第三章第三節(jié)人體生物力學(xué)特性=安全人機(jī)工程學(xué)=湖南工學(xué)院

第三章

第三節(jié)人體生物力學(xué)特性本節(jié)內(nèi)容：一人體各部分的操縱力二人體運(yùn)動(dòng)的速度與準(zhǔn)確度三

人體用力及其影響因素一

人體各部分的操縱力內(nèi)容：（一）人體操縱力特性（二）手的操縱力（三）腳的操縱力（一）人體操縱力特性骨—運(yùn)動(dòng)的杠桿關(guān)節(jié)—運(yùn)動(dòng)的樞紐肌肉—運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力1、肌力肌力：肌肉的力量來自肌肉收縮肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力稱為肌力。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。女性的肌力比男性低20%-30%；慣用右手者右手肌力比左手高約10%；慣用左手者左手肌力比右手高約6%-7%。

2操縱力

在作業(yè)中，為了達(dá)到操作效果，操作者有關(guān)部位（手、腳、軀干等）所施出的一定大小的力叫操作力。工作的操縱力主要是臂力、握力、指力、腿力或腳力，有時(shí)也用到腰力、背力等。立姿彎臂時(shí)的力量分布

3影響操縱力的因素

操縱力與施力的人體部位、施力方向和指向（轉(zhuǎn)向），施力時(shí)人的體位姿勢(shì)、施力的位置、施力時(shí)對(duì)速度、頻率、耐久性、準(zhǔn)確性的要求等多種因素有關(guān)。決定操縱力的因素：肌力、施力的姿勢(shì)、部位、方式和方向。（二）手的操縱力1坐姿操縱力手臂操縱力的一般規(guī)律：（1）左手力量小于右手；（2）手臂處于側(cè)面下方時(shí)，推拉力都較弱，但其向上和向下的力較大；（3）拉力略大于推力；（4）向下的力略大于向上的力；（5）向內(nèi)的力大于向外的力。坐姿時(shí)手臂的操縱力的測(cè)試方位

表3-1坐姿時(shí)手臂在不同方向上的操縱力

2立姿操縱力立姿操縱時(shí)，手臂在不同角度上的拉力和推力分布如圖3-3所示。圖3-3立姿操作時(shí)手臂在不同角度上

的拉力和推力分布拉力推力

2立姿操縱力由圖可知，最大拉力產(chǎn)生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力則產(chǎn)生在肩的上方0°方向上。所以，以推拉形式操縱的控制裝置，安裝在這兩個(gè)部位時(shí)操縱力最大。

3握力一般人右手的握力大于左手。一般青年男子右手平均瞬時(shí)最大握力約為550N，左手約為421N。保持1min后，右手平均握力降到274N，左手降至244N。可見，握力與手的姿勢(shì)和施力持續(xù)時(shí)間有關(guān)。人們?cè)趧趧?dòng)過程中，要使用各種手持工具進(jìn)行操作，如鉗子、鑷子、鋤頭、斧頭等等。手持工具把柄的外形、大小、長(zhǎng)短、重量以及制造材料除應(yīng)滿足操作的要求外，還要符合操縱者的生理特點(diǎn)和生物力學(xué)特點(diǎn)，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

3握力在人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮操作者的握緊強(qiáng)度。握緊強(qiáng)度是人能夠施加在手柄上的最大握緊力（可用測(cè)力計(jì)測(cè)量）。在設(shè)計(jì)手工工具、夾具和操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，都需考慮握緊強(qiáng)度的數(shù)值。年齡在30歲以上時(shí)，可用下式（5-1）近似計(jì)算手操縱的握緊強(qiáng)度。

