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1408-胯关节能量收集装置的设计,1408,关节,能量,收集,装置,设计
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设计人：指导老师：,胯关节运动能量收集装置的设计,一、胯关节运动能量收集装置的原理性设计,原动力齿轮,逆时针超越离合器,发电机,顺时针超越离合器,运动仿真.exe,二、胯关节能量收集装置的初步建模,三、双向超越离合器机构的创新设计,顺时针超越离合器,棘爪,传动齿轮,逆时针棘轮即电机外壳,发电机,四、发电机内部结构的创新设计,磁铁,垫片,支撑板,线圈,五、胯关节能量收集装置的放置,固定,固定,六、充电电池的放置,七、关键零件的应力分析,八、运动仿真,九、电路原理图设计,电路所用元件对照报告,电路模拟仿真,十、印刷电路板设计,幻灯片播放完毕，谢谢！,1,第四章人体参数,主讲：石运序shiyunxu,2,第二章人体参数,内容第一节人体尺寸测量第二节人体的人机学参数计算第三节人体测量数据的应用,3,第一节人体尺寸测量,人体测量学是一门用测量方法研究人体的体格特征的科学。它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。本节主要介绍人体测量的基础知识。应该掌握“测量基准面”、“静态测量”和“动态测量”等一些基本概念。,4,一、人体尺寸测量的基础,人机工程学使用的成年人和青少年的人体测量术语由国标GB/T5703-1999规定。该标准还规定，只有在被测者姿势、测量基准面、测量方向、测点等符合下列5项要求的前提下，测量数据才有效。,5,1被测者姿势的要求,1）立姿2）坐姿,指被测者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，自然伸直膝部，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致呈45o夹角，体重均匀分布于两足。,6,1被测者姿势的要求,1）立姿2）坐姿,指被测者挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，左、右大腿大致平行，膝弯屈大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。,7,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,8,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,通过铅垂轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢状面。,9,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,在矢状面中，把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状面。正中矢状面将人体分为左右对称的两部分。,10,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,通过铅垂轴和横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面。冠状面将人体分成前后两部分。,11,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,与矢状面和冠状面同时垂直的所有平面都称为水平面。水平面将人体分成上下两部分。,12,2测量基准面的要求,人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴、横轴）定的。1）矢状面2）正中矢状面3）冠状面4）水平面5）眼耳平面,通过左、右耳屏点及右眼眶下点的水平面称为眼耳平面。,13,3测量方向的要求,1）头侧端，足侧端。2）内侧，外侧。3）近位，远位。4）挠侧，尺侧。5）胫侧，腓侧。,在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。,14,3测量方向的要求,1）头侧端，足侧端。2）内侧，外侧。3）近位，远位。4）挠侧，尺侧。5）胫侧，腓侧。,在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。,15,3测量方向的要求,1）头侧端，足侧端。2）内侧，外侧。3）近位，远位。4）挠侧，尺侧。5）胫侧，腓侧。,在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。,16,3测量方向的要求,1）头侧端，足侧端。2）内侧，外侧。3）近位，远位。4）挠侧，尺侧。5）胫侧，腓侧。,在上肢上，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。