第五章人體生物力學(xué)與施力特征

1、v 骨骨運動的杠桿運動的杠桿v 運動的樞紐運動的樞紐v 肌肉肌肉運動的動力運動的動力 三者在三者在神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)支配和調(diào)節(jié)下協(xié)調(diào)一致下協(xié)調(diào)一致，隨著人的，隨著人的意志，共同意志，共同準(zhǔn)確地完成準(zhǔn)確地完成動作。動作。 （1 1）支撐人體）支撐人體 （2 2）保護內(nèi)臟）保護內(nèi)臟 （3 3）運動的杠桿）運動的杠桿 （4 4）造血）造血 （5 5）儲備礦物鹽：）儲備礦物鹽： 主要是磷和鈣等。主要是磷和鈣等。 根據(jù)支點，力點（動力點）、重點（阻力點）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：見圖三者不同的位置分布，分為：見圖5 5- -1 1（1 1）平衡杠桿）平

2、衡杠桿 （2 2）省力杠桿）省力杠桿（3 3）速度杠桿：用力大，但運動速度快）速度杠桿：用力大，但運動速度快v 由等功原理，得之于力則失之于幅度由等功原理，得之于力則失之于幅度，反之亦反之亦然。因此，最大的力量與最大的運動范圍兩者是相然。因此，最大的力量與最大的運動范圍兩者是相矛盾的，在設(shè)計操縱動作時，必須考慮這一原理。矛盾的，在設(shè)計操縱動作時，必須考慮這一原理。返回返回 生物力學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示人體機械組生物力學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)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統(tǒng)被看做機械

3、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，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。作環(huán)境中的危險并盡量避免這些危險。生物力學(xué)模型的基本原理建立在牛頓的三大定律上：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）物體在無外力作用下會保持勻速直線運動或 靜止?fàn)顟B(tài)；靜止?fàn)顟B(tài)；（2）物體的加速度跟所受的合外力大小成

4、正比；）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）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。相等，方向相反，作用在一條直線上。 當(dāng)身體及身體的各個部位沒有運動時，可認(rèn)為當(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。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）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

5、面上分析身體的受力情況。，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)。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。維模型和全身模型都建立在這個基本模型上。（肘部受力）（肘部受力）=0 （5-3） （肘部總力矩）（肘部總力矩）=0 （5-4）（L5/S1腰骶間盤力矩）腰骶間盤力矩）=0 （5-7）（L5/S1腰骶間盤

6、受力）腰骶間盤受力）=0 （5-8） 解得腰骶間盤所受的壓解得腰骶間盤所受的壓力達(dá)到力達(dá)到5458N，大多數(shù)工，大多數(shù)工人的腰骶間盤都無法承受人的腰骶間盤都無法承受這個壓力水平。這個壓力水平。 主要因素：主要因素：貨物的重力貨物的重力和和貨貨物的位置到脊柱重心的距離物的位置到脊柱重心的距離。其它因素還有：其它因素還有：軀體扭轉(zhuǎn)的角軀體扭轉(zhuǎn)的角度、貨物的大小和形狀、貨物度、貨物的大小和形狀、貨物移動的距離移動的距離等。等。 骨與骨之間除了由關(guān)節(jié)相連外，還由骨與骨之間除了由關(guān)節(jié)相連外，還由肌肉和韌帶肌肉和韌帶聯(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)聯(lián)接在一起。因韌帶除了有聯(lián)接兩骨、增加關(guān)節(jié)的

7、穩(wěn)固性的作用外，還有限制關(guān)節(jié)運動的作用。因此，人固性的作用外，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。損傷。 另外，人體處于舒適時，關(guān)節(jié)必然處在一定的舒另外，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)的示意圖相應(yīng)的示意圖5-4。10.下擺、上擺下擺、上擺重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)

8、范圍主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中的應(yīng)用實例主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中的應(yīng)用實例開渠機挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置開渠機挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置（a）挖溝作業(yè)示意圖）挖溝作業(yè)示意圖（b）開渠機駕駛艙（正視圖）開渠機駕駛艙（正視圖）（c）開挖溝渠作業(yè)時操作人員的姿勢）開挖溝渠作業(yè)時操作人員的姿勢（1）操作手柄的布）操作手柄的布置要使人在操作時置要使人在操作時的各個關(guān)節(jié)在舒適的各個關(guān)節(jié)在舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。（2）在機器的縱向）在機器的縱向布置上，要方便操作布置上，要方便操作者觀察。減少頸部和者觀察。減少頸部和腰部的疲勞。腰部的疲勞。：肌肉的力量來自肌肉收縮，肌肉的力量來自肌肉收縮，肌肉

