人體生物力學(xué)與施力特征

關(guān)于人體生物力學(xué)與施力特征5.1.2骨的功能和骨杠桿（1）支撐人體（2）保護內(nèi)臟（3）造血、儲備礦物鹽（4）運動的杠桿1.骨的功能第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)支點，力點（動力點）、重點（阻力點）三者不同的位置分布，分為：見圖5-1（1）平衡杠桿（2）省力杠桿（3）速度杠桿：用力大，但運動速度快由機械學(xué)中的等功原理可知，利用杠桿省力不省功，得之于力則失之于速度（或幅度），即產(chǎn)生的運動力量大而范圍就?。环粗嗳?。因此，最大的力量和最大的運動范圍兩者是相矛盾的，在設(shè)計操作動作時，必須考慮這一原理。2.骨杠桿第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.2人體生物力學(xué)模型5.2.1人體生物力學(xué)建模原理

生物力學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達式表示人體機械組成各部分之間的關(guān)系。在這個模型中，肌肉骨骼系統(tǒng)被看做機械系統(tǒng)中的聯(lián)接，骨骼和肌肉是一系列功能不同的杠桿。生物力學(xué)模型可以采用物理學(xué)和人體工程學(xué)的方法來計算人體肌肉和骨骼所受的力，通過這樣的分析就能幫助設(shè)計者在設(shè)計時清楚工作環(huán)境中的危險并盡量避免這些危險。第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天生物力學(xué)模型的基本原理建立在牛頓的三大定律上：（1）物體在無外力作用下會保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)；（2）物體的加速度跟所受的合外力大小成正比；（3）兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)身體及身體的各個部位沒有運動時，可認為它們處于靜止狀態(tài)。必須滿足以下條件：作用在這個物體上的外力大小之和為零；作用在該物體上的外力的力矩之和為零。單一部位的靜止平面模型（又稱為二維模型），通常指的是在一個平面上分析身體的受力情況。靜止模型認為身體或身體的各個部分如果沒有運動就處于靜止狀態(tài)。單一物體的靜止平面模型是最基礎(chǔ)的模型，它體現(xiàn)了生物力學(xué)模型最基本的研究方法。復(fù)雜的三維模型和全身模型都建立在這個基本模型上。第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.2.2前臂和手的生物力學(xué)模型圖5-2抓捏物體時前臂和手的生物力學(xué)簡化模型∑（肘部受力）=0∑（肘部總力矩）=0第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.2.3舉物時腰部生物力學(xué)模型圖5-3舉物時腰部的生物力學(xué)靜止平面模型∑（L5/S1腰骶間盤力矩）=0∑（L5/S1腰骶間盤受力）=0解得腰骶間盤所受的壓力達到5459N，大多數(shù)工人的腰骶間盤都無法承受這個壓力水平。主要因素：貨物的重力和貨物的位置到軀干重點的距離。其它因素還有：軀體扭轉(zhuǎn)的角度、貨物的大小和形狀、貨物移動的距離等。第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天骨與骨之間除了由關(guān)節(jié)相連外，還由肌肉和韌帶聯(lián)接在一起。因韌帶除了有聯(lián)接兩骨、增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性的作用外，還有限制關(guān)節(jié)運動的作用。因此，人體各關(guān)節(jié)的活動有一定的限度，超過限度，將會造成損傷。5.3.1主要關(guān)節(jié)的活動范圍5.3人體的施力特征另外，人體處于舒適時，關(guān)節(jié)必然處在一定的舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。表5-1為人體重要活動范圍和身體各部姿勢調(diào)節(jié)范圍，表中的身體部位及關(guān)節(jié)名稱可參考相應(yīng)的示意圖5-4。第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-4人體各部位活動范圍示意圖第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

