人體生物力學(xué)與施力特征

人體生物力學(xué)與施力特征第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.1.2骨的功能和骨杠桿

（1）支撐人體（2）保護內(nèi)臟（3）運動的杠桿（4）造血（5）儲備礦物鹽：主要是磷和鈣等。1.骨的功能第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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，但運動速度快由等功原理，得之于力則失之于幅度，反之亦然。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。2.骨杠桿第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖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4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.2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5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三生物力學(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6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三當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7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2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（5-3）∑（肘部總力矩）=0（5-4）第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.2.3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

（5-7）∑（L5/S1腰骶間盤受力）=0

（5-8）解得腰骶間盤所受的壓力達到5458N，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脊柱重心的距離。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9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三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10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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10.下擺、上擺第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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)范圍第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

人體各部分的活動范圍第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三人體上部及上肢固定姿勢活動角度范圍第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三主要關(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15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（b）開渠機駕駛艙（正視圖）第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（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17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2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0.01～0.02N，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18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表5—2身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：N，20～30歲）返回結(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%。第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（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T1，如表5-3。（４）坐姿時，下肢不同位置上的蹬力大小。如圖5—7(a)和5-7(b）。注:肢體所施力量的大小，與持續(xù)時間有關(guān).如圖T3和圖T4第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖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21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

圖5-6立姿直臂時拉力和推力分布拉力推力返回最大拉力產(chǎn)生在180°位置上。最大推力產(chǎn)生在0°位置上。第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖T1坐姿時手臂的操縱力的測試方位返回第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖5-7不同體位下的蹬力返回

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。第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖T3圖T4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26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.3.3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。圖5-8表示人體在不同姿勢下的施力狀態(tài)，圖中（a）為常見的操作姿態(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27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖5-8人體在不同姿勢下的實力狀態(tài)（a）操作姿態(tài)第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖5-8人體在不同姿勢下的實力狀態(tài)（b）活動姿態(tài)圖5-8（b）為常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的實力大小見表5-6，施力時相應(yīng)的移動距離已標注在該圖中。第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

圖T5影響人體能的因素補充材料1：影響人體能的因素第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2：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B-1。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)當充分考慮人體動作靈活性的特點。參閱表B-5第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

表B—1人體各部位動作速度與頻率限度返回第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表B-2人體各部分的最大運動頻率返回第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三3：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37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三3.1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38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1.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3-1。（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39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，見表3-2。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3-3。

“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40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三3.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3-4

（3）刺激的數(shù)目、顏色；表3-5

B（4）顯示器及操縱器的設(shè)計。第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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.人的主體因素第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表3-1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43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三刺激反應(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3-2對各種刺激的反應(yīng)時間返回第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表3-3不同強度刺激的反應(yīng)時間返回第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表3-4光刺激時間對反應(yīng)時間的影響表3-5可選擇的刺激數(shù)目對反應(yīng)時間的影響光刺激持續(xù)時間36122448反應(yīng)時間191189187184184刺激選擇數(shù)目反應(yīng)時間（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三要辨別的刺激白和黑紅和綠紅和黃紅和橙紅和橙（加25%紅）紅和橙（加50%紅）紅和橙（加75%紅）10和13mm線段10和12.5mm線段平均反應(yīng)時間（ms）197208217246252260271296298要辨別的刺激10和12mm線段10和11.5mm線段10和11mm線段10和10.5mm線段相差16Hz純音相差12Hz純音相差8Hz純音相差4Hz純音

平均反應(yīng)時間（ms）305313324345290299311334

B刺激的辨別難度對反應(yīng)時間的影響返回第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

1.動作特點表3-6

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3-1

圖3-24.動作軌跡特征

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48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1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。

返回第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三表3-6人體各部位動作一次的最少平均時間動作部位動作特點最少平均時間/s手抓取直線的曲線的0.070.22旋轉(zhuǎn)克服阻力不克服阻力0.720.22腳直線的克服阻力的0.360.72腿直線的腳向側(cè)面0.360.72～1.46軀干彎曲傾斜0.72～1.621.26返回第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三出手距離（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返回第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖3-1

手向各方向運動時間差異

返回第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖3-2不同區(qū)域內(nèi)手指敲擊運動速度差異返回第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三3.3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3-3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3-6運動速度與準確性見圖3-4盲目定位的準確性見圖3-5運動方向與準確性操作方式與準確性第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三圖3-3

速度—準確性特性曲線返