第五章 人體力學(xué)

1、第第五五章章 人體力學(xué)人體力學(xué)第五章第五章 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)v5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)v5.2 靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力v5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢v5.4 人體的活動力量人體的活動力量5.1 5.1 人體的運動系統(tǒng)人體的運動系統(tǒng)人體的運動系統(tǒng)由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉三部分組成。人體的運動系統(tǒng)由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉三部分組成。一、肌肉一、肌肉 人體的肌肉主要分為骨骼肌、心肌和平滑肌三種類型。人體的肌肉主要分為骨骼肌、心肌和平滑肌三種類型。其中骨骼肌作為人體內(nèi)數(shù)量最多的組織，約占體重的其中骨骼肌作為人體內(nèi)數(shù)量最多的組織，約占體重的40%。 1、骨骼肌、骨骼肌 主要有肌腱和肌腹組成。主

2、要有肌腱和肌腹組成。 人體運動動作的主動力來源于骨骼肌。人體運動動作的主動力來源于骨骼肌。 5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)二、肌肉收縮的形式二、肌肉收縮的形式 根據(jù)肌肉收縮產(chǎn)生的張力和長度的變化，可以分為向心根據(jù)肌肉收縮產(chǎn)生的張力和長度的變化，可以分為向心收縮、離心收縮和等長收縮三種。收縮、離心收縮和等長收縮三種。1、向心收縮、向心收縮 肌肉收縮的張力肌肉收縮的張力 外加阻力負(fù)荷，肌肉縮短。外加阻力負(fù)荷，肌肉縮短。 實現(xiàn)身體加速度的基礎(chǔ)。實現(xiàn)身體加速度的基礎(chǔ)。 肌肉做正功。肌肉做正功。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)2、離心收縮、離心收縮 肌肉收縮的張力肌肉收縮的張力

3、 外加阻力負(fù)荷，肌肉拉長。外加阻力負(fù)荷，肌肉拉長。 實現(xiàn)制動、減速、克服重力的作用。實現(xiàn)制動、減速、克服重力的作用。 肌肉做負(fù)功。肌肉做負(fù)功。3、等長收縮、等長收縮 肌肉收縮的張力肌肉收縮的張力 = 外加阻力負(fù)荷，肌肉長度不變。外加阻力負(fù)荷，肌肉長度不變。 實現(xiàn)支持、固定和保持某一姿勢的作用。實現(xiàn)支持、固定和保持某一姿勢的作用。 肌肉做功為零。肌肉做功為零。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)2、離心收縮、離心收縮 肌肉收縮的張力肌肉收縮的張力 外加阻力負(fù)荷，肌肉拉長。外加阻力負(fù)荷，肌肉拉長。 實現(xiàn)制動、減速、克服重力的作用。實現(xiàn)制動、減速、克服重力的作用。 肌肉做負(fù)功。肌肉做負(fù)功。3

4、、等長收縮、等長收縮 肌肉收縮的張力肌肉收縮的張力 = 外加阻力負(fù)荷，肌肉長度不變。外加阻力負(fù)荷，肌肉長度不變。 實現(xiàn)支持、固定和保持某一姿勢的作用。實現(xiàn)支持、固定和保持某一姿勢的作用。 肌肉做功為零。肌肉做功為零。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)4、負(fù)荷與肌肉收縮的關(guān)系（見、負(fù)荷與肌肉收縮的關(guān)系（見P93 圖圖5-4） 肌肉產(chǎn)生的張力和縮短速度之間呈反比關(guān)系。實踐中，肌肉產(chǎn)生的張力和縮短速度之間呈反比關(guān)系。實踐中，可用來確定最適合工作的最佳負(fù)荷或者是確定作業(yè)的最大爆可用來確定最適合工作的最佳負(fù)荷或者是確定作業(yè)的最大爆發(fā)力。發(fā)力。 其他條件不變情況下：其他條件不變情況下： 希望速度

