骨科人体生物力学与施力特征分析医学

5.1.1 人体运人体运 动系统动系统 n 骨 运动的杠杆 n 关节 运动的枢纽 n 肌肉 运动的动力 5.1 人体运动与骨杠杆人体运动与骨杠杆 三者在 神经系统的 支配和调节 下协调一致 ，随着人的 意志，共同 准确地完成 动作。 5.1.2 骨的功能骨的功能 和骨杠杆和骨杠杆 （ 1）支撑人体 （ 2）保护内脏 （ 3）运动的杠杆 （ 4）造血 （ 5）储备矿物盐：主要 是磷 和钙等。 1.骨的功能骨的功能 根据支点，力点（动力点）、重点（阻力 点） 三者不同的位置分布，分为：见图 5-1 （ 1）平衡杠杆 （ 2）省力杠杆 （ 3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 n 由等功原理，得之于力则失之于幅度 ， 反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动 范围两者是相矛盾的，在设计操纵动作时， 必须考虑这一原理。 2. 骨杠杆骨杠杆 图图 5-1 人体骨杠杆人体骨杠杆 （ a）平衡杠杆（）平衡杠杆（ b）省）省 力杠杆（力杠杆（ c）速度杠杆）速度杠杆 返回 5.2人体生物力学模型人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组 成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系 统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列 功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和 人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力 ，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工 作环境中的危险并尽量避免这些危险。 生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定 律上：（ 1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态； （ 2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （ 3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。 当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为 它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这 个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的 外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。 静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动 就处于静止状态。 单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它 体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三 维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。 5.2.2 前臂和手的生物力学模型前臂和手的生物力学模型 图图 5-2 抓捏物体时前臂和手的抓捏物体时前臂和手的 生物力学简化模型生物力学简化模型 （肘部受力） =0 （ 5-3） （肘部总力矩） =0 （ 5-4） 5.2.3 举物时腰部生物力学模型举物时腰部生物力学模型 图图 5-3 举物时腰部的生物举物时腰部的生物 力学静止平面模型力学静止平面模型 （ L5/S1腰骶间盘力矩） =0 （ 5-7） （ L5/S1腰骶间盘受力） =0 （ 5-8） 解得腰骶间盘所受的压 力达到 5458N，大多数工 人的腰骶间盘都无法承受 这个压力水平。 主要因素： 货物的重力 和 货 物的位置到脊柱重心的距离 。 其它因素还有： 躯体扭转的角 度、货物的大小和形状、货物 移动的距离 等。 骨与骨之间除了由关节相连外，还由 肌肉和 韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增 加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动 的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限 度，超过限度，将会造成损伤。 5.3.1 主要关节的活动范围主要关节的活动范围 5.3 人体的施力特征人体的施力特征 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒 适调节范围内。表 5-1为人体重要活动范围和身体各 部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考 相应的示意图 5-4。 表表 5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围 10.