第5章-人體運(yùn)動(dòng)與操縱裝置設(shè)計(jì)(II)

5．3手的運(yùn)動(dòng)特征和手動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

Motioncharacteristicsandcontrolsdesignofhand5．3．1手的運(yùn)動(dòng)特征Motioncharacteristicsofhand1．手的基本動(dòng)作(Basicmovementsof)握住動(dòng)作；運(yùn)物動(dòng)作；定位動(dòng)作；裝配動(dòng)作；應(yīng)用（工具或設(shè)備）動(dòng)作；分離動(dòng)作（拆卸）；預(yù)定動(dòng)作；放松動(dòng)作；伸手動(dòng)作（移空）；恒持動(dòng)作。手的尺寸和活動(dòng)范圍

Dimensionandmovementrangeofhand握住動(dòng)作

2．手的運(yùn)動(dòng)速度和習(xí)慣手在垂直面比水平面的快，準(zhǔn)確度也較高從上往下比從下往上快；在水平方向前后比左右運(yùn)動(dòng)速度快右手比左手快；右手向右比向左運(yùn)動(dòng)快。左、右手動(dòng)作的最大頻率

動(dòng)作種類最大頻率右手左手旋轉(zhuǎn)（r/s）4.84.0推壓（次/s)6.75.3打擊（次/s）5～146.5手的運(yùn)動(dòng)速度和習(xí)慣手朝身體方向的運(yùn)動(dòng)比離開身體方向的運(yùn)動(dòng)快，但后者精度高。手從下往上和離開身體的運(yùn)動(dòng)速度最慢單手在外側(cè)60度左右的直線方向和雙手在外側(cè)30度左右進(jìn)行的直線運(yùn)動(dòng)速度最快，效果最好。手操作時(shí)合理的軌跡范圍

Reasonabletrajectoryrangeofhandoperation一般手的運(yùn)動(dòng)速度和準(zhǔn)確度成正比；最大速度同動(dòng)作負(fù)荷成反比，到達(dá)最大速度所需要的時(shí)間同動(dòng)作的負(fù)荷成正比。如圖5.18和表5.17。開始或停止一項(xiàng)動(dòng)作所需的時(shí)間通常不受距離長(zhǎng)短的影響。順時(shí)針操作動(dòng)作比逆時(shí)針?lè)较蚩?。兩手?dòng)作的頻率隨動(dòng)作性質(zhì)的不同而不同。如表5.18和表5.19。從準(zhǔn)確度和速度來(lái)看，單手操作比雙手操作好。動(dòng)作頻率和動(dòng)作性質(zhì)的關(guān)系動(dòng)作種類最大頻率右手左手旋轉(zhuǎn)（r/s）4.84.0推壓（次/s)6.75.3打擊（次/s）5～146.53．手的操縱力

Operationforceofhands手的操縱力與人體姿勢(shì)、著力部位、用力方向和用力方式有關(guān)。（1）坐姿操作的操縱力左手力量小于右手；手臂處于側(cè)面下方時(shí)，推、拉力量都較弱，但向上向下的力量卻較大；拉力略大于推力；向下力量略大于向上的力量；向內(nèi)力量則大于向外的力量。坐姿手臂在不同角度和方向上的操縱力（N)手臂的角度拉力推力左手右手左手右手向后向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向內(nèi)側(cè)向外側(cè)180609040601507090407012090100507090708050706080906080（2）立姿操作的操縱力手臂的最大拉力產(chǎn)生在肩的下方180o和肩的上方0o的方向上。同樣，推力最大的方向是產(chǎn)生在肩的上方0o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)將得到最大的操縱力。

立姿操作的操縱力

（3）握力一般人右手握力380N，左手握力350N但是，一般青年男子右手瞬時(shí)最大握力有560N，左手有430N。握力與手的姿勢(shì)和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，當(dāng)持續(xù)一段時(shí)間后，握力顯著下降，如保持lmin后，右手平均握力約280N，左手約250N。（4）拉力和推力在站姿手臂水平向前自然伸直的情況下，男子平均瞬時(shí)拉力為703N，女子平均瞬時(shí)拉力為386N[圖(a)]。當(dāng)手作前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)最大拉力可達(dá)1100N，連續(xù)操作的拉力最大約300N。當(dāng)手作左右方向運(yùn)動(dòng)，最大的推力約400N[圖(b)]。（5）扭力直立：男子389+130N；女子204+80N屈身：男子555+249N；女子272+141N彎腰：男子962+342N；女子425+200N（6）肘彎曲的操縱力握把式操縱器常用彎肘操作。朝向身體的拉力比離開身體的推力大；左右方向推拉時(shí)，推力較拉力大坐著拉力較站著拉力大瞬時(shí)力比持續(xù)用力大手的拉力大于手的握力和提力5．3．2手動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

