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

1、53 手的運(yùn)動(dòng)特征和手動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)Motion characteristics and controls design of hand 531 手的運(yùn)動(dòng)特征Motion characteristics of handn1手的基本動(dòng)作(Basic movements of) 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Dimension and movement range of hand握住動(dòng)作 2手的運(yùn)動(dòng)速度和習(xí)慣1.手在垂直面比水平面的快，準(zhǔn)確度也較高2.從上往下比從下往上快；3.在水

2、平方向前后比左右運(yùn)動(dòng)速度快4.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）5146.5手的運(yùn)動(dòng)速度和習(xí)慣5.手朝身體方向的運(yùn)動(dòng)比離開(kāi)身體方向的運(yùn)動(dòng)快，但后者精度高。6.手從下往上和離開(kāi)身體的運(yùn)動(dòng)速度最慢7.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Reasonable trajectory range of hand operation8.一般手的運(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

3、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。9.開(kāi)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。10.順時(shí)針操作動(dòng)作比逆時(shí)針?lè)较蚩臁?1.兩手動(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。12.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）5146.53手的操縱力Operation force of hands 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n左手力量小于右手；n手臂處于側(cè)面下方時(shí)，推、拉力量都

4、較弱，但向上向下的力量卻較大；n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)手臂的角度手臂的角度拉拉 力力推推 力力左手左手右手右手左手左手右手右手向后向后向前向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向上向下向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向內(nèi)側(cè)向內(nèi)側(cè)向外側(cè)向外側(cè)18060904060150709040701209010050709

5、0708050706080906080（2）立姿操作的操縱力n手臂的最大拉力產(chǎn)生在肩的下方180和肩的上方0的方向上。同樣，推力最大的方向是產(chǎn)生在肩的上方0方向上。n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n（3）握力n一般人右手握力380N，左手握力350Nn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。n（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386

6、N 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n直立：男子389+130N；女子204+80Nn屈身：男子555+249N；女子272+141Nn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。n朝向身體的拉力比離開(kāi)身體的推力大；左右方向推拉時(shí)，推力較拉力大n坐著拉力較站著拉力大n瞬時(shí)力比持續(xù)用力大n手的拉力大于手的握力和提力532 手動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)Design of hand controlsn常有的手動(dòng)控制器： 旋鈕、 按鍵、扳動(dòng)開(kāi)關(guān)、

7、杠桿操縱器、轉(zhuǎn)輪、 曲柄、 手柄1 旋鈕n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)。n分為圓形旋鈕、多邊形旋鈕、指針形旋鈕和手動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)等。多倍旋轉(zhuǎn)按鈕多倍旋轉(zhuǎn)按鈕多倍旋轉(zhuǎn)按鈕多倍旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕部分旋轉(zhuǎn)按鈕圓形與多邊形圓形與多邊形定位指示旋鈕定位指示旋鈕指示型與轉(zhuǎn)盤(pán)指示型與轉(zhuǎn)盤(pán)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Push buttonn(1) 按鍵類型n形狀：圓柱形鍵、方形鍵、弧形鍵n用途：代碼鍵、功能鍵、間隔鍵n開(kāi)關(guān)接觸情況：接觸式、非接觸式n(2) 按鍵尺寸n圓形鍵尺寸8

8、-18mm, 方形鍵10-20mm, 突出鍵盤(pán)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n(3)按鍵的顏色n表示“停止”“斷電”功能的用紅色鍵；n表示“啟動(dòng)”“通電”功能的用綠色鍵或白、灰、黑鍵。n連續(xù)按壓改變功能的鍵用黑、灰色鍵，忌用紅色和綠色。n按下為開(kāi)、抬起為停或遞進(jìn)的用黑色，忌用紅色。n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 Ergonomics Design of push buttonn按鈕的顏色。n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。n按鈕表面形狀、觸感、凸起高度、

9、間隔等都需要加以考慮。n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(pán)上的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題 Ergonomics Design of Keyboard1. 字符和按鍵的排布n常用的是“QWERTY”鍵盤(pán)；n左右手負(fù)擔(dān)比例為57：43，對(duì)大多數(shù)人不利。n“A” “S” “I” “O”等間沒(méi)有分配給中、食指。n頂行字母過(guò)多計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)上的人機(jī)工學(xué)問(wèn)題n2. 操作的尺側(cè)偏和手腕損害3 扳動(dòng)開(kāi)關(guān) toggle switch一般用于快速接通、斷開(kāi)和快速就位的場(chǎng)合。一般用于快速接通、斷開(kāi)和快速就位的場(chǎng)合。鈕子開(kāi)關(guān)，滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，棒形開(kāi)關(guān)，船形開(kāi)關(guān)，推拉式鈕子開(kāi)關(guān)，滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，棒形開(kāi)關(guān)，船形開(kāi)關(guān)，推拉

10、式開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)4杠桿操縱器 level controln一般機(jī)械操作的杠桿操縱器有前后左右進(jìn)退的功能。n操縱角度3060度為佳，不宜超過(guò)90度。n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crankn具有快速回轉(zhuǎn)和連續(xù)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。n把柄直徑一般為25-75mm.n適用于操縱力較大的場(chǎng)合。n7 手柄 handlen一般單手緊握進(jìn)行操作。n可以單獨(dú)使用也可以與其他控制器配合使用。n機(jī)床用于進(jìn)刀手