下摆、上摆 表表 5-1（续）（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围 人体各部分的活动人体各部分的活动 范围范围 人体上部及上肢固定姿势活动角度范围人体上部及上肢固定姿势活动角度范围 主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置 （ a）挖沟作业示意图 （ b）开渠机驾驶舱（正视图） （ c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势 （ 1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。 （ 2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。 5.3.2 肢体的出力范肢体的出力范 围围n 1、肌力、肌力 ： 肌肉的力量来自肌肉收缩， 肌肉收 缩时产生的力称为肌肉力。 人的一条肌纤维所 发挥的力量约为 0.01 0.02N， 肌力是多条肌 纤维的收缩力总和。 人体肌肉的生理特征。 见 表 5-2 n 2、操作力、操作力 ： 在作业中，为了达到操作效果， 操作者有关部位（手、脚、躯干等）所施出的 一定大小的力。 n 决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和 方向。只有在这些综合条件下的肌肉出力的能 力和限度才是操纵力设计的依据。 表 5 2 身体主要部位肌肉所产生的力（单位： N， 20 30岁） 返回 结论：女性的肌力比男性低 20% 30%，右手比左手强 10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6% 7%。 n （） 在直立姿势下弯臂时，不同角度时的 力量分布；如 图 5-5。 n （） 在直立姿势下臂伸直时，不同角度位 置上拉力和推力的分布；如图 5-6。 n （） 在坐姿下手臂在不同角度和方向上的 推力和拉力；如图 T1，如表 5-3。 n （） 坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小 。 如图 57(a) 和 5-7(b）。 n 注 :肢体所施力量的大小，与持续时间有关 . 如图 T3和图 T4 图 5-5 立姿弯臂时的力量分布 180 可知大约在 70 处 可达最大值，即产生相 当于体重的力量。这正 是许多操纵机构（例如 方向盘）至于人体正前 上方的原因所在。 返回 图图 5-6 立姿直臂时拉力和推力分布立姿直臂时拉力和推力分布 拉力 推力 返回 最大拉力产生在 180位置上。 最大推力产生在 0位置上。 图图 T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位坐姿时手臂的操纵力的测试方位 返回 表表 5 3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位： N） 返回 结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力 大于向外用力。 图图 5-7 不同体位下的蹬力不同体位下的蹬力 返回 最大蹬力 一般在膝部 屈曲 160时 产生。 下肢向外 偏转约 10 时的蹬力最 大。 图 T3 图 T4 结论：由最大值衰减到 1/4，只需要 min， 操作力最大肌力的 20， 不容易疲劳 ,操作力最大肌力的 15 ,操作可无限持续。 返回 5.3.3 人体不同姿势的施人体不同姿势的施 力力n 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% 35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的 力量在 20岁之前是不断增长的， 20岁左右达到顶 峰，这种状态大约可以保持 1015年，随后开始 下降。n 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素 ，作业姿势设计时，必须考虑这一要素。图 5-8 表示人体在不同姿势下的施力状态，图中（ a） 为常见的操作姿态，其对应的施力数值见表 5-4 ，施力时对应的移动距离见表 5-5. 图图 5-8 人体在不同姿势下的实力状态人体在不同姿势下的实力状态 （ a）操作姿态）操作姿态 图图 5-8 人体在不同姿势下的实力状态人体在不同姿势下的实力状态 （ b）活动姿态）活动姿态 图 5-8（ b）为常见的活动姿态，其对应的 实力大小见表 5-6，施力时相应的移动距离已标 注在该图中。 图图 T5 影响人体能的因素影响人体能的因素 补充材料 1：影响人体能的因素 2： 肢体的动作速肢体的动作速 度与频率度与频率2.、动作速度 (1)肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉， 肌力、 阻力； (2)动作方向和动作轨迹等特征 (动作特征 ） 2.、动作频率 取决于动作部位和动作方式。 参阅表 B-1 。 2.3、人体动作的灵活性 ： 是指操作时动作速度和频率，由人体 的生物力学特性所决定。人体重量轻的部位比重的部位、短的部位比长的 部位、肢体末端比主干部位的动作更灵活。因此，设计机器及其操纵装置 时，应当充分考虑人体动作灵活性的特点。 参阅表 B-5 表 B 1 人体各部位动作速度与频率限度 返回 表表 B-2 人体各部分的最大运人体各部分的最大运 动频率动频率 返回 3：人的运动输出：人的运动输出 人的信息输出方式 ： 语言输出、运动输出。 运动输出的质量指标 ： 反应时间、运动速度和准确性 。 3.1 反应时间反应时间 n 反应时间（ RT） :又称为反应潜伏期，它是指刺激 和反应的时间 间隔 。它由反应知觉时间（ tz） 和动 作时间（ td） 组成。 即 RT=tz+td 简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间 1.