9、收縮時產(chǎn)生肌肉收縮時產(chǎn)生的力稱為肌肉力。的力稱為肌肉力。人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為0.010.010.020.02N N，肌力是多條肌纖維的收縮力總和。人體肌力是多條肌纖維的收縮力總和。人體肌肉的生理特征。肌肉的生理特征。見見表表5-25-2：在作業(yè)中，為了達(dá)到操作效果，操作者有在作業(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。關(guān)部位（手、腳、軀干等）所施出的一定大小的力。v 決定因素：肌力、施力的姿勢、部位、方式和方向。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只有在這些綜合條

10、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)。操縱力設(shè)計的依據(jù)。表表5 52 2 身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：N N，20203030歲）歲）返回返回結(jié)論：女性的肌力比男性低結(jié)論：女性的肌力比男性低20%30%，右手比左手強，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，而習(xí)慣有左手的人，其左手的肌力比右手強 6%7%。v（）（）在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分布；如布；如圖圖5 5-5-5。v（）（）在直立姿勢下臂伸直時，不同角度位置上拉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；

11、如圖力和推力的分布；如圖5-65-6。v（）（）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力；如圖拉力；如圖T1T1，如表，如表5-35-3。v（）（）坐姿時，下肢不同位置上的蹬力大小。坐姿時，下肢不同位置上的蹬力大小。 如圖如圖57(a)57(a)和和5-7(b5-7(b）。）。v注注: :肢體所施力量的大小，與持續(xù)時間有關(guān)肢體所施力量的大小，與持續(xù)時間有關(guān). . 如圖如圖T3T3和圖和圖T4T4圖5-5 立姿彎臂時的力量分布立姿彎臂時的力量分布180 可知大約在可知大約在7070處處可達(dá)最大值，即產(chǎn)生相可達(dá)最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。這正當(dāng)于體重的力

12、量。這正是許多操縱機構(gòu)（例如是許多操縱機構(gòu)（例如方向盤）至于人體正前方向盤）至于人體正前上方的原因所在。上方的原因所在。返回返回拉力拉力推力推力返回返回最大拉力產(chǎn)生在最大拉力產(chǎn)生在180位置上位置上。最大推力產(chǎn)生在最大推力產(chǎn)生在0位置上位置上。返回返回手臂在坐姿下對不同角度和方向的操縱力（單位：手臂在坐姿下對不同角度和方向的操縱力（單位：N N）返回返回結(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。大于向外用力。返回返回 最大蹬力最大蹬力一般在膝部一般在膝部屈曲屈曲160時時產(chǎn)生。產(chǎn)生。 下肢向外下肢向外偏轉(zhuǎn)約偏轉(zhuǎn)約10時的蹬

13、力最時的蹬力最大。大。圖圖T3T3圖圖T4T4結(jié)論：由最大值衰減到結(jié)論：由最大值衰減到1/4，只需要，只需要min，操作力最大肌力的操作力最大肌力的20，不容易疲勞不容易疲勞,操作力最大肌力的操作力最大肌力的15,操作可無限持續(xù)。操作可無限持續(xù)。返回返回v肌力的大小因人而異，男性的力量比女性平均大肌力的大小因人而異，男性的力量比女性平均大30% 30% 35%35%。年齡是影響肌力的顯著因素，男性的力量在。年齡是影響肌力的顯著因素，男性的力量在2020歲歲之前是不斷增長的，之前是不斷增長的，2020歲左右達(dá)到頂峰，這種狀態(tài)大約歲左右達(dá)到頂峰，這種狀態(tài)大約可以保持可以保持10151015年，隨后

14、開始下降。年，隨后開始下降。v此外，人體所處的姿勢是影響施力的重要因素，作業(yè)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。圖姿勢設(shè)計時，必須考慮這一要素。圖5-85-8表示人體在表示人體在不同姿勢下的施力狀態(tài)，圖中（不同姿勢下的施力狀態(tài)，圖中（a a）為常見的操作姿）為常見的操作姿態(tài)，其對應(yīng)的施力數(shù)值見表態(tài)，其對應(yīng)的施力數(shù)值見表5-45-4，施力時對應(yīng)的移動，施力時對應(yīng)的移動距離見表距離見表5-5.5-5. 圖圖5-8（b）為常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的）為常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的實力大小見表實力大小見表5-6，施力時相應(yīng)的移動距離已標(biāo)，施力時相應(yīng)的移動距離已標(biāo)注在該