,17,3测量方向的要求,1）头侧端，足侧端。2）内侧，外侧。3）近位，远位。4）挠侧，尺侧。5）胫侧，腓侧。,在下肢上，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。,18,4支承面和衣着的要求,立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应该是水平、稳固、不可压缩的。要求被测量者裸体或穿着尽量少的内衣测量。,19,5基本测点及测量项目,头部测点16个和测量项目12项；躯干和四肢部位的测点共22个，其测量项目共69项，其中分为：立姿40项，坐姿22项；手和足部6项及体重1项。此外，测量时，必须按照标准规定的测量仪器和方法进行测量，其测量结果方为有效。,20,二、人体测量的主要仪器,(1)、直脚规(2)、弯脚规(3)、人体测高仪,由固定直脚、活动直脚、主尺和尺框等组成。固定直脚与活动直脚的一端扁平呈鸭嘴形，主要用于测量活体；另一端尖锐，主要用于测量骨骼。直脚规可测量200毫米范围以内的直线距离。,21,二、人体测量的主要仪器,(1)、直脚规(2)、弯脚规(3)、人体测高仪,由左弯脚、右弯脚、主尺和尺框构成。可用于测量活体和骨骼。弯脚规可测量300毫米范围以内的直线距离。,22,二、人体测量的主要仪器,(1)、直脚规(2)、弯脚规(3)、人体测高仪,又称为马丁测高仪。由主尺杆5、固定尺座2、活动尺座3、底座6、两支直尺1和两支弯尺4构成。主尺杆由34节金属管相互套接而成，测量范围是02000毫米。可测量身高、坐高和体部的各种高度。,23,二、人体测量的主要仪器,(1)、直脚规(2)、弯脚规(3)、人体测高仪,当它的第一节金属管的固定尺座与活动尺座各插一支直尺时，可作为大型活动直脚规使用。可测活体的肩宽、胸宽等，也可测骨骼的股骨体长等。,24,二、人体测量的主要仪器,(1)、直脚规(2)、弯脚规(3)、人体测高仪,在活动尺座和固定尺座各插一支弯脚时，可作为大型弯脚规使用，用于测量胸部矢状径等。,25,三、常用统计函数,在人体测量中，有两个重要的统计量：均值和标准差。前者表示分布的集中趋势；后者表示分布的离中趋势。,26,1均值,表示样本的测量数据集中地趋向某一个值，该值称为平均值，简称均值。对有n个样本的测量值：x1，x2，xn，其均值为：,27,2方差,描述测量数据在中心位置（均值）上下波动程度差异的值叫均方差，通常称为方差。对于均值为的n个样本测量值：x1，x2，xn，其方差S2的定义为：,28,3标准差,由方差的计算公式可知，方差的量纲是测量值量纲的平方，为使其量纲和均值相一致，则取其均方根差值，即标准差来说明测量值对均值的波动情况。所以方差的平方根S称为标准差。,29,4抽样误差,抽样误差又称为标准误差，即全部样本均值的标准差。抽样误差数值大，表明样本均值与总体均值的差别大，反之说明其差别小，即均值的可靠性高。当样本数据列的标准差为S，样本容量为n时，则抽样误差的计算式为：,30,5百分位数,人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸等级，最常用有：第5%百分位数第50%百分位数第95%百分位数,第5百分位数是代表“小”身材，是指有5%的人群身材尺寸小于此值，95%的人群身材尺寸大于此值。,31,5百分位数,人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸等级，最常用有：第5%百分位数第50%百分位数第95%百分位数,第50百分位数表示“中”身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各为50%。,32,5百分位数,人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸等级，最常用有：第5%百分位数第50%百分位数第95%百分位数,第95百分位数代表“大”身材，是指有95%的人群身材尺寸均小于此值，5%的人群身材尺寸大于此值。其它百分位数的含义可以此类推。,33,求百分位数值,当已知某项人体测量尺寸的均值为，标准差为S，求某一百分位的人体测量尺寸xa时，可用下式计算：当求150%之间的数据时，式中取“”号；当求5099%之间的数据时，式中取“+号。式中K为变换系数，设计中常用百分比值与换算系数K的关系见表。,34,35,四、常用人体测量数据1、我国成年人的人体结构尺寸,人体测量数据的种类分两类：人体结构尺寸指静态尺寸；人体功能尺寸指动态尺寸。静态测量是指被测者在确定的静止状态下，如立姿或坐姿，利用人体测量仪器进行的测量。具体测量时，应首先确定测点的位置和所需要测量的项目以及正确的测量方法。可参考国际GB3975-83人体测量术语和GB5703-85人体测量方法。,36,1.1人体主要尺寸,包括：身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长。