5、較大，必須減少負(fù)荷；希望速度較大，必須減少負(fù)荷； 增加符合，必然降低作業(yè)速度；增加符合，必然降低作業(yè)速度；5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)二、骨骼二、骨骼 全身全身206塊骨，約占體重的塊骨，約占體重的20%。 1、骨骼的分類：、骨骼的分類： 所在部位：顱骨、軀干骨和四肢骨；所在部位：顱骨、軀干骨和四肢骨； 形態(tài)不同：長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨。形態(tài)不同：長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨。 2、骨的連接、骨的連接 分為分為直接連接直接連接和和間接連接間接連接兩種形式。其中，間接連接又兩種形式。其中，間接連接又叫關(guān)節(jié)。叫關(guān)節(jié)。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)3、關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)

6、是骨和骨之間的功能性連接部分。關(guān)節(jié)是骨和骨之間的功能性連接部分。 分類：單軸關(guān)節(jié)、雙軸關(guān)節(jié)和多軸關(guān)節(jié)。分類：單軸關(guān)節(jié)、雙軸關(guān)節(jié)和多軸關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)的運動形式：屈伸運動、內(nèi)收外展、旋轉(zhuǎn)運動和環(huán)轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動形式：屈伸運動、內(nèi)收外展、旋轉(zhuǎn)運動和環(huán)轉(zhuǎn)運動四種。運動四種。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)4、骨骼的受力形式、骨骼的受力形式 主要分為壓縮負(fù)荷、彎曲負(fù)荷、拉伸負(fù)荷和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷主要分為壓縮負(fù)荷、彎曲負(fù)荷、拉伸負(fù)荷和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷四種形式。四種形式。 骨骼承受壓縮負(fù)荷的能力最強；骨骼承受壓縮負(fù)荷的能力最強； 骨骼承受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的能力最小。骨骼承受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的能力最小。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌

7、肉與骨骼系統(tǒng)三、骨骼杠桿原理三、骨骼杠桿原理 人體運動的骨骼杠桿基本有人體運動的骨骼杠桿基本有平衡杠桿、省力杠桿平衡杠桿、省力杠桿和和速速度杠桿度杠桿三種形式。三種形式。1、平衡杠桿、平衡杠桿 支點位于重心點和力點之間。如支點位于重心點和力點之間。如P97圖圖5-9 a所示。所示。2、省力杠桿、省力杠桿 這種杠桿力臂大于阻力臂，因此省力。這種杠桿力臂大于阻力臂，因此省力。 如如P97圖圖5-9 b所示。所示。5.1 5.1 肌肉與骨骼系統(tǒng)肌肉與骨骼系統(tǒng)三、骨骼杠桿原理三、骨骼杠桿原理3、速度杠桿、速度杠桿 力點位于支點和重心點之間，力臂阻力臂，因而費力點位于支點和重心點之間，力臂阻力臂，因而費

8、力。人體內(nèi)特別是肢體內(nèi)大多是速度杠桿。力。人體內(nèi)特別是肢體內(nèi)大多是速度杠桿。 主要以力的消耗換取一定的運動速度。主要以力的消耗換取一定的運動速度。5.2 5.2 靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力 肌肉施力的類型主要包含兩種：肌肉施力的類型主要包含兩種：靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力和和的動的動態(tài)肌肉施力。態(tài)肌肉施力。一、動態(tài)肌肉施力一、動態(tài)肌肉施力 利用肌肉有節(jié)奏的收縮和舒張對物體進(jìn)行交替施力和放利用肌肉有節(jié)奏的收縮和舒張對物體進(jìn)行交替施力和放松。松。 在動態(tài)肌肉施力狀態(tài)下的工作稱為在動態(tài)肌肉施力狀態(tài)下的工作稱為動態(tài)作業(yè)動態(tài)作業(yè)。 節(jié)奏選擇合理，動態(tài)作業(yè)可維持較長時間而不易疲勞。節(jié)奏選擇合理，動態(tài)作業(yè)可維持

