Эргонометрические и биотехнические аспекты разработки и применения тренажерных систем (96

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Г.А. Мысина, Ю.Г. Герцик, Г.Я. Герцик

ЭРГОНОМЕТРИЧЕСКИЕ И БИОТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 220101 «Эргономика»

М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2 0 0 8

УДК 331.015.11 ББК 30.17

М95

Рецензенты: Т.А. Каримов, Е.В. Матвеев

Мысина Г.А., Герцик Ю.Г., Герцик Г.Я.

М95 Эргонометрические и биотехнические аспекты разработки и применения тренажерных систем: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 24 с.

ISBN 978-5-7038-3127-4

В пособии дан краткий анализ эргонометрических и биотехнических подходов к разработке тренажерных систем с учетом их функциональных возможностей и принципов, закладываемых в основу их разработок.

Для студентов специальности «Эргономика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, аспирантов, специалистов соответствующего профиля.

УДК 331.015.11 ББК 30.17

Учебное издание

Мысина Галина Анатольевна Герцик Юрий Генрихович Герцик Генрих Яковлевич

Эргонометрические и биотехнические аспекты разработки и применения тренажерных систем

Редактор Е.К. Кошелева Корректор М.В. Самохина

Компьютерная верстка О.В. Беляевой

Подписано в печать 22.01.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 100 экз. Изд. № 68.

Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время все большее значение приобретают вопросы сохранения и укрепления здоровья человека на основе использования его внутренних резервов [1–6]. Значительное место в решении этого вопроса отводится физической культуре, спорту и интенсивно развиваемому в последнее время фитнесу. Под физической культурой понимается выполнение упражнений, направленное на сохранение и укрепление здоровья человека, более полное развитие физических функций организма, под спортом – любительские или профессиональные занятия в целях достижения максимально возможного для занимающегося индивида результата

визбранном виде соревнований [4]. Фитнес – система физических упражнений, выполняемых в основном с применением технических средств при постоянном контроле за основными показателями функционального состояния систем и органов человека, коррекции (при изменении этих показателей) величины и времени действия нагрузки в целях как физической тренировки отдельных органов и систем, так и укрепления здоровья [6–9].

ВМГТУ им. Н.Э. Баумана всегда огромное внимание уделялось охране здоровья студентов, при этом оздоровительные мероприятия проводились с привлечением теории биотехнических систем [10–13]. На новом уровне, с учетом здоровьесберегающих технологий, а также валеологии (как науки о здоровом образе жизни) эти работы проводятся в МГТУ им. Н.Э. Баумана в настоящее время [14–17].

Здоровье любого человека в цивилизованных странах рассматривается как общенациональная ценность, во многом, однако, зависящая от самого человека и от взаимодействия его с внешней средой [1–3, 14–17]. В связи с распространением такого страшного асоциального явления, как наркомания, и связанных с ней инфекционных заболеваний, в частности гепатита и ВИЧ-инфици- рования [15, 17], актуальной стала задача повышения устойчивости организма человека к возбудителям этих заболеваний.

Врешении этой задачи огромное значение имеет укрепление иммунной системы человека [18], в том числе путем систематиче-

3

ских, определенной направленности (в зависимости от исходного состояния организма) занятий физическими упражнениями. Большинство таких занятий проводится с привлечением тренажерных систем. При использовании многих методик проведения занятий имеется необходимость в разработке таких тренажерных систем, с помощью которых можно было бы получать дополнительную информацию о степени и характере влияния физических нагрузок на деятельность отдельных систем и органов человека. Нагрузки в этом случае рассматриваются как внешние воздействующие факторы, и требуется определить эффективность адаптации к ним организма человека [19–25].