15、圖中。注在該圖中。補充材料補充材料1：影響人體能的因素：影響人體能的因素2.2.、動作速度、動作速度 (1) (1)肢體肌肉收縮的速度：不同的肌肉，肌力、肢體肌肉收縮的速度：不同的肌肉，肌力、阻力；阻力； (2) (2)動作方向和動作軌跡等特征動作方向和動作軌跡等特征( (動作特征）動作特征）2.2.、動作頻率、動作頻率 取決于動作部位和動作方式。取決于動作部位和動作方式。參閱表參閱表B B- -1 1。2.32.3、人體動作的靈活性、人體動作的靈活性：是指操作時動作速度和頻率，由人體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、短的部位比長的的生物力學(xué)特性

16、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。時，應(yīng)當(dāng)充分考慮人體動作靈活性的特點。參閱表參閱表B-5表表B B1 1 人體各部位動作速度與頻率限度人體各部位動作速度與頻率限度返回返回返回返回人的信息輸出方式人的信息輸出方式：語言輸出、運動輸出。語言輸出、運動輸出。運動輸出的質(zhì)量指標(biāo)運動輸出的質(zhì)量指標(biāo)：反應(yīng)時間、運動速度和準(zhǔn)確性反應(yīng)時間、運動速度和準(zhǔn)確性。v 反應(yīng)時間（反應(yīng)時間（ RTRT）: :又稱為反應(yīng)潛伏期，它是指刺激和

17、反應(yīng)又稱為反應(yīng)潛伏期，它是指刺激和反應(yīng)的時間的時間間隔間隔。它由反應(yīng)知覺時間（。它由反應(yīng)知覺時間（t tz z）和動作時間（和動作時間（t td d）組組成。成。 即即 RT=tRT=tz z+t+td d簡單反應(yīng)時間、選擇反應(yīng)時間、析取反應(yīng)時間簡單反應(yīng)時間、選擇反應(yīng)時間、析取反應(yīng)時間（1 1）不同的感覺器官簡單反應(yīng)的時間不同；）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。參閱表以觸覺與聽覺最優(yōu)，視覺次之。參閱表3-3-1 1。（2 2）同一感覺器官接受的刺激不同，反應(yīng)時間不同；）同一感覺器官接受的刺激不同，反應(yīng)時間不同；（3 3）相同感覺器官接受相同的刺激，不同部位反應(yīng)時

18、）相同感覺器官接受相同的刺激，不同部位反應(yīng)時間不同。間不同。 人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，見表見表3-23-2。 對于同一種性質(zhì)的刺激來說，一般情況是對弱對于同一種性質(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。參閱表時，反應(yīng)時間短。刺激方式影響反應(yīng)時間。參閱表3-3-3 3。 “不可減的最少限不可減的最少限”：反應(yīng)時間不再減少的刺激強：反應(yīng)時間不再減少的刺激強度增量的上限值。度增量的上限值。（1 1）信號與背景的亮度、顏色、信噪比及頻

19、率）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；的對比程度越強，反應(yīng)時間越短；（2 2）刺激信號的刺激時間；參閱表）刺激信號的刺激時間；參閱表3-3-4 4 （3 3）刺激的數(shù)目、顏色；）刺激的數(shù)目、顏色；表表3-3-5 5 B B （4 4）顯示器及操縱器的設(shè)計。）顯示器及操縱器的設(shè)計。 習(xí)俗、個體差異（性別、年齡）、疲勞等個人生習(xí)俗、個體差異（性別、年齡）、疲勞等個人生理、心理狀況。理、心理狀況。 年年 齡齡202030304040505060反應(yīng)時間相對值反應(yīng)時間相對值100100104104112112116116161161返回返回刺 激反應(yīng)時間（ms）光電 擊

