第五章人体生物力学与施力特征

骨 运动的杠杆关节 运动的枢纽肌肉 运动的动力 5 1 1人体运动系统 骨 关节 肌肉 5 1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骨的功能和骨杠杆 1 支撑人体 2 保护内脏 3 造血 储备矿物盐 4 运动的杠杆 1 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 但运动速度快由机械学中的等功原理可知 利用杠杆省力不省功 得之于力则失之于速度 或幅度 即产生的运动力量大而范围就小 反之亦然 因此 最大的力量和最大的运动范围两者是相矛盾的 在设计操作动作时 必须考虑这一原理 2 骨杠杆 5 2人体生物力学模型 5 2 1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 图5 2抓捏物体时前臂和手的生物力学简化模型 肘部受力 0 肘部总力矩 0 5 2 3举物时腰部生物力学模型 图5 3举物时腰部的生物力学静止平面模型 L5 S1腰骶间盘力矩 0 L5 S1腰骶间盘受力 0 解得腰骶间盘所受的压力达到5459N 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躯干重点的距离 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 5 3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 图5 4人体各部位活动范围示意图 人体各部分的活动范围 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肢体的出力范围 1 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0 001 0 002N 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 22 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 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 在直立姿势下弯臂时 不同角度时的力量分布 如图5 5 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 在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力 如图5 7 如表5 3 坐姿时 下肢不同位置上的蹬力大小 如图5 8 a 和5 8 b 注 肢体所施力量的大小 与持续时间有关 如图5 9和图5 10 5 3 3人体不同姿势的施力 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10 15年 随后开始下降 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 11 a 人体在不同姿势下的施力状态 人体在常见的操作姿态下的施力状态 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5 11 b 人体在不同姿势下的活动姿态 人体常见的活动姿态 其对应的施力大小见表5 6 施力时相应的移动距离已标注在该图中 5 4 1避免静态肌肉施力 5 4合理施力的设计思路 提高人体作业的效率 一方面要合理使用肌力 降低肌肉的实际负荷 另一方面要避免静态肌肉施力 无论是设计机器设备 仪器 工具 还是进行作业设计和工作空间设计 都应遵循避免静态肌肉施力这一人机工程学的基本设计原则 例如 应避免使操作者在控制机器时长时间地抓握物体 当静态施力无法避免时 肌肉施力的大小应低于该肌肉最大肌力的15 1 避免弯腰或其他不自然的身体姿势 2 避免长时间抬手作业 3 坐着工作比立着工作省力 4 双手工作时 手的运动方向应相反或者对称运动 单手作业本身就造成背部肌肉静态施力 5 作业位置高度应按工作者眼睛和观察时所需的距离来设计 6 常用工具按使用频率或操作频率放在人附近 7 手在高位置作业时 应使用支撑物来托住肘关节 前臂或者手 8 利用重力作用 避免静态肌肉施力的几个设计要点如下 人们经过长期的劳动实践和科学研究总结了一套正确的提重方法 即直腰弯膝 5 4 2避免弯腰提起重物 图5 9 5 4 3设计合理的工作台 设计可升降的工作台帮助工人搬运大型货 设计消除操作过程中不必要的躯体扭转的工作场所 明显较少工人的不适和受伤的可能性 图5 12影响人体能的因素 补充材料 一 影响人体能的因素 二 肢体的动作速度与频率 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5 7 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5 8 三 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 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 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5 9 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 人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的 见表5 10 2 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5 11 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 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5 12 3 刺激的数目 颜色 表5 13 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 年龄与反应时间的关系 4 人的主体因素 反应随年龄变化曲线 1 动作特点表5 142 目标距离 距离增加 Td增长 宽度增加 Td缩短 3 运动方向图5 12图5 134 动作轨迹特征图5 145 负荷重量 最大运动速度与负荷重量成反比 3 2运动速度 用完成动作的时间来评定 Td 图5 12手向各方向运动时间差异 图5 13不同区域内手指敲击运动速度差异 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 图5 14动作轨迹特征 反应动作距离与动作时间 3 3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5 15 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5 18 运动速度与准确性 见图5 16 盲目定位的准确性 见图5 17 运动方向与准确性 操作方式与准确性 图5 15速度 准确性特性曲线 图5 16不同方位盲目定位运动准确性 图5 17手臂运动方向对连续控制运动准确性影响 图5 18不同控制操作方式对准确性影响 图5 1人体骨杠杆 a 平衡杠杆 b 省力杠杆 c 速度杠杆 返回 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5 6立姿直臂时拉力和推力分布 拉力 推力 最大拉力产生在180 位置上 最大推力产生在0 位置上 返回 图5 7坐姿时手臂的操纵力的测试方位 返回 图5 8不同体位下的蹬力 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 返回 图5 9 图5 10 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 表5 1重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围 后页继续 返回 表5 1 续 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围 返回 表5 2身体主要部位肌肉所产生的力 单位 N 20 30岁 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 返回 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