигают критической частоты 5–20Гц, прикосновение переходит в ощущение вибрации. Пространственная острота механорецепции является нестабильной характеристикой, так при управлении органом управления в течение нескольких часов она может увеличиться почти в два раза. Прерывание деятельности, особенно долговременное, приводит к потери приобретённого навыка (уровня пространственного разрешения) уже через несколько месяцев. Снижение пространственной чувствительности на определенном участке кожи вызывает её уменьшение и в окружающих областях, а также на соответствующем участке кожи противоположной части тела. Следует отметить, что пространственная чувствительность вдоль ладони ниже, чем по ширине, поэтому для работы с прецизионными (высокоточными) органами управления рекомендуются движения ладони по панели в горизонтальной плоскости. К факторам, ухудшающим пространственную чувствительность, относятся: ослабленный кровоток или застой венозной крови в кожном покрове, приводящий к возникновению туннельного синдрома рук, общая усталость и охлаждение кожи.

С учётом более высокой скорости адаптации и привыкания к раздражителям по сравнению со зрительным и слуховым анализаторами, тактильный анализатор можно более эффективно использовать при передаче информации. Так, человеческая речь, преобразованная в механические колебания, которые воспринимаются оператором при контакте с пластиной, после непродолжительных тренировок распознаётся оператором. Этот метод передачи информации перспективен в условиях высокочастотных шумов.

Воспроизведение речи осуществляется и при применении электрокожных рецепторов, в качестве раздражителей которых являются импульсы тока передаваемые через миниатюрные электроды. Преимуществом электрокожного раздражения является возможность регулировки мощности, требуемой для возникновения ощущения, причём она меньше механической мощности примерно в 100 раз.

У

Таблица 3.16

Пространственная чувствительность

Участок кожи	Пространственный порог, мм
Кончики пальцев (подушечки)	2–3
Кончик языка	1
Тыльная часть ладони	31
Предплечье	40
Спина, плечо, бедро	68
Подошва ступни	54

чёт тактильного эффекта при проектировании систем управления позволяет разработать более удобные органы управления, например плёночные клавиатуры с кнопками минимальных размеров (0,2–0,8мм²), для управления которых требуются минимальные усилия. Подробная информация о проектировании органов управления на основе тактильных ощущений приведена в специальном разделе.

Кинестетический канал связи позволяет определить пассивное– под действием внешних сил и активное–под действием мышц положение тела и его антропометрических звеньев в пространстве. Ощущение движений (проприоцепция), их силы, скорости, сопротивления определяются с помощью проприоцепторов, расположенных в мышечных тканях, суставных сумках, связках и сухожилиях. Основными характеристиками кинестетического анализатора являются прочность, упругость, жёсткость, твёрдость. От состояния кинестетического анализатора зависит способность человека координировать свою двигательную активность, а именно основные биомеханические показатели управляющих движений: скорость, точность и силу. Степень активности кинестетического анализатора зависит от физиологических параметров: пола, возраста, гормональной активности, а также от траектории, амплитуды и типа движений, вида работающих мышц, времени выполнения операции и характера физической нагрузки.

Ощущение положения. В процессе деятельности наиболее распространенны рабочие положения или позы: сидя, стоя–сидя, стоя, лёжа и на коленях. Все положения ограничены временем нахождения в них и уровнем внутренней и внешней нагрузки при этом на тело. Длительное пребывание в стационарной позе приводит к застою крови и уменьшению активности конечностей вплоть до их полной непригодности (артрит, "туннельный синдром" рук). В операторской деятельности чрезмерным нагрузкам подвергается, прежде всего, позвоночник (диск между 5–м поясничным и первым крестцовым позвонками) и кисти рук.

Ощущение движения. Качество и количество выполняемых человеком движений в единицу времени зависит от степени развитости, тренированности и степени чувствительности кинестетического аппарата. При активных движениях сустава порог восприятия ниже, т.е. лучше, чем при пассивных движениях. Но оценка активных движений сустава при определённых условиях бывает ошибочна. Особенно неточно воспринимается скорость движения; например, при попытке совершить симметричное движение обеими руками часто одна рука перемещается дальше другой.