式中

——手操縱握緊強(qiáng)度，N；——年齡，周歲。表5-2男女不同年齡段握力表5-3應(yīng)用手柄操縱時(shí)最合適的力手的操縱力與手動(dòng)操縱器的布置由于手臂彎曲時(shí)，手在人的前方活動(dòng)能發(fā)揮出較大的操縱力，所以操縱機(jī)構(gòu)布置在操縱者的正前方可以得到最好的操縱。操作者站時(shí)臂伸直的最大拉力產(chǎn)生在180°的位置上，即產(chǎn)生在垂直向上拉的位置上。所以需要向上拉的操縱機(jī)構(gòu)布置在下面能得到最大操縱力，操作者站立時(shí)臂伸直的最大推力產(chǎn)生在0°的位置上，即垂直向上推的位置上，但由于受空間、設(shè)備和人的習(xí)慣所限，不在此方向布置操縱機(jī)構(gòu)。手的操縱力與手動(dòng)操縱器的布置人在伸直前臂時(shí)向前推較向側(cè)面推所產(chǎn)生的力大一些，所以推力操縱的機(jī)構(gòu)盡量布置在操作者的前面（即最佳位置）一般人在平穩(wěn)動(dòng)作時(shí)，手臂所產(chǎn)生的最大操縱力可達(dá)800N，人在猛烈瞬間動(dòng)作時(shí)，所產(chǎn)生的最大操縱力可達(dá)1000～1100N。正常情況下用手操縱時(shí)，操縱機(jī)構(gòu)所需要的操縱力不應(yīng)大于127～150N，否則不能持久工作，且極易出現(xiàn)疲勞，若在這種情況下，繼續(xù)堅(jiān)持勞動(dòng)，則可能導(dǎo)致事故發(fā)生。（三）腳的操縱力在生產(chǎn)中，用腳操作的情況很多。最常見的是汽車的離合器踏板和剎車踏板，縫紉機(jī)踏板，加工機(jī)械（如沖床、蒸汽錘等）的腳踏控制裝置等。腳產(chǎn)生力的大小與下肢的位置、姿勢(shì)和方向有關(guān)。下肢伸直時(shí)腳所產(chǎn)生的力大于下肢彎曲時(shí)腳產(chǎn)生的力。坐姿有靠背支持時(shí)，腳可產(chǎn)生最大的力；立姿時(shí)，腳的用力比坐姿時(shí)用力大。（三）腳的操縱力一般坐姿時(shí)，右腳最大蹬力平均可達(dá)到2568N，左腳為2362N。據(jù)測(cè)定膝部伸展角在130°～150°或在160°～180°之間時(shí)，腿的出力最大，腳產(chǎn)生的操縱力一般都是以壓力的形式出現(xiàn)，壓力的大小隨著腳離開人體中心對(duì)稱線向外偏轉(zhuǎn)的程度有關(guān)圖5-4為腳在各個(gè)角度時(shí)出力及其比值。不同體位下腳的蹬力及在各個(gè)角度時(shí)的壓力比值一般地說，在坐姿的情況下，腳的伸展力大于屈曲力，右腳的操縱力大于左腳的操縱力，男的腳力大于女的腳力。表3-4為腳的操縱力比較。腳別屈曲力伸展力男女男女右腳左腳326299234209478421344299二人體運(yùn)動(dòng)的速度與準(zhǔn)確度內(nèi)容：（一）肢體的動(dòng)作速度（二）人體運(yùn)動(dòng)的精度

（一）肢體的動(dòng)作速度肢體動(dòng)作速度的大小，基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。肌肉收縮的速度取決于：1.中樞神經(jīng)系統(tǒng)（根據(jù)需要時(shí)而使慢肌纖維收縮，時(shí)而使快肌纖維收縮，從而改變肌肉的收縮速度）2.肌肉收縮時(shí)所發(fā)揮的力量和阻力的大?。òl(fā)揮的力量愈大，外部阻力愈小，則收縮速度愈快）3.取決于動(dòng)作方向和運(yùn)動(dòng)軌跡等特征（不同的動(dòng)作特點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度影響十分顯著，表5-5至5-7給出人體不同部位運(yùn)動(dòng)速度與頻率值）表3-5人體各部位運(yùn)動(dòng)速度與頻率限度動(dòng)作速度或頻率數(shù)值單位手的運(yùn)動(dòng)控制操縱桿位移手指敲擊的最大頻率旋轉(zhuǎn)把手或駕駛盤身體轉(zhuǎn)動(dòng)手控制的最大諧振截止頻率手的彎曲與伸直腳掌與腳的運(yùn)動(dòng)358.8～173～59.42～29.460.72～1.620.81.0～1.20.36～0.72cm·s-1cm·s-1次·s-1r·s-1次·s-1Hz次·s-1次·s-1

表3-6動(dòng)作速度表動(dòng)作部位動(dòng)作特點(diǎn)動(dòng)作一次最少的平均時(shí)間/s手

直線的

抓取動(dòng)作

旋轉(zhuǎn)動(dòng)作

曲線的

克服阻力

不克服阻力0.070.220.720.22腳直線的克服阻力的0.360.72腿直線的腳向側(cè)面0.360.72～1.45軀干彎曲傾斜0.72～1.621.26表3-7人體各部分的最大頻率動(dòng)作部位動(dòng)作最大頻率/(次·min-1)動(dòng)作部位動(dòng)作最大頻率/(次·min-1)手手指前臂204～406360～431160～292臂腿腳99～344300～373330～400123456