Актуальными, по мнению авторов пособия, являются и вопросы разработки тренажерных систем для поддержания работоспособности и здоровья человека как при занятиях физической культурой и спортом, так и при выполнении работ в экстремальных условиях (например, в космосе [26–28]), в различных климатических и географических зонах, а также при прохождении курса восстановительной медицины при активном или пассивном отдыхе [4, 7, 8]. Поддержание работоспособности и восстановление имеющих отклонение от нормы функций организма в этих случаях происходит наиболее эффективно при включении в конструкцию тренажерных систем технических устройств и приспособлений для дозируемого изменения нагрузки и страховки от перегрузок, несовместимых с функциональными возможностями организма человека, занимающегося на тренажере [4, 21–25]. При этом для каждого занимающегося возможно определение его физического состояния и нахождение эффективного способа достижения оптимальных режимов нагрузок [8, 22–25].

4

1.ПРИМЕНЕНИЕ ЭРГОНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМ

При разработке тренажерных систем необходимо учитывать принципы эргономики. Термин «эргономика» (от греч. ergon – работа + nomos – закон) был принят в Англии в 1649 г., когда гpyппa английских ученых положила начало организации Эргономического исследовательского общества. В СССР в 1920-х годах для определения этого направления разработок предлагалось использовать термин «эргология» («наука о работе»), при этом имелись в виду только научные исследования и недостаточно учитывалась их практическая значимость. В настоящее время в РФ принят английский эквивалент термина.

Основными задачами эргономики являются:

•описание характеристик человека как компонента автоматизированной системы. Речь идет об особенностях восприятия информации, памяти, принятия решений, об исследовании возможностей реализации различных видов движений, оценке готовности к прогнозируемому или непрогнозируемому воздействию со стороны внешней среды, к влиянию многообразных изменений психофизиологических состояний человека, в том числе стрессовых, депрессивных и т. д.;

•проектирование новых средств передачи информации, относящихся преимущественно к обеспечению взаимодействия человека и машины (в данном случае – тренажерной системы). К таким средствам относятся визуальные и слуховые индикаторы, органы управления, специальные входные устройства ЭВМ и т. д.;

•задачи системного характера, связанные с распределением функций между оператором и машиной, которые позволяют решать проблемы оценки надежности системы в целом, точности и стабильности работы оператора, исследовать влияние психической напряженности, утомления, эмоциональных факторов и особенностей нервно-психической организации оператора на эффективность его деятельности в системе «человек – машина».

При рассмотрении различных аспектов применения принципов эргономики для разработки тренажерных систем крайне важным

5

является синтез этих принципов с основными положениями теории биотехнических систем: адаптивность к воздействующим факторам; сочетание живых систем и технических решений; многофункциональность и многочисленность информационных связей, обеспечивающих эффективное функционирование биотехнических систем [12, 13].

Приняв терминологию, применяемую при разработке эргонометрических систем, к которым относятся и биотехнические тренажерные системы, необходимо отметить, что изучение систем «человек – машина» может и должно осуществляться как изучение единого функционального целого. Такой подход позволяет использовать при разработках как эргонометрические принципы, так и основные положения теории биотехнических систем, что обеспечивает высокое качество разработок и расширяет их функциональные возможности.

Кроме того, эргономика органически связана с художественным дизайном, целью которого является формирование гармоничной предметной среды, отвечающей материальным и духовным потребностям человека [6, 19, 20, 24, 25, 29, 30].

2.ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ИСТРУКТУРА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАТОРА В ЭРГОНОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Сучетом принципов эргономики деятельность человека рассматривается как процесс преобразования информации и энергии, происходящий в системе «человек – машина». Таким образом, эргонометрические исследования и рекомендации должны основываться на исследованиях закономерностей психических и физиологических процессов, лежащих в основе определенных видов трудовой деятельности, физической культуры и спорта, реабилитационной и восстановительной медицины (в случае исследования эффективности применения тренажерных систем), на изучении особенностей взаимодействия человека с технической системой и с окружающей сре-

дой [8, 20, 23–33].

В основе информационных и энергетических преобразований, представляющих собой суть физического воздействия на предмет труда (нагрузочное устройство тренажерной системы), лежат процессы взаимодействия в биотехнической системе [12, 13, 22]. Человека, работающего с применением машины, называют операто-

6

ром, и это определение может быть применено и к спортсмену (тренеру), и к пациенту (медицинскому работнику), проходящему курс восстановительной медицины с применением тренажерных устройств. Оператор, используя заданные программы работ (нагрузок), обеспечивает адекватное физиологическим возможностям организма функционирование системы и выполнение возложенных на нее задач, а также наблюдает и оценивает результаты их реализации с применением информационных моделей [19, 20]. В случае, когда роль оператора выполняет спортсмен или пациент, проходящий курс восстановительной медицины, в наблюдениях и оценке результатов, как указывалось, могут принимать участие тренер или медицинский персонал.