,37,人体主要尺寸,38,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,39,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,40,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,肘高,41,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,手功能高,42,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,会阴高,43,1.2立姿人体尺寸,包括：眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高。,胫骨点高,44,立姿人体尺寸,45,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,46,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿颈椎点高,47,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿眼高,48,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿肩高,49,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿肘高,50,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿大腿厚,51,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,坐姿膝高,52,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,小腿加足高,53,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,54,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,55,1.3坐姿人体尺寸,包括：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。,56,坐姿人体尺寸,57,1.4人体水平尺寸,58,1.5各区域的体重、身高、胸围,59,2我国成年人的人体功能尺寸,动态测量是在人体从事某种活动的情况下，对运动着的人体进行的测量。通常包括人体动作范围的测量，如手、脚和四肢活动范围的大小和活动方向。人体某部位移动过程的测量。如运动的轨迹以及运动关节角度大小等。,60,2.1肢体活动范围,指头、肩胛骨、臂、手、腿、小腿、足等部位的活动角度范围。,61,2.1.1手臂的活动角度范围,62,2.1.2各个关节的活动角度范围,63,2.2人体上部及上肢固定姿势活动角度范围,64,2.3不同姿势手能及的空间范围,指成年男子立姿、坐姿、单腿跪姿、仰卧时上身及手的可及范围。,65,立姿上身及手的可及范围,66,坐姿上身及手的可及范围,67,跪姿上身及手的可及范围,68,仰卧上身及手的可及范围,69,3常用人体功能尺寸测量区域,70,3常用人体功能尺寸测量区域,71,五、手脚作业域测量,作业域：人在工作各种作业环境中在某种姿态下，肢体所能触及的空间范围。,72,1手的测量,手的测量数据是设计手操纵器的依据。手的测量包括手掌、手指的长度、宽度、厚度及腕关节的掌屈、背屈、内旋、外旋和以中指为基准的半径侧或挠侧偏移的角度。,73,1.1手的水平作业域,74,1.2手的竖直作业域(5%,单臂,双臂),75,坐姿抓握作业域(5%),76,身高与摸高的关系,77,2脚的测量,脚的测量数据包括脚掌、脚趾的长度、宽度、厚度以及关节背屈、侧转等活动的角度。脚的测量数据是设计脚踏板、脚控制器的长度、宽度和倾斜角的主要依据。,78,3脚作业空间,脚作业空间参数是布置脚操纵装置的依据。和手比，脚的操纵力大、但精度低，活动范围小。,79,第二节人体的人机学参数计算,本节主要介绍了人体的主要参数的计算。了解人体静态尺寸以及人体一些常用生理参数的基本计算方法。