人體軀干和肢體在水平面的運(yùn)動(dòng)比在垂直面的運(yùn)動(dòng)速度快。

垂直方向的操縱動(dòng)作，從上往下的運(yùn)動(dòng)速度比從下往上的運(yùn)動(dòng)速度快。

水平方向的操縱動(dòng)作，前后運(yùn)動(dòng)速度比左右運(yùn)動(dòng)速度快，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比直線運(yùn)動(dòng)更靈活。順時(shí)針方向的操作動(dòng)作比逆時(shí)針方向的操作動(dòng)作，速度更快，更加習(xí)慣。一般人的手操縱動(dòng)作，右手比左手快，而右手的動(dòng)作，向右運(yùn)動(dòng)比向左運(yùn)動(dòng)快。向身體方向的運(yùn)動(dòng)比離開身體方向的運(yùn)動(dòng)，速度更快，但后者的準(zhǔn)確性高。人體運(yùn)動(dòng)速度的規(guī)律（二）人體運(yùn)動(dòng)的精度通常，人體運(yùn)動(dòng)的精度比速度更為重要人體運(yùn)動(dòng)精度主要考慮兩方面的內(nèi)容，即具有視覺反饋的運(yùn)動(dòng)精度和沒有視覺反饋的運(yùn)動(dòng)精度。對(duì)于具有視覺反饋的運(yùn)動(dòng)精度，主要與運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。如果給予足夠的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)精確性都會(huì)較高。對(duì)于沒有視覺反饋的運(yùn)動(dòng)精度的問題就要復(fù)雜一些，也是人機(jī)工程研究的重點(diǎn)。出現(xiàn)沒有視覺反饋的控制，可能是由于當(dāng)時(shí)環(huán)境過于黑暗或者是由于當(dāng)時(shí)人的關(guān)注點(diǎn)不在人的動(dòng)作。還有一種情況是由于運(yùn)動(dòng)速度過快，無(wú)法利用視覺進(jìn)行控制。

盲目定位的準(zhǔn)確性正前方盲目定位準(zhǔn)確性最高；右方優(yōu)于左方；同一方位，下中方優(yōu)于上方。手臂運(yùn)動(dòng)方向?qū)B續(xù)控制運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性影響水平方向，左右運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性高；垂直方向，上下運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性高。不同控制操作方式對(duì)準(zhǔn)確性影響有利于快速、準(zhǔn)確動(dòng)作的安全人機(jī)工程設(shè)計(jì)在進(jìn)行安全人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使動(dòng)作速度、頻率和準(zhǔn)確性、靈活性很好的結(jié)合，必須遵循下面的規(guī)律：(1)人體勞動(dòng)時(shí)，不論長(zhǎng)時(shí)間或短時(shí)間的連續(xù)動(dòng)作，都應(yīng)在最有利的位置開始和結(jié)束。(2)操作者沿曲線的、直線的或不規(guī)則軌跡的動(dòng)作，都應(yīng)該讓操作者的動(dòng)作從容不迫。(3)具有急劇改變方向的曲線或直線的動(dòng)作，應(yīng)該盡量采用流暢而連續(xù)的動(dòng)作。(4)手在水平內(nèi)動(dòng)作比在垂直面內(nèi)的動(dòng)作要準(zhǔn)確(5)人在工作時(shí)動(dòng)作的次數(shù)應(yīng)盡量減少，頻率應(yīng)降低(6)一些重要的作業(yè)盡可能由一個(gè)人的動(dòng)作完成。(7)最重要的和常用的裝置或工具應(yīng)當(dāng)放在最有利范圍之內(nèi)。(8)操縱者的操縱動(dòng)作，按適宜的半徑作圓周運(yùn)動(dòng)比沿直線運(yùn)動(dòng)好。(9)從一個(gè)操縱位置到另一個(gè)操縱位置的動(dòng)作應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，不允許有跳躍式動(dòng)作。(10)如果操作者不可避免地按不正確的軌跡動(dòng)作時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮改變手的動(dòng)作，這時(shí)采用直線形式的軌跡要靈活些。三

