第五章人體生物力學(xué)與施力特征

1、第五章 人體生物力學(xué)與施力特征骨運動的杠桿關(guān)節(jié)運動的樞紐肌肉運動的動力5.1.1 人體運動系統(tǒng)骨關(guān)節(jié)肌肉5.1 人體運動與骨杠桿 三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)下協(xié)調(diào)一致，隨著人的意志，共同準(zhǔn)確地完成動作。第五章 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(hù)內(nèi)臟 （3）造血、儲備礦物鹽 （4）運動的杠桿1.骨的功能第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 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(jī)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），

2、即產(chǎn)生的運動力量大而范圍就小；反之亦然。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. 骨杠桿第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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(dá)式表示人體機(jī)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(jī)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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征生物力學(xué)模型的基本原理建立在牛頓的三大定律上：（1）物

3、體在無外力作用下會保持勻速直線運動或 靜止?fàn)顟B(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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 當(dāng)身體及身體的各個部位沒有運動時，可認(rèn)為它們處于靜止?fàn)顟B(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(rèn)為身體或身體的各個部分如果沒有運動就處于靜止?fàn)顟B(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

4、都建立在這個基本模型上。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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(dá)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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 骨與骨之間除了由關(guān)節(jié)相連外，還

5、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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-4 人體各部位活動范圍示意圖第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 人體各部分的活動范圍第五章 人體生物力學(xué)與施力特征人體上部及上肢固定姿勢活動角度范圍第五章 人體生物力學(xué)與施力特征主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中

6、的應(yīng)用實例主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中的應(yīng)用實例開渠機(jī)挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置（a）挖溝作業(yè)示意圖第五章 人體生物力學(xué)與施力特征（b）開渠機(jī)駕駛艙（正視圖）第五章 人體生物力學(xué)與施力特征（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(jī)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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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0.0010.002N，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

7、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。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)。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征（）在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分布；如圖5-5。（）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。（）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。（）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第五章 人體生物力學(xué)與施力特征5.3.3 人

8、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(dá)到頂峰，這種狀態(tài)大約可以保持1015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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖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.第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖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(biāo)注在

9、該圖中。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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(fù)荷；另一方面要避免靜態(tài)肌肉施力。無論是設(shè)計機(jī)器設(shè)備、儀器、工具，還是進(jìn)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(jī)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(jī)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%。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征（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

10、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：第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 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五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖圖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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5

11、-12 影響人體能的因素補充材料一、影響人體能的因素第五章 人體生物力學(xué)與施力特征二、肢體的動作速度與頻率2.、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.、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(jī)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第五章 人體生物力學(xué)與施力特征三、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

12、的質(zhì)量指標(biāo)：反應(yīng)時間、運動速度和準(zhǔn)確性。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征3.1 反應(yīng)時間v 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)時間第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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)時間的主要因素第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 人對各種不同性質(zhì)刺激的反

13、應(yīng)時間是不同的，見表5-10。 2.刺激信號的性質(zhì)和強(qiáng)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(qiáng)度與極強(qiáng)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(qiáng)度增量的上限值。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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(qiáng)，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。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 習(xí)俗、個體差異（性別、年齡）、疲勞等個人生理、心理狀況。 年

14、齡2030405060反應(yīng)時間相對值1001041121161614.人的主體因素反應(yīng)隨年齡變化曲線反應(yīng)隨年齡變化曲線第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 1. 動作特點 表5-14 2. 目標(biāo)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5-13 4. 動作軌跡特征 圖5-14 5. 負(fù)荷重量：最大運動速度與負(fù)荷重量成反比。 3.2 運動速度用完成動作的時間來評定（Td）第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-12 手向各方向運動時間差異第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-13 不同區(qū)域內(nèi)手指敲擊運動速度差異第五章 人體生物力學(xué)與施力特征1其他功能23456 人體軀干

15、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(zhǔn)確性高。 圖5-14動作軌跡特征 第五章 人體生物力學(xué)與施力特征出手距離（cm）204060平 均 反 應(yīng) 時 間（ms）525596670標(biāo)準(zhǔn)差（ms）507174反應(yīng)動作距離與動作時間第五章 人體生物力學(xué)與施力特征3.

16、3 運動準(zhǔn)確性1234運動時間、運動類型、運動方向、操作方式速度越慢，準(zhǔn)確性越高 見圖5-15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。水平方向，左右運動；垂直方向，上下運動；見圖5-18見圖5-16見圖5-17第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-15 速度準(zhǔn)確性特性曲線第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-16 不同方位盲目定位運動準(zhǔn)確性第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-17手臂運動方向?qū)B續(xù)控制運動準(zhǔn)確性影響第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-18 不同控制操作方式對準(zhǔn)確性影響第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-1 人體骨杠桿 （a）平衡杠桿（b）省力杠桿（c）速度

17、杠桿返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-5 立姿彎臂時的力量分布180 可知大約在70處可達(dá)最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。這正是許多操縱機(jī)構(gòu)（例如方向盤）至于人體正前上方的原因所在。返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖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。返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-7 坐姿時手臂的操縱力的測試方位返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖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。返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征圖5-9圖5-10結(jié)論：由最大值衰減到1/4

18、，只需要min，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)。返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征表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)）返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征表5-1（續(xù)） 重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征表52 身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：N，2030歲）結(jié)論：女性的肌力比男性低20%30%，右手比左手強(qiáng) 10%，而習(xí)慣有左手的人，其左手的肌力比右手強(qiáng) 6%7%。返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征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

19、力；向內(nèi)用力大于向外用力。第五章 人體生物力學(xué)與施力特征（后頁繼續(xù)）第五章 人體生物力學(xué)與施力特征返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征表5-7 人體各部位動作速度與頻率限度返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征表5-8 人體各部分的最大運動頻率返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征 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返回第五章 人體生物力學(xué)與施力特征刺 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