,80,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,1=(Li/H)100%Li人体第i部分测量值,cm;H身高,cm.,81,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,2=(Li/Hp)100%Li人体第i部分测量值,cm;Hp躯干长,cm.,82,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,3=(wx+wy)/H100%wx胸围,cm;wy腰围,cm;H身高,cm.,83,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,4=1000(W)1/3/HW体重,N;H身高,cm.,84,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,5=W/H3W体重,N;H身高,cm.,85,一静态尺寸计算1人体体部指数,第1标准指数第2标准指数体形指数李氏体重指数罗氏体重指数体质指数,6=H-wxmax+WW体重,N;wxmax最大胸围,cm;H身高,cm.,86,2用身高计算人体各部分尺寸(1)立姿静态尺寸,87,2用身高计算人体各部分尺寸(1)坐姿静态尺寸,88,3用体重计算人体体积表面积,(1)人体体积计算(2)人体密度(3)人体表面积计算Stevenson公式Bubois公式赖氏算法,已知体重W（kg）后可用下式计算人体体积：V1.015W-4.937（L）,89,3用体重计算人体体积表面积,(1)人体体积计算(2)人体密度(3)人体表面积计算Stevenson公式Bubois公式赖氏算法,a=W/V（kg/L）,90,3用体重计算人体体积表面积,(1)人体体积计算(2)人体密度(3)人体表面积计算Stevenson公式Bubois公式赖氏算法,S=0.0061H+0.0128W-0.1529（m2）式中“H”用cm计算，“W”用kg计算。,91,3用体重计算人体体积表面积,(1)人体体积计算(2)人体密度(3)人体表面积计算Stevenson公式Bubois公式赖氏算法,S=KRW0.425H0.725式中“KR”为人种常数，中国人取72.46.,92,3用体重计算人体体积表面积,(1)人体体积计算(2)人体密度(3)人体表面积计算Stevenson公式Bubois公式赖氏算法,S=0.0235H0.42246W0.051456,93,4用身高、体重求其他人机学参数,94,二人体生理学参数,人在活动时，会产生一系列的生理变化，进而导致心率、耗氧量、肌电图、脑电图、频闪值等一系列生理指标值发生改变。通过测定人的有关生理学参数，可科学地推断人从事某种活动或操作所承受的生理负荷，并据此合理安排劳动定额、劳动节奏，从而提高工效和操作安全性。,95,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,体内单位时间所需要的氧气量叫需氧量；成年人安静时每分钟的需氧量为0.2-0.3L/min。,96,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,单位时间内人体通过循环、呼吸系统所能够摄入的氧气量称摄氧量。,97,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,人体单位时间内所消耗的氧气量叫耗氧量。一般耗氧量和摄氧量大致相等。,98,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,人在繁重体力劳动时，循环、呼吸系统的功能经12min达到极限摄氧能力，这时，单位时间内的摄氧量叫最大摄氧量。,99,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,人在繁重体力劳动时，单位时间内的耗氧量叫最大耗氧量。此时最大耗氧量近似等于最大摄氧量。最大可达安静休息时的30倍，达到3一6Lmin。,100,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量总需氧量,劳动及劳动结束后恢复期所需氧量之和称为总需氧量。总需氧量：Vo2z=Vo2lVo2h一Vo2j(t1+th)式中Vo2z劳动时的总需氧量，mL/min;Vo2l作业期摄氧量，mL/min；Vo2h恢复期摄氧量，mL/min；Vo2j安静时平均需氧量，一般为25OmL/min；t1作业时间，min；th恢复时间，min。,101,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量,最大耗氧量决定于年龄（AG）、性别、海拔、训练、强度、持续时间等。Vo2max=(56.592-0.398AG)10-3(L/（kgmin）),102,1最大耗氧量Vo2max1)耗氧量和摄氧量,需氧量摄氧量耗氧量最大摄氧量最大耗氧量,根据最大耗氧量，可计算出最大能量消耗率EmaxEmax=354.3Vo2maxW/100其中体重W单位N;Vo2max单位mL/Nmin.,103,1最大耗氧量Vo2max2)氧债和劳动负荷,氧债常量负荷高量负荷超量负荷,劳动开始，呼吸循环机能跟不上氧需，致使肌肉缺氧，这时供氧量与需氧量的差叫氧债。,104,1最大耗氧量Vo2max2)氧债和劳动负荷,氧债常量负荷高量负荷超量负荷,非繁重劳动时，需氧量小于最大摄氧量。此时，只有作业开始2-3min内，呼吸、循环系统暂时略欠氧债。其后转人稳定状态，这是人体可以持久作业的最理想的状态。