人體各部分的活動范圍第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天人體上部及上肢固定姿勢活動角度范圍第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中的應(yīng)用實例開渠機挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置（a）挖溝作業(yè)示意圖第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（b）開渠機駕駛艙（正視圖）第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（c）開挖溝渠作業(yè)時操作人員的姿勢（1）操作手柄的布置要使人在操作時的各個關(guān)節(jié)在舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。（2）在機器的縱向布置上，要方便操作者觀察。減少頸部和腰部的疲勞。第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.3.2肢體的出力范圍1、肌力：肌肉的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時產(chǎn)生的力稱為肌肉力。人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為0.001～0.002N，肌力是多條肌纖維的收縮力總和。人體肌肉的生理特征。見表5-22、操作力：在作業(yè)中，為了達到操作效果，操作者有關(guān)部位（手、腳、軀干等）所施出的一定大小的力。決定因素：肌力、施力的姿勢、部位、方式和方向。只有在這些綜合條件下的肌肉出力的能力和限度才是操縱力設(shè)計的依據(jù)。第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（１）在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分布；如圖5-5。（２）在直立姿勢下臂伸直時，不同角度位置上拉力和推力的分布；如圖5-6。（３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力；如圖5-7，如表5-3。（４）坐姿時，下肢不同位置上的蹬力大小。如圖5-8(a)和5-8(b）。注:肢體所施力量的大小，與持續(xù)時間有關(guān).如圖5-9和圖5-10第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.3.3人體不同姿勢的施力肌力的大小因人而異，男性的力量比女性平均大30%~35%。年齡是影響肌力的顯著因素，男性的力量在20歲之前是不斷增長的，20歲左右達到頂峰，這種狀態(tài)大約可以保持10~15年，隨后開始下降。此外，人體所處的姿勢是影響施力的重要因素，作業(yè)姿勢設(shè)計時，必須考慮這一要素。第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-11（a）人體在不同姿勢下的施力狀態(tài)人體在常見的操作姿態(tài)下的施力狀態(tài)，其對應(yīng)的施力數(shù)值見表5-4，施力時對應(yīng)的移動距離見表5-5.第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-11（b）人體在不同姿勢下的活動姿態(tài)人體常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的施力大小見表5-6，施力時相應(yīng)的移動距離已標注在該圖中。第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5.4.1避免靜態(tài)肌肉施力5.4合理施力的設(shè)計思路提高人體作業(yè)的效率，一方面要合理使用肌力，降低肌肉的實際負荷；另一方面要避免靜態(tài)肌肉施力。無論是設(shè)計機器設(shè)備、儀器、工具，還是進行作業(yè)設(shè)計和工作空間設(shè)計，都應(yīng)遵循避免靜態(tài)肌肉施力這一人機工程學(xué)的基本設(shè)計原則。

例如，應(yīng)避免使操作者在控制機器時長時間地抓握物體。當(dāng)靜態(tài)施力無法避免時，肌肉施力的大小應(yīng)低于該肌肉最大肌力的15%。第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（1）避免彎腰或其他不自然的身體姿勢。（2）避免長時間抬手作業(yè)。（3）坐著工作比立著工作省力。（4）雙手工作時，手的運動方向應(yīng)相反或者對稱運動，單手作業(yè)本身就造成背部肌肉靜態(tài)施力（5）作業(yè)位置高度應(yīng)按工作者眼睛和觀察時所需的距離來設(shè)計。（6）常用工具按使用頻率或操作頻率放在人附近。（7）手在高位置作業(yè)時，應(yīng)使用支撐物來托住肘關(guān)節(jié)、前臂或者手。（8）利用重力作用。避免靜態(tài)肌肉施力的幾個設(shè)計要點如下：第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天人們經(jīng)過長期的勞動實踐和科學(xué)研究總結(jié)了一套正確的提重方法，即直腰彎膝。5.4.2避免彎腰提起重物第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-95.4.3設(shè)計合理的工作臺設(shè)計可升降的工作臺幫助工人搬運大型貨。設(shè)計消除操作過程中不必要的軀體扭轉(zhuǎn)的工作場所，明顯較少工人的不適和受傷的可能性。第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

圖5-12影響人體能的因素補充材料一、影響人體能的因素第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、肢體的動作速度與頻率2.１、動作速度(1)肢體肌肉收縮的速度：不同的肌肉，肌力、阻力；(2)動作方向和動作軌跡等特征(動作特征）2.２、動作頻率

取決于動作部位和動作方式。參閱表5-7。2.3、人體動作的靈活性：是指操作時動作速度和頻率，由人體的生物力學(xué)特性所決定。人體重量輕的部位比重的部位、短的部位比長的部位、肢體末端比主干部位的動作更靈活。因此，設(shè)計機器及其操縱裝置時，應(yīng)當(dāng)充分考慮人體動作靈活性的特點。參閱表5-8第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三、人的運動輸出人的信息輸出方式：語言輸出、運動輸出。運動輸出的質(zhì)量指標：反應(yīng)時間、運動速度和準確性。第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.1反應(yīng)時間反應(yīng)時間（RT）:又稱為反應(yīng)潛伏期，它是指刺激和反應(yīng)的時間間隔。它由反應(yīng)知覺時間（tz）和動作時間（td）組成。即RT=tz+td

簡單反應(yīng)時間、選擇反應(yīng)時間、析取反應(yīng)時間第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1.不同的感覺器官（不同性質(zhì)的刺激）（1）不同的感覺器官簡單反應(yīng)的時間不同；以觸覺與聽覺最優(yōu)，視覺次之。參閱表5-9。（2）同一感覺器官接受的刺激不同，反應(yīng)時間不同；（3）相同感覺器官接受相同的刺激，不同部位反應(yīng)時間不同。

影響反應(yīng)時間的主要因素第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，見表5-10。2.刺激信號的性質(zhì)和強度