Объем информации, включаемой в информационную модель, и правила ее организации должны соответствовать задачам и способам управления машиной (тренажерной системой), динамике внешних воздействий окружающей среды, физиологическим возможностям человека. Физически модель реализуется с помощью устройств отображения информации (дисплей, экран монитора, показания шкал приборов и. т. п.).

Наиболее существенной особенностью использования человеком информационной модели является необходимость соотнесения сведений, получаемых с помощью приборов, экранов и т. п., как между собой, так и с реальными характеристиками машины (тренажерной системы) и оператора, которые могут изменяться в зависимости от изменения внешних условий, и не были учтены в применяемой информационной модели в силу объективных причин.

Кроме информационной модели в процессе разработки эргонометрической системы должна создаваться и концептуальная модель [19, 20], представляющая собой продукт осмысления оператором образов и представлений в каждой конкретной сложившейся ситуации с учетом стоящих перед ним задач. В отличие oт информационной модели концептуальная модель соотносится с психологическими особенностями деятельности оператора и зависит от психофизиологического состояния оператора, наличия у него опыта в решении аналогичных задач.

Первый этап переработки информации, включающий операцию соотнесения элементов информационной модели с образами и представлениями, которые входят в концептуальную модель, является важным при переработке информации человеком. Эту операцию в деятельности оператора называют декодированием. На вто-

7

ром этапе завершающей операцией переработки информации является синтез, т. е. организация полученных после декодирования сведений в целостную систему взаимосвязанных характеристик.

Третий этап включает анализ полученных и имеющихся ранее у оператора данных. Благодаря этому оператор имеет возможность дополнить текущие данные имеющимися у него знаниями о возможных состояниях объекта управления [19, 20, 29, 30]. Четвертый этап – исполнение принятого решения посредством определенного действия (системы действий) или отдачи соответствующих распоряжений. Пятый этап – контроль за результативностью исполнения принятого решения.

Первые два этапа называют «информационным поиском», последние три объединяют понятием «обслуживание». Разумеется, четкую границу между информационным поиском и обслуживанием можно провести лишь условно. В реальной работе оператора информационный поиск и обслуживание взаимообусловлены, так как от принятого решения зависит направление следующего шага информационного поиска. В свою очередь, результаты информационного поиска оказывают влияние на точность и скорость регулирующего действия [19, 20, 29–32].

Сочетание биотехнического подхода к решению методологических и технологических задач, основоположниками которого являются профессора В.М. Ахутин, В.И. Лощилов, Е.П. Попечителев [12, 13], и эргонометрического [19, 20, 30–32] позволяет проводить проектирование технических средств с учетом психофизиологических особенностей человека, достижений эргономики и современного дизайна. Результатом развития этого направления, в частности, являются тренажерные системы, разрабатываемые, в том числе, и на кафедре «Валеология» МГТУ им. Н.Э. Баумана

[23–25, 27–29, 33].

Необходимо подчеркнуть, что тренажерные системы, имитируя, в частности, нагрузки, воздействующие на человека при определенных видах его взаимодействия с окружающей средой, обеспечивают возможность тренировки адаптации человека к таким взаимодействиям, а при интенсивном научно-техническом прогрессе, характерном для современного общества, адаптация человека к изменяющимся условиям внешней среды приобретает особую значимость. В ходе социально-экономических и технических преобразований человек создает искусственную жизненную среду, нередко значительно отличающуюся от естественной, в которой он находился раньше. В ходе эволюционного развития способностей

8

человека и опережающего, часто революционного научно-техни- ческого прогресса эта среда усложняется, совершенствуется [4, 6, 16, 22], и человек не всегда может самостоятельно, без предварительной подготовки, адаптироваться к ней. Приобретенные с помощью тренажерных систем навыки позволяют ему быть более адекватным к воздействиям внешней среды. Роль развития таких адаптационных способностей человека крайне важна и потому, что способность человека быстро приспосабливаться к внешним условиям в большинстве случаев позволяет ему избежать стрессовых явлений, а в ряде случаев и депрессий, обусловленных неудовлетворенностью от невыполненных или выполненных некачественно возникших перед ним задач в профессиональной деятельности, в спорте, в других видах активности, вызванных изменениями внешней среды.