20、聲 音光 和 電擊光 和 聲音聲音和電擊光、聲和電擊176143142142142131127返回返回表表3-3-3 3 不同強度刺激的反應(yīng)時間不同強度刺激的反應(yīng)時間返回返回光刺激持續(xù)時間36122448反 應(yīng) 時 間191189187184184刺激選擇數(shù)目反應(yīng)時間（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回返回要 辨 別要 辨 別的刺激的刺激白和黑白和黑紅和綠紅和綠紅和黃紅和黃紅和橙紅和橙紅 和 橙紅 和 橙（加（加25%25%紅）紅）紅 和 橙紅 和 橙（加（加50%紅）紅）紅 和 橙紅 和 橙（加（加75%紅）紅）1 0 和和1 3 m

21、 m線段線段1 0 和和12.5mm線段線段平 均 反平 均 反應(yīng) 時 間應(yīng) 時 間（ms）197208217246252260271296298要 辨 別要 辨 別的刺激的刺激1 0 和和12mm線段線段10和和11.5mm線段線段1 0 和和1 1 m m線段線段1 0 和和10.5mm線段線段相差相差16Hz純純音音相差相差12Hz純純音音相差相差8 H z 純純音音相差相差4 H z 純純音音平 均 反平 均 反應(yīng) 時 間應(yīng) 時 間（ms）305313324345290299311334 返回返回 1. 1. 動作特點動作特點 表表3-3-6 6 2. 2. 目標(biāo)距離目標(biāo)距離：距離增加

22、距離增加，T Td d增長，寬度增加，增長，寬度增加， T Td d縮短?？s短。 3. 3. 運動方向運動方向 圖圖3-3-1 1 圖圖3-23-2 4. 4. 動作軌跡特征動作軌跡特征 5. 5. 負(fù)荷重量負(fù)荷重量：最大運動速度與負(fù)荷重量成反比。：最大運動速度與負(fù)荷重量成反比。 用完成動作的時間來評定（用完成動作的時間來評定（T Td d）1其其他他功功能能23456 人體軀人體軀干和肢干和肢體在水體在水平面的平面的運動比運動比在垂直在垂直面的運面的運動速度動速度快快。 垂直方垂直方向的操向的操縱動作縱動作，從上，從上往下的往下的運動速運動速度比從度比從下往上下往上的運動的運動速度快速度快。

23、 水平方水平方向的操向的操縱動作縱動作，前后，前后運動速運動速度比左度比左右運動右運動速度快速度快，旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)運動比運動比直線運直線運動更靈動更靈活?；?。順時針順時針方向的方向的操作動操作動作比逆作比逆時針方時針方向的操向的操作動作作動作，速度，速度更快，更快，更加習(xí)更加習(xí)慣。慣。一般人一般人的手操的手操縱動作縱動作，右手，右手比左手比左手快，而快，而右手的右手的動作，動作，向右運向右運動比向動比向左運動左運動快?？?。向身體向身體方向的方向的運動比運動比離開身離開身體方向體方向的運動，的運動，速度更速度更快，但快，但后者的后者的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性高。高。返回返回動作部位動作特點最少平均時間/s手抓取

24、直線的曲線的0.070.070.220.22旋轉(zhuǎn)克服阻力不克服阻力0.720.720.220.22腳直 線 的克服阻力的0.360.360.720.72腿直 線 的腳 向側(cè) 面0.360.360.720.721.461.46軀干彎 曲傾 斜0.720.721.621.621.261.26返回返回出手距離（cm）204060平 均 反 應(yīng) 時 間（ms）525596670標(biāo)準(zhǔn)差（ms）507174返回返回圖圖3-3-1 1 返回返回圖圖3-2 3-2 返回返回1234運動時間、運動類型、運動方向、操作方式運動時間、運動類型、運動方向、操作方式速度越慢，速度越慢，準(zhǔn)確性越高準(zhǔn)確性越高 見見圖圖3-3正前方盲目定位正前方盲目定位準(zhǔn)確性最高；右準(zhǔn)確性最高；右方優(yōu)于左方；同方優(yōu)于左方；同一方位，下中方一方位，下中方優(yōu)于上方。優(yōu)于上方。水平方向，左水平方向，左右運動；右運動；垂直方向，上垂直方向，上下運動；下運動；見圖見圖3-6見圖見圖3-4見圖見圖3-5圖圖3-3-3 3 返回返回圖圖3-3-4 4 返回返回返回返回圖圖3-3-6 6 返回返回v5.4.1 避免靜態(tài)肌肉施力避免靜態(tài)肌肉施力 提高人體作業(yè)的效率，一方面要合理使用肌力，提高人體作業(yè)的效率，一方面要合理使用肌力，降低