Designofhandcontrols常有的手動(dòng)控制器：旋鈕、按鍵、扳動(dòng)開關(guān)、杠桿操縱器、轉(zhuǎn)輪、曲柄、手柄1旋鈕旋鈕是用手指捏住擰轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，可以旋轉(zhuǎn)一圈(360°)，一圈以上或不滿一圈，可以連續(xù)多次旋轉(zhuǎn)，也可以定位旋轉(zhuǎn)。分為圓形旋鈕、多邊形旋鈕、指針形旋鈕和手動(dòng)轉(zhuǎn)盤等。多倍旋轉(zhuǎn)按鈕多倍旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕圓形與多邊形定位指示旋鈕指示型與轉(zhuǎn)盤同心成層旋鈕注意避免無(wú)意碰觸操縱力與旋鈕設(shè)計(jì)尺寸關(guān)系2按鍵

Pushbutton(1)按鍵類型形狀：圓柱形鍵、方形鍵、弧形鍵用途：代碼鍵、功能鍵、間隔鍵開關(guān)接觸情況：接觸式、非接觸式(2)按鍵尺寸圓形鍵尺寸8-18mm,方形鍵10-20mm,突出鍵盤面高度為5-12mm,升降行程3-6mm,鍵與鍵空隙不少于0.6mm。2按鍵(3)按鍵的顏色表示“停止”“斷電”功能的用紅色鍵；表示“啟動(dòng)”“通電”功能的用綠色鍵或白、灰、黑鍵。連續(xù)按壓改變功能的鍵用黑、灰色鍵，忌用紅色和綠色。按下為開、抬起為?；蜻f進(jìn)的用黑色，忌用紅色。單一功能的復(fù)位用藍(lán)色、黑色、白色或灰色鍵，同時(shí)具有“停止”“斷電”功能的應(yīng)用紅色鍵。按鍵設(shè)計(jì)中的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題

ErgonomicsDesignofpushbutton按鈕的顏色。按鈕在完成兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，應(yīng)附加當(dāng)前狀態(tài)指示燈。按鈕表面形狀、觸感、凸起高度、間隔等都需要加以考慮。按鈕的安置應(yīng)考慮操作時(shí)的手型。按鍵設(shè)計(jì)中的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題計(jì)算機(jī)鍵盤上的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題

ErgonomicsDesignofKeyboard1.字符和按鍵的排布常用的是“QWERTY”鍵盤；左右手負(fù)擔(dān)比例為57：43，對(duì)大多數(shù)人不利?！癆”“S”“I”“O”等間沒(méi)有分配給中、食指。頂行字母過(guò)多計(jì)算機(jī)鍵盤上的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題2.操作的尺側(cè)偏和手腕損害3扳動(dòng)開關(guān)

toggleswitch一般用于快速接通、斷開和快速就位的場(chǎng)合。鈕子開關(guān)，滑動(dòng)開關(guān)，棒形開關(guān)，船形開關(guān)，推拉式開關(guān)4杠桿操縱器levelcontrol一般機(jī)械操作的杠桿操縱器有前后左右進(jìn)退的功能。操縱角度30~60度為佳，不宜超過(guò)90度。汽車上變速桿是典型杠桿操縱器5轉(zhuǎn)輪wheel

轉(zhuǎn)輪的功能相當(dāng)于旋鈕和曲柄，但是轉(zhuǎn)動(dòng)力量較大。

適用單手和雙手操作，可以做連續(xù)性回轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)輪直徑15-52cm，握把直徑20-30mm。

單手操作的操縱力為20-130N,雙手操縱力不超過(guò)250N。

6曲柄crank具有快速回轉(zhuǎn)和連續(xù)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。把柄直徑一般為25-75mm.適用于操縱力較大的場(chǎng)合。7手柄handle一般單手緊握進(jìn)行操作。可以單獨(dú)使用也可以與其他控制器配合使用。機(jī)床用于進(jìn)刀手柄。手柄操作力與其他因素的關(guān)系見(jiàn)表5.23。手柄操作速度見(jiàn)表5.24。5．4腳的運(yùn)動(dòng)特征和腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

Motioncharacteristicsandcontroldesignoffoot汽車的離合器踏板，剎車踏板，以及加工機(jī)床的腳踏控制器等。腳踏板，腳踏鈕2腳的運(yùn)動(dòng)(footmotion)腳操作時(shí)，其運(yùn)動(dòng)主要是膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和腳掌的運(yùn)動(dòng)。圍繞膝關(guān)節(jié)的額狀軸，小腿可以做屈伸運(yùn)動(dòng)。1腳的運(yùn)動(dòng)5．4．1腳的運(yùn)動(dòng)特征Motioncharacteristics2腳的出力footforce腳的出力同人的姿勢(shì)、腳的位置和方向有關(guān)。坐姿有靠背支撐時(shí)產(chǎn)生最大的力。立姿時(shí)腳的用力比坐姿腳的用力大。一般坐姿時(shí)右腿的最大力平均可達(dá)2620N,左腿最大力可達(dá)2410N。據(jù)測(cè)定膝部伸展角度在130~150度和160~180度時(shí)，腳的出力最大。2腳的出力腳的伸出力大于屈曲力；右腳力大于左腳力；男的腳力大于女的腳力。(如表5.25)5．4．2腳動(dòng)控制器的選用和設(shè)計(jì)