9、較長時間而不易疲勞。5.2 5.2 靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力二、靜態(tài)肌肉施力二、靜態(tài)肌肉施力 主要依靠肌肉等長收縮產(chǎn)生的靜態(tài)力量，維持身體的某主要依靠肌肉等長收縮產(chǎn)生的靜態(tài)力量，維持身體的某種姿勢。長時間的姿勢維持必然要求肌肉的長時間等長收縮。種姿勢。長時間的姿勢維持必然要求肌肉的長時間等長收縮。 在靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)下的工作稱為在靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)下的工作稱為靜態(tài)作業(yè)靜態(tài)作業(yè)。 v 其他條件基本相同時，與動態(tài)作業(yè)相比，其他條件基本相同時，與動態(tài)作業(yè)相比，靜態(tài)作業(yè)能靜態(tài)作業(yè)能量消耗更大、體力恢復(fù)需要更長時間量消耗更大、體力恢復(fù)需要更長時間。5.2 5.2 靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力二、靜態(tài)肌肉施力二

10、、靜態(tài)肌肉施力 1、常見的靜態(tài)施力作業(yè)方式、常見的靜態(tài)施力作業(yè)方式 長時間反復(fù)地向前或向兩側(cè)彎腰長時間反復(fù)地向前或向兩側(cè)彎腰 長時間的手持或抓握物體長時間的手持或抓握物體 長時間的雙手前伸或手臂懸空抬起長時間的雙手前伸或手臂懸空抬起 長時間的站立一個位置長時間的站立一個位置 推拉重物推拉重物 長時間高頻率地使用一組肌肉長時間高頻率地使用一組肌肉5.2 5.2 靜態(tài)肌肉施力靜態(tài)肌肉施力 2、靜態(tài)施力作業(yè)的改善、靜態(tài)施力作業(yè)的改善 原因：原因： 不良的作業(yè)姿勢；不良的作業(yè)姿勢； 長時間維持一種姿勢；長時間維持一種姿勢； 改善的關(guān)鍵：協(xié)調(diào)人機關(guān)系，使操作者可以采取較改善的關(guān)鍵：協(xié)調(diào)人機關(guān)系，使操作者

11、可以采取較隨意的、可自由改變體態(tài)的作業(yè)方式。隨意的、可自由改變體態(tài)的作業(yè)方式。 改善不合理的工具、設(shè)備和作業(yè)空間設(shè)計；改善不合理的工具、設(shè)備和作業(yè)空間設(shè)計； 保證操作者可自由變換體位；保證操作者可自由變換體位；5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢 一、影響作業(yè)姿勢的因素一、影響作業(yè)姿勢的因素 與作業(yè)空間有關(guān)的條件；與作業(yè)空間有關(guān)的條件； 與工具設(shè)備有關(guān)的條件；與工具設(shè)備有關(guān)的條件； 與作業(yè)方法有關(guān)的條件；與作業(yè)方法有關(guān)的條件； 與作業(yè)區(qū)域有關(guān)的條件；與作業(yè)區(qū)域有關(guān)的條件； 與作業(yè)負(fù)荷的大小及用力方向相關(guān)的條件等；與作業(yè)負(fù)荷的大小及用力方向相關(guān)的條件等； 5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢 二、人的肢

12、體活動范圍二、人的肢體活動范圍圖圖5-14 5-14 不同姿勢的相對氧耗量不同姿勢的相對氧耗量(a)仰臥100 (b)坐姿103105 (c)立姿108110 (d)跪姿130140 (e)彎腰150160 三、人體不同姿勢的能耗三、人體不同姿勢的能耗 如圖所示：仰臥如圖所示：仰臥-坐著坐著-站著站著-跪著跪著-彎腰彎腰 5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢 四、作業(yè)姿勢的設(shè)計原則四、作業(yè)姿勢的設(shè)計原則 坐姿最好，坐坐姿最好，坐-立交替次之，立姿不得已而為之；立交替次之，立姿不得已而為之； 平衡姿勢；平衡姿勢； 可自由變換體位，保證舒適、自然，適當(dāng)借用支撐物；可自由變換體位，保證舒適、自然，適當(dāng)借

