Психомоторика профессионалов и проектирование предметных компонентов эргатических систем

Изучив материал данной главы, студенты должны:

знать эргономические основы проектирования пространственных характеристик рабочих мест, сенсомоторных зон, органов управления, рабочих инструментов, спецодежды и спеце наряжения;

уметь оценивать качества средств груда на основе психомоторных особенностей человека;

владеть информацией о требованиях, нормативах и стандартах проектирования рабочих мест, органов управления, инструментов, спецодежды и спецснаряжения.

Психология и психофизиология движений профессионалов (на примере операторских видов труда)

Во многих современных публикациях психомоторный процесс в операторской деятельности понимается как целостная система, функционирующая по кольцевой схеме управления (регуляции), в которой различают психологическую и исполнительную составляющие. Психологическая составляющая операторской деятельности достаточно полно описана в гл. 17 и 18 в виде процессов восприятия (зрительного, слухового и др.), памяти, внимания, переработки информации, мышления, принятия решений и др.

Исполнительная часть операторских действий обеспечивается функциями нервно-мышечной и опорной систем человеческого тела, представляющими собой сложный биомеханический механизм с разноуровневыми системами управления в ЦНС, позволяющий реализовать большое разнообразие целенаправленных моторных действий. Моторная активность в операторской деятельности реализуется в основном конечностями человеческого тела, состоящими из отдельных «кинематических звеньев»^[1] (таких как пальцы, кисти, предплечье и плечо руки), шарнирно сочлененных между собой в суставах и образующих кинематические цепи рук и ног. Мышцы и опорная система туловища (торса) в большинстве случаев обеспечивают основные (базовые) опорные функции, способствующие успешной реализации планируемого психомоторного действия.

Звенья кинематической цепи имеют различное функциональное назначение, например пальцы и кисти рук предназначены для выполнения точных, быстрых (скоростных) и коротких (малоамплитудных) движений.

Строение (форма, размеры, вес), сократительные характеристики мышц-антагонистов и их расположение на звеньях кинематической цепи подчинены принципу функциональности, состоящему в минимизации инерционной массы (веса) конечного звена кинематической цепи. Например, мышцы, приводящие в движение пальцы и кисть руки, расположены в конце предплечья (ближе к туловищу). Наибольшей массой и силой обладают мышцы туловища. Мышцы, расположенные на звеньях кинематической цепи, по мере их удаления от туловища, имеют тенденцию к уменьшению массы и силы сокращения, а показатели скорости и длины (амплитуды) сокращения мышц — к увеличению. Приведенные принципы, заложенные в конструкции кинематической цепи руки человека, сходны с эргономическими нормами и требованиями, учитываемыми при проектировании протезов, манипуляторов, роботов и других подобных систем.

Исполнительная система человека имеет определенные функциональные возможности и ограничения.

К числу ее достоинств прежде всего следует отнести возможность перемещения предметов дистальным звеном кинематической цепи руки (кистью) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и вращение вокруг осей, перпендикулярных этим плоскостям (таким образом, кисть имеет шесть степеней свободы). Высокие адаптационные свойства исполнительной системы человека по отношению к различным условиям трудовой деятельности обеспечивают необходимые точностные, скоростные, силовые и временные характеристики моторного действия.

К недостаткам и принципиальным ограничениям опорно-двигательного аппарата человека можно отнести:

• • пределы угловых поворотов суставных сочленений, определяющих размеры досягаемости различных зон моторного поля;
• • инерционно-гравитационные факторы;
• • сложности управления многозвенной кинематической системой, которые проявляются в вариативности пространственных и временных параметров целенаправленных движений человека, и пр.

Источником движений человеческого тела или его частей являются усилия, возникающие при мышечных сокращениях. Соответствующие характеристики движений называют силовыми (или динамическими).