Многочисленными работами физиологов и медиков показано, что одним из объективных показателей адекватного психофизиологического состояния человека является эффективное функционирование сердечно-сосудистой системы, выражающееся в частоте пульса. Как правило, в покое частота пульса колеблется между 60 и 80 ударами в минуту. Однако она зависит от времени суток, возраста, уровня атмосферного давления и ряда других факторов. По мере нарастания интенсивности физической работы частота пульса увеличивается. Принято считать, что после 180 ударов в минуту частота пульса уже не может значительно возрастать (критическая частота пульса по Венкебаху), хотя при комбинированном действии некоторых факторов, например высокой температуры и физической нагрузки, наблюдались случаи, когда частота пульса достигала 280 ударов в минуту.

Интерпретация этих данных такова: если при выполнении физической работы заданной интенсивности частота пульса отклоняется от нормы не более чем на 10 %, то следует считать, что сер- дечно-сосудистая система обеспечивает энергетические потребности организма. При большем учащении пульса можно полагать, что имеется нарастание кислородной недостаточности, которая может привести или к снижению интенсивности работы, или к ее прекращению. К сожалению, указанное правило не учитывает эмоционального фактора, воздействие которого на состояние сер- дечно-сосудистой системы весьма значительно и может привести к заметным ограничениям этого правила.

Первое ограничение обусловлено, в частности, тем, что повышение ответственности, даже при выполнении очень легкой физи-

9

ческой работы, может привести к значительному учащению пульса. Второе ограничение правила связано с начальным периодом работы, когда еще не закончилось приспособление организма к характеру предстоящей деятельности, т. е. на стадии гиперкомпенсации. Здесь также частота пульса нередко превышает характерную для данной физической нагрузки.

Следующим показателем адекватного психофизиологического состояния является ударный объем сердца, т. е. количество крови, поступающей в большой круг кровообращения при каждом сокращении сердца. Этот показатель в покое равняется 50…60 мл, увеличиваясь при работе до 150…200 мл. На практике чаще пользуются производной величиной – минутным объемом, т. е. произведением ударного объема на число ударов сердца в минуту.

Более строгие выводы о работоспособности и о психофизиологическом состоянии человека, являющегося структурной составляющей биотехнической и соответственно эргонометрической системы, можно сделать, сравнив частоту пульса и ударный объем сердца. Известно [29, 30], что чем больше увеличение ударного объема опережает частоту пульса, тем выше потенциальная работоспособность человека, и наоборот, уменьшение ударного объема при увеличении частоты пульса говорит о сниженной работоспособности.

Важным показателем состояния сердечно-сосудистой системы является значение артериального давления (максимальное, минимальное). Исходным максимальным (систолическим) давлением у людей в возрасте 20–40 лет является 110…120 мм рт. ст., а минимальным (диастолическим) – 60…80 мм рт. ст. По мере увеличения интенсивности физической нагрузки максимальное давление растет, минимальное меняется по-разному, в зависимости от реакции периферических сосудов. При хорошо выраженной реактивности сосудов минимальное давление может снижаться, хотя в большинстве случаев оно также несколько возрастает.

Существенным фактором, также характеризующим психофизиологическое состояние человека, является и функционирование дыхательной системы человека. Для оценки состояния дыхательной системы наиболее часто используют такие показатели, как частота дыхания и величина легочной вентиляции в минуту (минутный объем дыхания). По своей информативности второй показатель более значим. Величина легочной вентиляции зависит в первую очередь от расхода энергии в процессе работы, который определяют по потреблению кислорода и выделению углекислоты.

10