Choiceanddesignoffootcontrols1何時(shí)選用腳動(dòng)控制器

只有當(dāng)腳動(dòng)控制器優(yōu)于手動(dòng)控制器時(shí)才采用需要連續(xù)進(jìn)行操作，而用手不太方便的場(chǎng)合；無(wú)論連續(xù)操作或間斷操作，操縱力較大的情況；手控制的工作量過(guò)大，不能完成控制任務(wù)時(shí)。2采用何種腳動(dòng)控制器腳踏板、腳踏鈕和腳動(dòng)開關(guān)操縱力大于50~150N,或操縱力小于50N但需要連續(xù)操作，選用腳踏板。操縱力較小且不需要連續(xù)操作，選用腳踏鈕和腳踏開關(guān)。腳踏板、腳踏鈕和腳動(dòng)開關(guān)3．何種姿態(tài)站姿和坐姿比，盡量采用坐姿操作，這樣不但身體容易保持平衡，而且容易出力。坐椅有靠背，單腳操作時(shí)，另一只腳也應(yīng)有靠板。右腳和左腳比，在用力大小、速度和準(zhǔn)確度方面，一般右腳均優(yōu)于左腳。對(duì)于頻繁操作、容易疲勞，而且不重要的情況，考慮雙腳交替操作。腳掌和腳趾比，操作力大時(shí)采用腳掌著力，操縱里較小或需要快速連續(xù)操作時(shí)，腳趾著力，腳后跟保持不動(dòng)。4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)腳踏板，腳踏鈕（1）腳踏板分為直動(dòng)式、往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。直動(dòng)式、往復(fù)式運(yùn)動(dòng)范圍受限，故不做精密控制用?；剞D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)范圍大，加適當(dāng)機(jī)構(gòu)可以做精密控制用。腳踏板尺寸見(jiàn)圖5.45各種踏板的效率

frequenciesofdifferentpedalsa

時(shí)間最短，b、,c、e其次，d最長(zhǎng)，比a長(zhǎng)34%。腳出力與座椅距離的關(guān)系見(jiàn)圖5.47。（2）腳踏鈕用手不方便的情況下，腳踏鈕是取代手按鈕的一種控制器。但是空間需要較大。5．4．2腳動(dòng)控制器的布置

Arrangementoffootcontrol腳動(dòng)操作器布置要求省力而又舒適。人正坐操作時(shí)，腳踏板應(yīng)在正中面所在位置上。一般偏離人體正中面不超過(guò)7.5~12.5cm坐姿腳的作業(yè)范圍C—腳踏鈕D--腳踏板5．4．2腳動(dòng)控制器的布置坐姿踏板的高度應(yīng)在腳能出最大力的位置上，操縱力較大時(shí)可以與椅面相平，或稍低一點(diǎn)。但不能超過(guò)椅面。站姿腳踏板不得超過(guò)25cm，一般少于20cm。一般座位和腳操縱的座位的比較5．5重體力作業(yè)的設(shè)計(jì)

Designofheavywork提舉作業(yè)lifttask搬運(yùn)作業(yè)Carryingtask負(fù)重作業(yè)Heavytakingtask推運(yùn)作業(yè)Pushtask5．5．1提舉作業(yè)1提舉作業(yè)高度與能量消耗能量消耗=fawc/1000

(KJ/h)f每小時(shí)提舉次數(shù)（次/h）a提舉高度（m）w提舉物的重量c提舉每米.公斤所消耗的能量（j/m.kg）2提舉頻率和提舉重量一般來(lái)說(shuō)，提舉的頻率越高，提舉的重量應(yīng)當(dāng)輕一些。3提舉作業(yè)的人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)重物地抓握位置比地平面高出50mm為好避免手指出力的提舉方法手臂連同重物要盡量靠近身體提舉時(shí)兩腿適當(dāng)分開，直腰屈膝，提舉過(guò)程中平穩(wěn)，不要搖擺。提舉物體把手設(shè)計(jì)

DesignofliftinghandleCervicalVertebrae(C1toC7)ThoracicVertebrae(T1toT12)LumbarVertebrae(L1toL5)Sacrum(S1toS5)[Hall,1999]Example–Lifting&theLowerBack[Hall,1999]XYWeightsHead=50NTrunk=280NArms=65NBox=100NFmuscle=?FmuscleS16cm22cm42cm25cm12cmL5-S1=2.86xBodyWeightSolution–Lifting&theLowerBackExample–Lifting&theLowerBackWhatisthecompressiveforceFCondiscL5/S1?[Hall,1999]WeightsHead=50NTrunk=280NArms=65NBox=100NFM=1.7kN=muscleFC=disccompressionFS=128N=discshearXYFMS16cm22cm42cm25cm12cmFCFS15O15O5．5．2搬運(yùn)作業(yè)用手將物體從一個(gè)地方不停頓地搬到另外一個(gè)地方的作業(yè)搬運(yùn)重量與搬運(yùn)頻率和搬運(yùn)距離有關(guān)，尤其搬運(yùn)頻率對(duì)搬運(yùn)重量有明顯影響,參考圖5.52。5．5．3負(fù)重作業(yè)不同負(fù)重方式的能量消耗DoublepackHeadRucksackSherpaRicebag