Выполнение целевого моторного действия — сложнейший процесс организации во времени дозированных усилий большинства мышц тела человека. Часть мышц непосредственно участвует в реализации трудового задания, а другая (как правило, большая часть), в результате соответствующей «позной» активности, обеспечивает успешное решение двигательной задачи. Вместе с тем для мышечной системы характерна определенная нестабильность в силовых реакциях на стимул в зависимости от функциональных состояний работника, температуры окружающей среды и других внутренних и внешних факторов. В процессе двигательной активности возможны значительные искажения информации, поступающей от суставных, сухожильных, проприоцептивных и других сенсорных каналов, в результате действия таких внешних факторов, как инерционные силы, реактивные силы, силы противодействия (сопротивления) и силы гравитации. Нестабильность выполняемого рабочего движения человека может иметь место вследствие возникновения временных задержек, свойственных структурам нервной системы, при проведении нервного импульса от рецепторов в соответствующие отделы мозга через спинномозговые механизмы и обратно к мышцам. Так, отклонение от заданного значения в плечевом суставе на несколько градусов приведет к отклонению конца кинематической цепи от цели на десятки сантиметров, а моменты начала и завершения моторного действия могут существенно отличаться от заданных.

Несмотря на обозначенные выше потенциальные недостатки исполнительной системы, в целом моторные действия выполняются в большинстве случаев с достаточно высокой эффективностью благодаря двум действующим совместно механизмам — антиципации и сенсорных коррекций.

Принцип сенсорных коррекций, сформулированный Н. А. Бернштейном, объясняет механизмы внесения корректив в программу выполняемого движения.

В случае отклонения движения от реализуемой программы (выявляемого на основе анализа сенсорной информации в ЦНС) вырабатываются и вносятся соответствующие коррекции в программу моторного действия. Сенсорные коррекции, непрерывно выполняющие функцию контроля и изменения программы выполняемого движения, практически решают в необходимой степени проблему эффективности и надежности произвольных моторных действий.

Причинами отклонения реализуемого движения от заданных параметров могут быть временные задержки в ЦНС, возникающие в результате проведения афферентных сигналов к соответствующим отделам мозга, сложности их переработки и передачи эфферентных сигналов (команд) исполнительному механизму.

Каждое трудовое моторное действие за исключением коротких во времени непроизвольных поведенческих актов (защитных, реакций избегания и др.) имеет внутреннюю структуру, состоящую из элементов выполняемого моторного действия, обладающих особыми временными характеристиками, адекватными сенсорным коррекциям моторного действия.

Временные задержки являются значимым дестабилизирующим фактором для моментов начала и окончания каждого трудового действия. От точности соблюдения времени начала и завершения моторных действий, входящих во временную структуру производственного процесса, во многом зависит эффективность производства. Вместе с тем информация, поступающая по сенсорным каналам, идет с определенной временной задержкой, по сути, в ЦНС передаются сведения об уже свершившихся фактах. Для нивелирования этих и вышеобозначенных временных задержек необходимы упреждающие сенсорные коррекции, которые определяются такой способностью психики человека к предвосхищению будущего результата действия, как антиципация; данная способность психики обозначена Н. А. Бернштейном как механизм формирования «модели потребного будущего» [2]. Аналогичная антиципации способность обозначена в работах П. К. Анохина как мозговой механизм опережающего отображения результата, или «акцептор результата действия». Его функциональная схема представлена на рис. 6.1 (Г) [11.

Рис. 6.1. Общая архитектура функциональной системы:

О, А — обстановочная афферентация; ПА — пусковая афферентация; А — афферентный синтез; Б — принятие решения; В — формирование акцептора результатов действия и афферентной программы самого действия; Г — Д — получение результатов действия и формирование обратной афферентации для сличения полученных результатов с запрограммированными Принцип сенсорных коррекций лежит в основе уровневой схемы построения движений и кольцевой схемы управления движениями, представленными в работах Н. А. Бернштейна.