稳定状态结束后，归还所欠氧债，见图。,105,1最大耗氧量Vo2max2)氧债和劳动负荷,氧债常量负荷高量负荷超量负荷,劳动强度较大，需氧量已接近或等于最大摄氧量的负荷。此时，氧债也是在需氧量上升期间出现，到达最大摄氧量后，便维持稳定状态，见图。,106,1最大耗氧量Vo2max2)氧债和劳动负荷,氧债常量负荷高量负荷超量负荷,劳动强度过大，需氧量超过最大摄氧量，人体一直在缺氧状态下，形成较大氧亏，处于“假稳定状态”下的负荷，见图。超量负荷时，当心肺功能的惰性逐渐克服后，每分钟需氧量仍高于最大摄氧量，运动强度的持续，局限在氧债能力范围内，活动不能持久。劳动结束后，人体还要继续维持较高的氧需以补偿欠下的氧债。,107,1最大耗氧量Vo2max2)氧债和劳动负荷,氧债常量负荷高量负荷超量负荷,据研究，体内要透支1L氧，大约要以7g乳酸作代价，直到氧债能力衰竭为止。氧债能力，一般人约为10L，训练有素的运动员可达15-20L。氧债能力衰竭，血液中的乳酸量会急剧上升，pH值迅速下降，这对肌肉、心脏、肾脏以及神经中枢都很不利。,108,2最大心跳速率,心率最大心率,单位时间内心室跳动的次数称为心率（Heartrate,缩写为HR)。在安静时，正常男子、女子的心率约75次/min。青年人中，当以50的最大摄氧量工作时，男子心率一般比女子低，分别约为130次min和140次min。,109,2最大心跳速率,心率最大心率,当人达到最大负荷时心脏每分钟的跳动次数称为最大心率(HRmax),最大心率几乎无性别差异，都随着年龄(A)的增加而下降，可用一下式近似计算：HRmax=209.2-0.74AG(次/min)式中HRmax最大心率，次min；A年龄，岁。,110,3搏出量与最大心脏输出,搏出量心输出量,心脏每次搏动从左心室注人主动脉的血液量称搏出量。,111,3搏出量与最大心脏输出,搏出量心输出量,单位时间内从左心室射出血量Q叫心输出量。最大摄氧量与最大心输出量关系：Qmax=6.55+4.35Vo2max(L/min)式中Qmax最大心输出量，L/min;Vo2max最大摄氧量，L/(Nmin)。,112,4肌电图,肌电图放电频率和振幅应用,肌纤维细胞收缩时产生生物电位一一动作电位，肌肉收缩时产生的动作电位可通过电极引导出来，再放大、记录即得到肌电图(Electromyogram,简称EMG)。,113,4肌电图,肌电图放电频率和振幅应用,肌肉从轻微收缩增加到最大收缩时，放电频率可从5次s增加到50次s。动作电位振幅(mV)的大小反映了参加收缩的肌纤维数量的多少。因此，通过肌电图可以测定肌肉收缩的强度。,114,4肌电图,肌电图放电频率和振幅应用,肌电图在安全人机工程学上的应用主要是作业设计、作业姿势、机械和工具设计的人性化、合理化和最优化研究。在工业座椅、家用沙发和床等尺度的研究中，肌电图是一个实用的评价指标。一个具有良好人机工程学设计的工业座椅能有效地减少人体不必要的能量消耗，提高工作效率；一个舒适的坐姿或者卧姿可使全身肌肉放松，这种放松程度，可通过测量肌电图来评价。,115,5呼吸量的测定,人体的活动时，新陈代谢率增高，氧气的消耗量与二氧化碳的呼出量都随着活动量而增多：呼吸频率由平静时的每分12-18次增加到每分40-50次；呼出量由平静时的500mL上升到2000mL上；通气量由平静时的6-8L上升到100L以上。,116,6脉搏数的测定,主要是测定与疲劳程度有关的刚结束作业的脉搏数、脉搏积及回复到安静时脉搏数所用的时间。脉搏积=脉搏数（最高最低血压差）100,117,7发汗的测定,发汗是机体散热维持恒定体温的有效途径，发汗量是高温下劳动或重体力劳动机体丧失水分程度的标志。发出大量汗水可造成脱水，因此对发汗量及汗液化学成分等应进行测定，可以防止高温中暑等疾病。在安静状态下，当环境温度达到281时便开始发汗。如果空气湿度高且穿衣较多时，气温达到25时即可引起发汗。劳动时，气温在20以下，也会发汗甚至发出较多的汗量。劳动强度越大，发汗量越显著。,118,8血液成分变化的测定,一般采用生物化学的测定方法，测量内容主要是与疲劳关系密切的pH值、血糖量、血红蛋白量、乳酸含量等。,119,9脑电图,脑电图应用,脑电图(Electroencephalogram,EEG)也是人体生物体电现象之一。人无论是处于睡眠还是觉醒状态，都有来自大脑皮层的动作电位（脑电波）。在头部表皮上通过电极和高感度的低频放大器可测得这种生物电现象。,120,9脑电图,脑电图应用,利用脑电波的频率和幅值可评价人大脑的觉醒状态。在人机工程学研究领域内，常利用脑电波研究环境与人的关系，如噪声、室温、床类用具尺度及质地等对睡眠深度的影响。在作业领域，它与事故的发生和防止有密切的关系。,121,9脑电图,波波波波波,正常人安静闭眼时出现a波(8-13Hz)。,122,9脑电图,波波波波波,正常人睁眼并且注意力集中时波减少，波(14-25Hz)增多。,123,9脑电图,波波波波波,25Hz以上叫波。波和波以上频率的波统称快波。