不同的感觉器官（不同性质的刺激）不同的感觉器官（不同性质的刺激） （ 1）不同的感觉器官简单反应的时间不同； 以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表 3- 1。 （ 2）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间 不同； （ 3）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部位 反应时间不同。 影响反应时间的主要因素影响反应时间的主要因素 人对各种不同性质刺激的反应时间是不 同的，见表 3-2。 2.刺激信号的性质和强度刺激信号的性质和强度 对于同一种性质的刺激来说，一般情况是对弱 刺激的反应时间较长，刺激增加到中等强度与极强 时，反应时间短。 刺激方式影响反应时间。参阅表 3 -3。 “ 不可减的最少限 ” ：反应时间不再减少的刺激强 度增量的上限值。 3.刺激的清晰度和可辩性（环境影响）刺激的清晰度和可辩性（环境影响） （ 1）信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率 的对比程度越强，反应时间越短； （ 2）刺激信号的刺激时间；参阅表 3-4 （ 3）刺激的数目、颜色； 表 3-5 B （ 4）显示器及操纵器的设计。 习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等 个人生理、心理状况。 年 龄 20 30 40 50 60 反应时间相对值 100 104 112 116 161 年龄与反应时间的关系年龄与反应时间的关系 4.人的主体因素人的主体因素 表表 3-1 不同感觉器官的反应时间不同感觉器官的反应时间 感觉器官 反应时间（ ms） 触觉 110-160 听觉 120-160 视觉 150-200 冷觉 150-230 温觉 180-240 嗅觉 210-390 痛觉 400-1000 味觉 330-1100 返回 刺 激 反应时间（ ms） 光 电 击 声 音 光 和 电击 光 和 声音 声音和电击 光、声和电击 176 143 142 142 142 131 127 表表 3-2 对各种刺激的反应时间对各种刺激的反应时间 返回 表 3-3 不同强度刺激的反应时间 返回 表表 3-4 光刺激时间对反应时间的影响光刺激时间对反应时间的影响 表表 3-5 可选择的刺激数目对反应时间的影响可选择的刺激数目对反应时间的影响 光刺激持续 时间 3 6 12 24 48 反 应 时 间 191 189 187 184 184 刺激选择数 目反应时间 （ ms） 1 187 2 316 3 364 4 434 5 485 6 532 7 570 8 603 9 619 10 622 返回 要辨别 的刺激 白和黑 红和绿 红和黄 红和橙 红和橙 （加 25%红 ） 红和橙 （加 50% 红 ） 红和橙 （加 75% 红 ） 10和 13mm 线段 10和 12.5mm 线段 平均反 应时间 （ ms） 197 208 217 246 252 260 271 296 298 要辨别 的刺激 10和 12mm 线段 10和 11.5mm 线段 10和 11mm 线段 10和 10.5mm 线段 相差 16Hz纯 音 相差 12Hz纯 音 相差 8Hz纯 音 相差 4Hz纯 音 平均反 应时间 （ ms） 305 313 324 345 290 299 311 334 B 刺激的辨别难度对反应时间的影响刺激的辨别难度对反应时间的影响 返回 1. 动作特点 表 3-6 2. 目标距离 ： 距离增加 ， Td增长，宽度增 加， Td缩短。 3. 运动方向 图 3-1 图 3-2 4. 动作轨迹特征 5. 负荷重量 ：最大运动速度与负荷重量成 反比。 3.2 运动速度运动速度 用完成动作的时间来评定（ Td） 1 其 他 功 能 2 3 4 5 6 人体躯 干和肢 体在水 平面的 运动比 在垂直 面的运 动速度 快 。 垂直方 向的操 纵动作 ，从上 往下的 运动速 度比从 下往上 的运动 速度快 。 水平方 向的操 纵动作 ，前后 运动速 度比左 右运动 速度快 ，旋转 运动比 直线运 动更灵 活。 顺时针 方向的 操作动 作比逆 时针方 向的操 作动作 ，速度 更快， 更加习 惯。 一般人 的手操 纵动作 ，右手 比左手 快，而 右手的 动作， 向右运 动比向 左运动 快。 向身体 方向的 运动比 离开身 体方向 的运动 ，速度 更快， 但后者 的准确 性高。 返回 表表 3-6 人体各部位动作一次的最少平均时间人体各部位动作一次的最少平均时间 动作部位 动作特点 最少平均时间 /s 手 抓取 直线的曲线的 0.070.22 旋转 克服阻力不克服阻力 0.720.22 脚 直 线 的克服阻力的 0.360.72 腿 直 线 的脚 向侧 面 0.360.72 1.46 躯干 弯 曲倾 斜 0.72 1.621.26 返回 出手距离（ cm） 20 40 60 平均反应时间（ ms） 525 596 670 标准差（ ms） 50 71 74 反应动作距离与动作时间反应动作距离与动作时间 返回 图 3-1 手向各方向运动时间差异手向各方向运动时间差异 返回 图 3-2 不同区域内手指敲击运动速度差异不同区域内手指敲击运动速度差异 返回 3.3 运动准确性运动准确性 1 2 3 4 运动时间、运动类型、运动方向、操作方式 速度越慢， 准确性越高 见 图 3-3 正前方盲目定位 准确性最高；右 方优于左方；同 一方位，下中方 优于上方。 水平方向，左 右运动； 垂直方向，上 下运动； 见图 3-6 运动速运动速 度与准度与准 确性确性 见图 3-4 盲目定位盲目定位 的准确性的准确性 见图 3-5 运动方向运动方向 与准确性与准确性 操作方式