對于同一種性質(zhì)的刺激來說，一般情況是對弱刺激的反應(yīng)時間較長，刺激增加到中等強度與極強時，反應(yīng)時間短。刺激方式影響反應(yīng)時間。參閱表5-11。

“不可減的最少限”：反應(yīng)時間不再減少的刺激強度增量的上限值。第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.刺激的清晰度和可辯性（環(huán)境影響）（1）信號與背景的亮度、顏色、信噪比及頻率的對比程度越強，反應(yīng)時間越短；（2）刺激信號的刺激時間；參閱表5-12

（3）刺激的數(shù)目、顏色；表5-13（b）（4）顯示器及操縱器的設(shè)計。第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

習(xí)俗、個體差異（性別、年齡）、疲勞等個人生理、心理狀況。

年齡2030405060反應(yīng)時間相對值100104112116161年齡與反應(yīng)時間的關(guān)系

4.人的主體因素反應(yīng)隨年齡變化曲線第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1.動作特點表5-14

2.目標距離：距離增加，Td增長，寬度增加，

Td縮短。

3.運動方向圖5-12圖5-134.動作軌跡特征圖5-14

5.負荷重量：最大運動速度與負荷重量成反比。3.2運動速度用完成動作的時間來評定（Td）第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-12手向各方向運動時間差異

第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-13不同區(qū)域內(nèi)手指敲擊運動速度差異第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1其他功能23456人體軀干和肢體在水平面的運動比在垂直面的運動速度快。垂直方向的操縱動作，從上往下的運動速度比從下往上的運動速度快。水平方向的操縱動作，前后運動速度比左右運動速度快，旋轉(zhuǎn)運動比直線運動更靈活。順時針方向的操作動作比逆時針方向的操作動作，速度更快，更加習(xí)慣。一般人的手操縱動作，右手比左手快，而右手的動作，向右運動比向左運動快。向身體方向的運動比離開身體方向的運動，速度更快，但后者的準確性高。

圖5-14動作軌跡特征

第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天出手距離（cm）204060平均反應(yīng)時間（ms）525596670標準差（ms）507174反應(yīng)動作距離與動作時間第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.3運動準確性1234運動時間、運動類型、運動方向、操作方式速度越慢，準確性越高見圖5-15正前方盲目定位準確性最高；右方優(yōu)于左方；同一方位，下中方優(yōu)于上方。水平方向，左右運動；垂直方向，上下運動；見圖5-18運動速度與準確性見圖5-16盲目定位的準確性見圖5-17運動方向與準確性操作方式與準確性第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-15速度—準確性特性曲線第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-16不同方位盲目定位運動準確性第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-17手臂運動方向?qū)B續(xù)控制運動準確性影響第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-18不同控制操作方式對準確性影響第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-1人體骨杠桿

（a）平衡杠桿（b）省力杠桿（c）速度杠桿返回第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-5立姿彎臂時的力量分布180°

可知大約在70°處可達最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。這正是許多操縱機構(gòu)（例如方向盤）至于人體正前上方的原因所在。返回第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

圖5-6立姿直臂時拉力和推力分布拉力推力最大拉力產(chǎn)生在180°位置上。最大推力產(chǎn)生在0°位置上。返回第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-7坐姿時手臂的操縱力的測試方位返回第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-8不同體位下的蹬力

最大蹬力一般在膝部屈曲160°時產(chǎn)生。

下肢向外偏轉(zhuǎn)約10°時的蹬力最大。返回第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖5-9圖5-10結(jié)論：由最大值衰減到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％，不容易疲勞,操作力＝最大肌力的15％,操作可無限持續(xù)。返回第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

表5-1重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍（后頁繼續(xù)）返回第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

表5-1（續(xù)）重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍返回第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天表5—2身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：N，20～30歲）結(jié)論：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手強10%，而習(xí)慣有左手的人，其左手的肌力比右手強6%～7%。返回第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

表5—3手臂在坐姿下對不同角度和方向的操縱力（單位：N）返回結(jié)論：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向內(nèi)用力大于向外用力。第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（后頁繼續(xù)）第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天返回第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天返回第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天返回第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

表5-7人體各部位動作速度與頻率限度返回第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天表5-8人體各部分的最大運動頻率返回第58頁,共65頁，2024年2月25日，星期天表5-9不同感覺器官的反應(yīng)時間感覺器官反應(yīng)時間（ms）觸覺110-160聽覺120-160視覺150-200冷覺150-230溫覺180-240嗅覺210-390痛覺400-1000味覺330-1100返回第59頁,共65頁，2024年2月25日，星期天刺激反應(yīng)時間（ms）光電擊聲音光和電擊光和聲音聲音和電擊光、聲和電擊176143142142142131127表5-10對各種刺激的反應(yīng)時間返回第60頁,共65頁，2024年2月25日，星期天表5-1