,124,9脑电图,波波波波波,人在打吨或睡眠中出现波(4-7Hz)和波(0.5-3.5Hz）。波和比波频率低的波统称慢波。成人如果在觉醒时出现慢波则可诊断为大脑异常。,125,9脑电图,日本桥本把大脑意识状态划分为阶段0阶段I阶段II阶段III阶段IV,失去知觉、睡眠的状态，无意识，无反应能力。主要脑波是波。,126,9脑电图,日本桥本把大脑意识状态划分为阶段0阶段I阶段II阶段III阶段IV,过度疲劳、单调作业、饮酒等状态，知觉能力的下降，发呆、发愣、不能注意。主要脑波为波。,127,9脑电图,日本桥本把大脑意识状态划分为阶段0阶段I阶段II阶段III阶段IV,休息、习惯上的作业的状态，意识处于正常放松状态，这时无预测能力和创造力。主要脑波为波。,128,9脑电图,日本桥本把大脑意识状态划分为阶段0阶段I阶段II阶段III阶段IV,积极活动状态，这时大脑清醒，注意力集中，富有主动性。主要脑波为波。事故潜在性最小。,129,9脑电图,日本桥本把大脑意识状态划分为阶段0阶段I阶段II阶段III阶段IV,过度紧张和兴奋的状态，这时注意力集中一点，一旦有紧张情况大脑将马上进人停止状态。脑波状态是和更快频率的脑波。事故潜在性最大。,130,第三节人体测量数据的应用,本节主要介绍了人体测量数据的处理方法。掌握五种常用的统计函数与人体测量数据的修正原则和选用原则。,131,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,对有些不可调节的设计，应该根据具体要求选用最大或最小的人体参数。例如门或通道的最小高度应该选用高百分位身高数据；而抓握物体的可及距离、控制器的位移、显示器与测试点位置、安全防护罩上的空隙等，应以低百分位的数据。,132,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,对与健康或疲劳有关的设计，设计优先采用可调性准则设计。例如汽车座椅的高度、倾角。,133,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,只能用一种中等尺寸供群体使用时（如墙壁上的开关高度、门上把手尺寸等），应以第50百分位数作为适用的人体尺寸。例如：门把手、锤子的手柄、办公室座椅。,134,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,在选用人体尺寸和体形时，首先应搞清该尺寸的适用范围，如适用的国家、地区、民族、年龄、性别、职业及社会阶层等，否则，盲目选用，设计出的产品适用性较差。,135,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,人体测量数据应用应注意人体尺寸的变化。一方面从事某种工作的劳动人群的身材有变化时，其最佳适应尺寸也应随之改变；另一方面，世界各国人体身高有增加的趋势，近20年来世界各国人体的身高平均每10年增加1cm，我国的人体身高增加更快。,136,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,设计中用到的尺寸应该考虑设计裕度，在人体尺寸上加适当的修正量，叫产品的最小功能尺寸。为了克服人心理上的空间压抑感、高度恐惧感、以及求奇、求美心理，在产品最小功能尺寸上还要加心理修正量，称最佳功能尺寸。,137,功能修正与最小心理空间相结合的原则,最小功能尺寸Smin=S+f式中Smin产品的最小功能尺寸；S第百分位人体尺寸；f功能修正量。涉及人体尺寸的设计,都要考虑实际活动中人的姿势、动态操作、衣着等需要的设计裕度，所有这些设计裕度总计为功能修正量f。,138,功能修正与最小心理空间相结合的原则,最佳功能尺寸Sopm=S+f+p式中Sopm最佳功能尺寸；S第百分位人体尺寸；f功能修正量;p心理修正量(实验求得)。,139,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,设计要遵循国家标准、国际标准。,140,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,设计时要考虑姿势，如座姿的宽度要比立姿大。,141,一、人体测量数据的选用原则,1、最大最小原则2、可调性原则3、平均准则4、地域性原则5、数据更新原则6、功能修正与最小心理空间相结合的原则7、标准化原则8、姿势与身材关联原则9、根据用途合理选择百分位和适用度准则,设计适合多少人使用叫适应度。（1）间距类设计选第95百分位数据；（2）净空高度类设计选第99百分位数据；（3）可及距离类设计选低百分位数据；（4）座面高度类设计选低百分位数据；（5）隔断秘密类设计选高百分位；监视隔断类设计、隔离栏设计选低百分位；（6）柜台类设计以肘部高度数据选第5-95百分位；,142,二、人体尺度在设计中的应用方法,1、确定设计对象的类型和适应度，确定设计对象属于那一类型以及适应度；2、根据适应度选择百分位（特殊设计其适应度另行规定）；,143,二、人体尺度在设计中的应用方法,3、根据设计裕度确定功能修正量（参照课本表2-12），为了心理感受，可以根据实验确定心理修正量；4、确定产品的功能尺寸。