Все движения классифицируются по виду, назначению и степени задействованных биомеханизмов. Биомеханическая классификация подразумевает движение рук, ног, корпуса тела и головы. С точки зрения теории машин и механизмов конструкция человеческого тела, а именно суставы представляют собой кинематические пары определённых классов.

Подвижность механизма П определяется по формуле:

,

где: n–количество подвижных костей, k–количество суставов определённого класса, i=3–5.

Для человека n=148, количество суставов с тремя степенями свободы 29, суставов четвёртого класса с двумя степенями свободы 33 и суставов пятого класса с одной степенью свободы 85. Таким образом, для всей двигательной системы человека число степеней свободы составляет всего лишь: П=6148–293–334–855=244. Для рук она равна 30 единицам, т.е. руки являются наиболее подвижной частью человеческого "механизма". Для операторов, работающих с VDT, наибольшее значение имеет подвижность рук (пальцев и кисти; пальцев, кисти и предплечья; пальцев, кисти, предплечья и плеча) и особенно пальцев, а в транспортной деятельности также ног и туловища. Уровень подвижности суставов зависит от пола, положения и характера движений в рабочем процессе.

По Мак–Конейллу все 244 степени свободы используются на совершение всего двух видов движений суставов–кручение и вращение. Последовательность движений, когда сумма движений в суставе составляет 180⁰, называется эргономическим циклом.

По назначению движения делятся на три группы:

1. управляющие движения, с помощью которых исполняется воздействие на орган управления;

2. познавательные движения, направленные на изучение объектов и процессов, включают ощупывание, измерение и т. д.;

3. приспособительные движения: установочные, стабилизирующие и др.

В операторской деятельности превалируют управляющие движения. Количество и характер их определяют физическую нагрузку человека в процессе работы. Максимальная нагрузка наряду с минимальной может привести к уменьшению подвижности суставов (артрит) к 45 годам. Оптимальная нагрузка позволяют сохранить и улучшить к концу смены функциональные возможности организма за счёт тренировки работающих частей тела, повысить производительность труда. Добиться этого уровня и соответственно уменьшить утомляемость оператора можно путём соблюдения следующих принципов экономии движений:

• непрерывности, означающий, что каждое движение должно быть естественным продолжением предыдущего;

• параллельности, подразумевающей одновременность выполняемых движений конечностей (рук, рук и ног, рук и корпуса);

• благоприятных траекторий. Наиболее оптимальными являются симметричные, плавные и непрерывные движения по траектории эллипса и круга. Прямолинейные, несимметричные, зигзагообразные движения способствуют увеличению утомляемости;

• оптимальной интенсивности при допустимом уровне физической и умственной нагрузки;

• ритмичности, заключающийся в регулярной повторяемости движении через равные промежутки времени;

• стереотипности, обеспечивающей автоматизм (динамический стереотип действия) выполнение действий благодаря понятному и отработанному тренировкой алгоритму, в результате которой вырабатываются.

На рабочих местах характер и интенсивность движений изучаются методами: фотографирования, замедленной кино– или видеосъёмки, хроноциклографии (фотографирования рук работающего с закреплёнными датчиками), зарисовки траекторий движения и т. д.

Чувство силы (сопротивления). Это качество направлено на оценку мышечной силы, необходимой для совершения движений или для удержания сустава в определенном положении. Силовые характеристики основных работающих частей тела приведены в табл. 3.17.

Из приведённых данных следует, что существует мануальная (силовая) асимметрия, при которой правая сторона обычно сильнее левой на 10%, для "левшей" – наоборот. Каждый конкретный профиль асимметрии отражает специфику структурно – функциональной организации мозга. Наиболее простой тест определения моторной асимметрии –"проба Наполеона", заключающаяся в сложении рук на груди. Рука, оказывающаяся сверху, определяет доминантность полушария.