13、用支撐物； 電路板固定夾具改善前改善前改善后改善后圖圖5-8 5-8 插件作業(yè)（雙手同時操作）插件作業(yè)（雙手同時操作）改善前改善前改善后改善后圖圖8-9 8-9 帶尾墊圈彎曲作業(yè)帶尾墊圈彎曲作業(yè)返回工件焊絲電烙鐵電烙鐵工件焊絲固定操作臺改善前改善前改善后改善后圖圖5-12 5-12 錫焊作業(yè)的改善錫焊作業(yè)的改善返回五、作業(yè)姿勢的分析五、作業(yè)姿勢的分析（1）立姿作業(yè)）立姿作業(yè)下列情況下應(yīng)采用立姿操作：下列情況下應(yīng)采用立姿操作： 需經(jīng)常改變體位的操作；需經(jīng)常改變體位的操作； 常用控制器分布在較大的區(qū)域；常用控制器分布在較大的區(qū)域； 沒有容膝空間；沒有容膝空間； 需要用力較大；需要用力較大； 單調(diào)易

14、引起疲勞的作業(yè)。單調(diào)易引起疲勞的作業(yè)。5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢五、作業(yè)姿勢的分析五、作業(yè)姿勢的分析（1）立姿作業(yè)）立姿作業(yè)立姿操作的缺點：立姿操作的缺點：不易進(jìn)行精確而細(xì)致的工作；不易進(jìn)行精確而細(xì)致的工作；不易轉(zhuǎn)換操縱；不易轉(zhuǎn)換操縱；肌肉要做更多的功以維持體重，易引起疲勞；肌肉要做更多的功以維持體重，易引起疲勞；長期站立易引起下肢靜脈曲張。長期站立易引起下肢靜脈曲張。5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢（2）坐姿作業(yè)）坐姿作業(yè)下列情況下應(yīng)采用坐姿操作：下列情況下應(yīng)采用坐姿操作： 持續(xù)時間較長的工作；持續(xù)時間較長的工作； 精確而細(xì)致的操作；精確而細(xì)致的操作； 需要手足并用的操作；需要手足并用

15、的操作；5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢（2）坐姿作業(yè)）坐姿作業(yè)坐姿操作的缺點：坐姿操作的缺點： 作業(yè)過程中不易改變體位；作業(yè)過程中不易改變體位； 施力受到限制；施力受到限制； 工作范圍有局限性；工作范圍有局限性； 長期坐姿操作易引起脊柱彎曲等職業(yè)損傷。長期坐姿操作易引起脊柱彎曲等職業(yè)損傷。5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢（3）坐）坐-立姿交替作業(yè)立姿交替作業(yè)優(yōu)點：優(yōu)點： 既可以解除立姿造成的下肢肌肉緊張，也可以放松坐著既可以解除立姿造成的下肢肌肉緊張，也可以放松坐著的腰部肌肉緊張；的腰部肌肉緊張； 比坐姿的工作范圍大；比坐姿的工作范圍大；缺點：缺點： 影響工作效率。影響工作效率。5.3 5.

16、3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢六、作業(yè)姿勢的設(shè)計要點：六、作業(yè)姿勢的設(shè)計要點： 避免靜態(tài)肌肉施力；避免靜態(tài)肌肉施力； 避免彎腰提起重物；避免彎腰提起重物；5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢避免靜態(tài)施力的設(shè)計要點如下：避免靜態(tài)施力的設(shè)計要點如下： 1.避免彎腰及其它不自然的姿勢，見避免彎腰及其它不自然的姿勢，見圖圖5-21圖圖5-23。2.避免長時間抬手作業(yè)，見避免長時間抬手作業(yè)，見圖圖5-24。3.坐姿工作比立姿工作省力。坐姿工作比立姿工作省力。4.雙手作業(yè)時，手的運動方向相反或?qū)ΨQ。雙手作業(yè)時，手的運動方向相反或?qū)ΨQ。5.作業(yè)位置與視距的關(guān)系，見作業(yè)位置與視距的關(guān)系，見圖圖5-25。6.常用工具、零件、