产品的最小功能尺寸Smin=S+f产品的最佳功能尺寸Sopm=S+f+p,144,例1,设计适用于中国人的车船卧铺上下铺净空高度,145,解：车船卧铺上下铺净空高度属于一般用途设计，应该选第99百分位参数，查表得S99=979mm；考虑衣裤厚度，功能修正量取25mm；考虑人头部无压迫感，心理修正量取115mm；所以最小功能尺寸Smin=S+f=979+25=1004mm最佳功能尺寸Sopm=S+f+p=1119mm,例1设计适用于中国人的车船卧铺上下铺净空高度,146,例2,设计适用于中国男人的固定座椅面高,147,解：固定座椅面高属于一般用途设计，应该选第5百分位参数，查表得小腿加足高S5=383mm；考虑鞋厚，功能修正量取25mm；考虑裤厚，功能修正量取3mm；故总功能修正量取28mm；所以最小功能尺寸Smin=S+f=383+28=411mm,例2设计适用于中国男人的固定座椅面高,148,四、身高在设计中的应用,为了简化设计，各种工作面的高度、通道、家具、操纵台的高度常根据身高确定（具体见课本表2-15）。,149,例1设计适用于90%华北男性使用的可调性产品，试问应按怎样的身高范围设计该产品尺寸？解：由表查知华北男性身高平均值M=1693mm，标准差S=56.6mm.要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位确定尺寸的界限值，由表查得变换系数K=1.645；即第5百分位数为：P=1693-（56.6*1.645）=1600mm第95百分位数为：P=1693+（56.6*1.645）=1786mm结论：按身高1600-1786mm设计可调性产品尺寸，将适应用于90%的华北男性。,烟台大学毕业论文（设计）摘要： 在野外考察、科研时，往往因为条件有限无法得到日常使用的交流或直流电源，特别是如果遇到紧急情况而且通信设备却电量不足，此时急需一种方便快捷的获取电能的方法。这时就可以用到胯关节运动能量收集装置了，它可以为简单的通信设备充电，以满足当务之急。论文首先介绍了该装置的设计思路，特别详细介绍了机构原理、电路设计以及使用方法等。关键词： 行走发电；手机充电； ABSTRACT ： During the time of working and scientific research in the open, because often the condition limitedly is unable to obtain the daily use exchange or the direct-current power supply,if specially encounters the emergency case moreover the communication facility electric quantity to be actually insufficient,is this time urgently needed one kind of convenience quick gain electrical energy the method.By now might use the hip joint movement energy collecting device,it may for the simple communication facility charge,satisfy the urgent matter.Firstly，introduce the design thread of the device，and specially introduce machine elements,circuit design and use method and so on.Key words：get Electricity by walking; charge up for mobile telephone;2分类号 编号胯关节能量收集装置的设计Device Translating Kinetic Energy Into Electricity By Walk(申请烟台大学学士学位论文)申请学位： 工 学 学 士 院 系： 机电汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 200523501637 指导老师 2009年 3 月 2 日烟台大学申请学士学位论文胯关节能量收集装置的设计申请人： 导 师: 2009年 3 月 2 日烟台大学烟 台 大 学机电汽车工程学院（2005 ）级 学士学位论文开题报告暨工作实施计划毕业设计(论文)题 目 胯关节运动能量收集装置的设计 专 业机械设计制造及其自动化班 级 机051-6班 学 生 姓 名 学 号 200523501637导 师 姓 名 开题报告日期 2009 年 3 月 2 日 入 学 年 月 2005 年 9 月 4 日 机电汽车工程学院制2009年 3月 2日开题报告的撰写开题报告是开题者对科研课题的一种表格形式的文字说明材料。