Кольцевая схема управления движениями и механизм, обеспечивающий сенсорные коррекции (состоящий из элементов 2, 3 и 4), представлены на рис. 6.2 [2]. Для удобства обозначения процессов управления в схеме используются следующие краткие термины, утвердившиеся в немецкоязычной научной литературе: требуемое значение — Sw (Sollwert); фактическое значение — Iw (Istwert); расхождение между Sw и Iw. Система работает следующим образом. Программа моторного действия развертывается во времени от элемента — «задающий прибор 2» (Sw). Информация о фактическом значении сигнала на периферии поступает от «рецепторов 3» (Iw) на «задающий прибор» и «прибор сличения 4», где сличается с программой «результаты действия». От «прибора сличения 4» (Aw) скорректированная программа через прибор «перешифровка 5» и «регулятор 6» поступает на «эффектор 1».

Рис. 6.2. Простейшая блок-схема аппарата управления движениями:

1 — эффектор (мотор), работа которого подлежит регулированию по данному параметру; 2 — задающий прибор, вносящий тем или другим путем в систему требуемое значение регулируемого параметра; 3 — рецептор, воспринимающий фактические текущие значения параметра и сигнализирующий о них каким-либо способом в прибор сличения; 4 — прибор сличения, воспринимающий расхождение фактического и требуемого значений с его величиной и знаком; 5 — устройство, перешифровывающее данные прибора сличения в коррекционные импульсы, подаваемые по обратной связи на регулятор; б — регулятор, управляющий по данному параметру функционированием эффектора Приведенная кольцевая схема управления движениями, имея возможность сличения требуемых значений программы с фактическими значениями результатов выполняемого движения и ее коррекции, обеспечивает реализацию принципа сенсорных коррекций на всех уровнях построения движений (по Н. А. Бернштейну) и имеет все средства и возможности решения задач, связанных с антиципацией.

Предложенная Ы. А. Бернштейном модель потребного будущего основана на активности субъекта по достижению того, что должно стать или как должно быть. Модель потребного будущего предшествует действию и определяет последующие действия. Реализация модели потребного будущего может включать в различных сочетаниях такие механизмы, как сенсорные коррекции, антиципации и экстраполяции. Перечисленные модели, механизмы и концепции регуляции двигательных актов нашли свое отражение в уровневой теории построения движений Н. Л. Бернштейна [21. Уровневая теория, обладая определенной универсальностью, позволяет описать и изучить практически все классы двигательных проявлений человека, в том числе и трудовые.

Большинство рабочих (трудовых) движений человека-оператора относится к числу управляющих и контрольных действий. В управляющих моторных действиях различают следующие классы: действия включения, выключения и переключения, ограниченные во времени. Этим движениям могут предшествовать сложные подготовительные действия; повторяющиеся в определенном темпе последовательные ряды, связанные с кодированием и передачей информации; настройки аппаратуры, манипулирование управляемым объектом при помощи органов управления при необходимости дозирования движений по различным параметрам; слежение и контроль за движущимися и изменяющимися объектами. Движения относятся к классу непрерывных по выполняемым перцептивномоторным задачам. Наибольшее количество управляющих моторных действий в операторской деятельности, требующих дозировки силы, скорости, точности и амплитуды движения, выполняется руками.

Основные параметры мануальных (ручных) движений оператора приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Скоростные характеристики движений рук

Силовые характеристики движений рук человека-оператора приведены в табл. 6.2.

Таблица. 6.2

Усилия F_om F_max, которые могут развить руки человека, Н

Усилия, прикладываемые к органам управления человеком-оператором в течение рабочего дня, не должны превышать 8—10% от максимальной силы при статической работе и 10—14% при работе динамической (табл. 6.3).

Рекомендуемые усилия на органы управления

Таблица 6.3

• [1] Кинематические звенья — части тела, изменяющие свое положение в пространствеотносительно других тел с течением времени без учета причин, вызывающих эти перемещения.