人體各部分的操縱力內(nèi)容：（一）人體用力的原則（二）影響人體作用力的因素（一）人體用力的原則1、人用力的一般原則（1）所有動(dòng)作應(yīng)該是有節(jié)律的，各個(gè)關(guān)節(jié)要保持協(xié)調(diào)，則可減輕疲勞。（2）在操作時(shí)，各關(guān)節(jié)的協(xié)同肌群與拮抗肌群的活動(dòng)要保持平衡，才能使動(dòng)作獲得最大的準(zhǔn)確性。（3）瞬時(shí)用力要充分利用人體的質(zhì)量作盡可能快的運(yùn)動(dòng)。（4）大而穩(wěn)定的力量取決于肌體的穩(wěn)定性，而不是肌肉的收縮。（5）任何動(dòng)作必須符合解剖學(xué)、生理學(xué)和力學(xué)的原理，以提高工效。2．人用力的特殊情況（1）肘關(guān)節(jié)肌肉群屈曲時(shí)所產(chǎn)生的力的大小，依賴于手的方向，當(dāng)手掌面向肩部時(shí)，產(chǎn)生的力最大。（2）人體發(fā)出的力，以坐在帶固定靠背的椅子上，兩腳蹬踩時(shí)產(chǎn)生的力最大。（3）提取重物時(shí)，必須用體重與負(fù)荷作對(duì)抗性平衡。(4）坐姿作業(yè)難以向下用力。(5）頭部與脊柱上端在保持平衡的情況下進(jìn)行操作最為有利。否則，易引起疲勞。(6）指、腕、肘、肩關(guān)節(jié)依次活動(dòng)時(shí)，指關(guān)節(jié)力量最小，但精確性最高；肩關(guān)節(jié)力量最大，但精確性最低。(7）用腳施加壓力時(shí)，動(dòng)作的精確性是通過踝關(guān)節(jié)而不是以足跟運(yùn)動(dòng)來控制的。（二）影響人體作用力的因素1、體重體重對(duì)人體作用力的發(fā)揮存在著有利和不利的兩個(gè)方面。例如，在提取地上重物時(shí)，身體及頭部隨重物的被提起而向上移動(dòng)(抗重力)，體重提高了力的使用效率，將物體放置在地面上(向下用力)，站姿比坐姿更好。操作時(shí)應(yīng)盡量避免將力耗費(fèi)在不合理的動(dòng)作和身體的運(yùn)動(dòng)上。圖5-5就說明了這一點(diǎn)。力的合理應(yīng)用力的合理應(yīng)用作業(yè)中動(dòng)作要對(duì)稱，避免因用力過度而破壞身體的穩(wěn)定性；動(dòng)作要有節(jié)奏，防止肢體過度減速而浪費(fèi)能量；動(dòng)作要自然，力求在最合適的肌肉和位置、最自然的關(guān)節(jié)，采取相應(yīng)姿勢(shì)盡量使體重發(fā)揮作用有些工作要求人的各種動(dòng)作必須連續(xù)、準(zhǔn)確、有力、及時(shí)，并使動(dòng)作協(xié)調(diào)才能安全地完成一次，而由于運(yùn)動(dòng)速度不適，力量不夠而造成事故是常有的事控制器應(yīng)能承受靜止肢體的重量，這一點(diǎn)對(duì)防止意外啟動(dòng)，保證安全和消除肢體靜態(tài)作業(yè)非常重要。

2、體位操作者的體位（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對(duì)人體的作用也有一定的影響。操作者立位作業(yè)的優(yōu)勢(shì)：

可以經(jīng)常改變姿勢(shì)，活動(dòng)范圍也大，站立時(shí)易用力；立位可適當(dāng)?shù)刈邉?dòng)，有助于維持工作能力操作者立位作業(yè)的缺陷：?jiǎn)握{(diào)作業(yè)會(huì)引起生理性和心理性疲勞，立位又不易進(jìn)行精確而細(xì)致的工作，不易轉(zhuǎn)換操作，而且肌肉要做更多的功來維持體重，易引起疲勞。坐位則可以進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的精確而細(xì)致的工作，可以手足并用，但是坐位作業(yè)則不易改變姿勢(shì)，用力受限制，工作范圍受局限，久坐會(huì)導(dǎo)致生理性疲勞躺位操作易疲勞，汽車修理工修理汽車時(shí)就有時(shí)必須仰躺著工作。在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮操作的工作體位、姿勢(shì)的改變等。體位正確可減少靜態(tài)疲勞，有利于身體健康和保證工作質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和保證安全。

3、個(gè)體因素不同人的力量相差很大，強(qiáng)壯的人的人體力量是虛弱的人的人力力量的6～8倍。影響人體力量因素，如基因、人的尺寸、訓(xùn)練、動(dòng)機(jī)、年齡和