11、柄。n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。54 腳的運(yùn)動(dòng)特征和腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)Motion characteristics and control design of footn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。n腳踏板，腳踏鈕n2 腳的運(yùn)動(dòng)(foot motion) 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)。n1腳的運(yùn)動(dòng)541腳的運(yùn)動(dòng)特征Motion characteristics n2 腳的出力 foot forcen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)

12、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。n據(jù)測(cè)定膝部伸展角度在130150度和160180度時(shí)，腳的出力最大。 2 腳的出力n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)542腳動(dòng)控制器的選用和設(shè)計(jì)Choice and design of foot controls1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n需要連續(xù)進(jìn)行操作，而用手不太方便的場(chǎng)合；n無(wú)論連續(xù)操作或間斷操作，操縱力較大的情況；n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(kāi)關(guān)n操

13、縱力大于50150N,或操縱力小于50N但需要連續(xù)操作，選用腳踏板。n操縱力較小且不需要連續(xù)操作，選用腳踏鈕和腳踏開(kāi)關(guān) 。腳踏板、腳踏鈕和腳動(dòng)開(kāi)關(guān)3何種姿態(tài) n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。n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。n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)n腳踏板，腳踏鈕 n（1）腳踏板n分為直動(dòng)式、往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。n直動(dòng)式、往復(fù)式運(yùn)

14、動(dòng)范圍受限，故不做精密控制用。n回轉(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。n 腳踏板尺寸見(jiàn)圖5.45各種踏板的效率frequencies of different pedalsa 時(shí)間最短，b、, c、 e 其次，d 最長(zhǎng)，比a長(zhǎng)34%。n腳出力與座椅距離的關(guān)系見(jiàn)圖5.47。n（2）腳踏鈕n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。542腳動(dòng)控制器的布置Arrangement of foot controln腳動(dòng)操作器布置要求省力而又舒適。n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)7.512.5cm坐姿腳的作業(yè)范圍C腳踏鈕D-542腳

15、動(dòng)控制器的布置n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55 重體力作業(yè)的設(shè)計(jì)Design of heavy workn提舉作業(yè) lift taskn搬運(yùn)作業(yè) Carrying taskn負(fù)重作業(yè) Heavy taking taskn推運(yùn)作業(yè) Push task551 提舉作業(yè)1 提舉作業(yè)高度與能量消耗能量消耗=f a w c/1000 (KJ/h)nf 每小時(shí)提舉次數(shù)（次/h）na 提舉高度（m）nw 提舉物的重量nc 提舉每米. 公斤所消耗的能量（ j /m.k

16、g）2 提舉頻率和提舉重量n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)n重物地抓握位置比地平面高出50mm為好n避免手指出力的提舉方法n手臂連同重物要盡量靠近身體n提舉時(shí)兩腿適當(dāng)分開(kāi)，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)Design of lifting handleCervicalVertebrae(C1 to C7)ThoracicVertebrae(T1 to T12)LumbarVertebrae(L1 to L5)Sacrum(S1 to S5)Hall, 1999Example Lifting & the Lower BackH

17、all, 1999XYWeightsHead = 50 NTrunk = 280 NArms = 65 NBox = 100 NFmuscle= ?FmuscleS16cm22cm42cm25cm12cmL5-S1 = 2.86 x Body Weight Solution Lifting & the Lower BackExample Lifting & the Lower BackWhat is the compressive force FC on disc L5/S1?Hall, 1999WeightsHead = 50 NTrunk = 280 NArms = 65

18、NBox = 100 NFM = 1.7 kN = muscleFC = disc compressionFS = 128 N = disc shearXYFMS16cm22cm42cm25cm12cmFCFS15O15O552 搬運(yùn)作業(yè)n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)n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 。553 負(fù)重作業(yè)不同負(fù)重方式的能量消耗Double pack Head Rucksack Sherpa Rice bag Yoke Hands554 推運(yùn)作業(yè) 在地面上平移物體，與推運(yùn)頻率和推運(yùn)距離有關(guān)。 男女推運(yùn)重量相差不大尤其對(duì)于短距離。 參考圖5.54,p212小結(jié)n1人的運(yùn)動(dòng)和操作動(dòng)作n2操縱器設(shè)計(jì)的人機(jī)學(xué)問(wèn)題n3 手的運(yùn)動(dòng)特征和手動(dòng)控制器n4 腳的運(yùn)動(dòng)特征和腳動(dòng)控制器作業(yè)工具的設(shè)計(jì)Hand tool design尺神經(jīng)n作業(yè)工具是人類生理能力的極大擴(kuò)展，增加了動(dòng)作范圍和力度。n適當(dāng)?shù)膭趧?dòng)工具不僅能有效提高工作效率，而且能保證作業(yè)者工作舒適、安全、健康。n不適當(dāng)工具會(huì)導(dǎo)致多種職業(yè)病和全身傷害，如腱鞘炎、腕管綜合癥、腱炎、網(wǎng)球肘等。1 一般原則n必須有效實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能；n必須與操作者身體成適