Ф

Таблица 3.17.

Показатели силы кинестетического

анализатора

Группа мышц	Сила, Н
	Мужчина	Женщина
Мышцы кисти (при сжатии динамометра) руки: правой	380	220
левой	360	200
Бицепс руки: правой левой	280 270	130 130
Сгибательная мышца кисти руки: правой левой	280 270	210 200
Разгибательная мышца кисти руки: правой		180
левой	210	170
Мышцы большого пальца руки: правой	120	80
левой	100	80
Становые мышцы , выпрямляющие согнутое туловище)	1200	700

изическая сила изменяется также с возрастом: увеличивается до 25–30лет и сохраняется в интервале от 5 до 10 лет, а далее уменьшается, составляя к 60 годам 70–80% от максимального уровня. При тренировках мышечного аппарата силовые характеристики уменьшаются только на 10–20%. Однако, механическая прочность связок и сухожилий в процессе тренировок увеличивается медленно, поэтому при резких подъёмах тяжелых предметов, во время ремонта оборудования, переключения заклинивших рычагов увеличивается вероятность травматизма. При оптимальном режиме работы, основанном на постепенном увеличении нагрузки, прочность и растяжимость связок, сухожилий увеличивается и поддерживается на уровне, необходимом для выполнения требуемых операций. В целом, для чувства силы характерна большая точность и воспроизводимость.

Скоростные характеристики взаимосвязаны с силой, точностью и направлением движений. В общем случае время движения определяется по формуле:

где А —амплитуда движения; с— размер органа управления; а и b–постоянные, зависящие от усилий; L–расстояние перемещения руки в направлении к ОУ. Параметры определения скорости движения в зависимости от их вида приведены в табл.3.18

Из табличных данных следует, что наибольшей скорость отличаются дискретные и ударные движения. Первостепенное значение в операторской практике имеют скоростные характеристики пальцев кисти для которых первостепенно движений удара или касания.

При этом пальцы, как самые подвижные элементы тела, обладают наиболее высокими скоростными показателями. Исследованиями доказано, что интервал между движениями: одного и того же пальца–0,09с, разных пальцев одной руки —0,03с, пальцев разных рук—0,02с.

Таблица 3.18

Скоростные характеристики движений рук

Движения	Характеристика движения	Оценка скоростных характеристик движения
Поступательные в режиме фиксации	Время движения, с
Поступательные в свободном режиме		t = 0,16 + 0,006А
Вращательные	Частота вращения, об/с	Максимальная: для ведущей руки — 4,83 для неведущей руки — 4,0 Оптимальная при усилии до 50 Н радиусом до 50 мм — 2,21 радиусом до 100 мм — 1,67
Нажимные	Темп, нажим в секунду	При усилии до 0,25 Н: для ведущей руки — 6,68 для неведущей руки — 5,30 При усилии до 4 Н: для ведущей руки — 6,14 для неведущей руки — 5,59
Ударные	Темп, удар в секунду	Максимальный –14,0 средний — 8,5 Оптимальный–1,5–5,0
Дискретные	Интервал между сигналами	Не менее 0,5 с

Точностные характеристики движения оператора важны в условиях отсутствия визуального подкрепления действия, обусловленного большим количеством ОУ, объёмом контролируемой информации, темновыми условиями наблюдения и т.п. Средняя ошибка попадания в заданную точку пространства отражена на рис.3.11. С увеличением диаметра окружности пропорционально увеличивается показатель допускаемой ошибки. Из рисунка следует, что с наибольшей точностью опознаются объекты, расположенные на расстоянии 150—350мм от корпуса и над головой.

Тактильные и кинестетические ощущения имеют большое практическое значение при конструировании ОУ. Так, например, при ножном управлении решающую роль играет не зрительный анализатор, а информация, получаемая оператором от тактильных и кинестетических ощущений. Именно кинестетические ощущения определяют удобную рабочую позу оператора и учитываются при проектировании рабочих мест в целом.