17、材料應(yīng)按使用頻率安放在操作者附近。常用工具、零件、材料應(yīng)按使用頻率安放在操作者附近。7.手在較高位置作業(yè)時，應(yīng)增設(shè)支承物。手在較高位置作業(yè)時，應(yīng)增設(shè)支承物。8.利用重力作用，見利用重力作用，見圖圖5-26。9.通過產(chǎn)品設(shè)計減少靜態(tài)施力（改善搬運工效的示例，見通過產(chǎn)品設(shè)計減少靜態(tài)施力（改善搬運工效的示例，見圖圖5-27，圖圖5-28）。）。5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢避免彎腰提重物：避免彎腰提重物： 脊柱形態(tài)，如脊柱形態(tài)，如圖圖5-29。脊柱承受的重量負(fù)荷由上至。脊柱承受的重量負(fù)荷由上至下逐漸增大，第下逐漸增大，第5塊腰椎處負(fù)荷最大。塊腰椎處負(fù)荷最大。 直腰彎膝和彎腰直膝兩種不同姿勢提起重物

18、時，對直腰彎膝和彎腰直膝兩種不同姿勢提起重物時，對腰部負(fù)荷的影響不同，如腰部負(fù)荷的影響不同，如圖圖5-30。5.3 5.3 作業(yè)姿勢作業(yè)姿勢一、手部力量一、手部力量1、握力、握力2、手的操縱力、手的操縱力坐姿坐姿立姿立姿臥姿臥姿常見手部操作動作及力量極限常見手部操作動作及力量極限3、腳的力量、腳的力量5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量 握力的大小反映手的用力大小，握力的大小反映手的用力大小，常用握力大小的測量來挑選操作者常用握力大小的測量來挑選操作者或?qū)Σ僮髡叩挠昧顩r加以評定。或?qū)Σ僮髡叩挠昧顩r加以評定。圖圖1 1 自行車的剎車自行車的剎車5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動

19、力量（2 2）手的操縱力）手的操縱力坐姿手操縱力坐姿手操縱力規(guī)律：規(guī)律： 右手力量大于左手；右手力量大于左手； 拉力大于推力；拉力大于推力； 向下的力略大于向上的力；向下的力略大于向上的力； 向內(nèi)的力略大于向外的力。向內(nèi)的力略大于向外的力。圖圖 坐姿工作時不同角度的臂力測定坐姿工作時不同角度的臂力測定5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量立姿手操縱力立姿手操縱力規(guī)律：手臂的規(guī)律：手臂的最大拉力最大拉力產(chǎn)生在肩的下方產(chǎn)生在肩的下方180180的方位上，手的方位上，手臂臂 的的最大推力最大推力則產(chǎn)生在肩的上方則產(chǎn)生在肩的上方0 0方向上。方向上。 a a、最大拉力、最大拉力 b b、最大推力

20、、最大推力5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量臥姿手操縱力臥姿手操縱力 下圖不同肘角伸臂的臂力測定。下圖不同肘角伸臂的臂力測定。圖圖5 5 臥姿時不同肘角伸臂的臂力測定臥姿時不同肘角伸臂的臂力測定5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量圖圖4 4 立姿彎臂時的力量分布立姿彎臂時的力量分布 5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量常見手部操縱動作及其力量極限常見手部操縱動作及其力量極限圖圖6 6 常見手部操作動作及其力量極限推薦值（單位常見手部操作動作及其力量極限推薦值（單位 9.8N9.8N）5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量 2 2、腳部力量、腳部力量 一般坐姿時，

21、右腳最大蹬力平均可達(dá)一般坐姿時，右腳最大蹬力平均可達(dá)2568N,2568N,左腳為左腳為2362N2362N；膝部伸展角度在膝部伸展角度在130130150150或或160160180180之間時，腳蹬力最大。之間時，腳蹬力最大。 腳力控制器的操縱力最大不應(yīng)超過腳力控制器的操縱力最大不應(yīng)超過264264N N。 操作頻繁的作業(yè)應(yīng)考慮操作頻繁的作業(yè)應(yīng)考慮 雙腳交叉作業(yè)雙腳交叉作業(yè)。圖圖7 7 蹬力較大的腳操縱器作業(yè)蹬力較大的腳操縱器作業(yè)5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量圖圖8 8 坐姿的蹬力及在各個角度時的壓力比值坐姿的蹬力及在各個角度時的壓力比值 5.4 5.4 人體的活動力量人體的活動力量圖圖5-29 5-29 脊柱的形狀及組成脊柱的形狀及組成返回圖圖5-30 5-30 直腰與彎腰提起重物示意圖