目的是为加强科学研究活动计划性，它把要报告的每一项内容转换成相应的栏目，这样做，既便于开题报告按目填写，避免遗漏；又便于评审者一目了然，把握要点。开题报告与毕业论文一并存档。一、 课题来源课题来源是指课题来自于何处，通常来说，有问题才有研究的必要，要解决问题才会去研究。问题的产生是课题产生的源泉。课题的来源有以下几个方面：1) 企业生产第一线学生在工厂、企业、科研单位进行工程实践的基础上，结合实际需要确定有研究开发价值的题目；可以是影响生产的关键性工艺或设备方面的课题，也可以是接受企业委托协助研究开发的项目。2) 导师指定课题指导教师根据科研项目、工程设计任务或新产品的开发研制等，从中选出适合学生情况和教学要求的部分作为课题。3) 来源于文献和资料通过查阅文献资料，了解国际国内相关学科、工程技术的理论与实践的现状、成果，以及存在问题和发展趋势，找出需要研究和解决的问题作为课题。二、 （10分）课题的目的和意义课题的意义是指课题的技术、经济和社会意义和对单位及自己的意义。课题的意义通常可以表述成：课题研究针对的主要问题是什么，本课题具有哪些学术价值或实际应用价值（比如说：给企业的生产带来多大便利和经济效益，提高了多少生产效率等），是否具有研究的紧迫性和必要性。三、 （20分）研究内容研究内容是指课题要研究、设计什么，说明研究设计的重点。在此可以对即将开展的毕业设计的主要内容进行说明，并突出毕业设计中的重点。四、 （25分）拟采取的技术方案和可行性分析拟采取的技术方法与方案是指如何开展课题的研究设计工作。通常研究方法有：理论分析、实际调研、测绘、试验、创新改进等，学生可以根据课题的实际情况选用不同的研究方法并确立自己的技术路线，并说明自己研究方案的有效和可行性。五、 （25分）研究计划及预期成果研究计划及预期成果是指研究的进度和预期完成的成果（做到什么程度）。研究计划是学生根据自己课题实际，制定研究的计划进度表，并明确在那段时间内完成什么样工作的内容。预期完成的成果形式可以是多种多样的，包括:论文、产品、软件、课件、电子制作、设计图纸以及工艺卡片等，学生根据课题实际，说明预期完成的成果形式。六、 （10分）特色或创新之处特色或创新之处是指本课题的研究设计的特色与创新点所在，学生需要全方面了解自己的设计研究在同类课题的研究中所处的水平，清楚知道自己的设计研究与他人之间的不同之处，并给予客观的评价。七、 （5分）已具备的条件和尚需解决的问题通常已具备条件可以写：学生对本课题已有深入的认识，准备充分，已具备开展毕业设计研究的条件。此处主要分析开展研究设计尚不具备的条件，并说明如何解决。比如：还存在图书和相关技术资料不足的问题，希望通过图书馆借阅和网上查询来补充资料等等。八、 （5分）参考文献（要求博览相关文献资料至少5篇以上，应有必要的外文文献）。一、基本情况学生姓名张代聪学号200523501637班级机051-6班专 业机械设计制造及其自动化指导教师石运序学历博士职称讲师所学专业机械设计制造及其自动化题目名称胯关节运动能量收集装置的设计题目来源企业生产 科研 社会 文献和资料 其他：题目类型理论研究 应用研发 开发研究 工艺设计 工程设计 设备设计 软件设计 实践研究 指定问题研究注：在选中的项目上打二、开题报告内容1、（10分）课题的目的和意义（1）、目前国内外研究进展及应用现状综述（或立题依据），研究的主要问题一、国内外研究进展及应用现状：1、发电地板：东日本铁路公司定于19日在东京站八重洲北口试验“发电地板”。这种神奇的地板能将乘客走路时产生的能量转换成绿色能源。铁路公司18日向媒体展示了这套装置。这种白色地板铺设在两台检票机之间，利用乘客走过检票口时产生的振动发电。（08年1月）2、充电鞋：日本电信电话公司正在研制一种“充电鞋”，行人可以一边走路，一边发电。这种鞋鞋底内装有水和一个小型发电机。人们穿着这种鞋子行走，鞋底产生的压力使水流动，带动发电机发电。公司发言人天满秀臣说，“发电鞋”发电功率为1.2瓦特，“只要保持行走，发电量足以使iPod运转”。研究人员正努力把发电功率提高到3瓦特，以便给手机充电。（08年10月）3、脚踏发电装置：美国某公共交通公司，在行人拥挤的公共场所，安装一种脚踏发电装置，它上方有一排踏板，当行人脚踏踏板时，与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。技术人员还将20块金属板铺在路面上，在每块板下放置一个储蓄循环水的橡皮容器。当人群或汽车通过以后，橡皮容器内的水压出去，产生高速水流，经过地下通往路边的发电机房，推动水轮机发电。在人群或汽车通过以后，橡皮容器又恢复到原状，水返回窗口准备再次受压。如此循环往复便能不断产生电流，当上百人或一辆5吨重的汽车通过时，可产生7度的电力。二、研究的主要问题：1、怎样能从人的行走中获得最大限度的动能。2、如何设计有效的机构来产生足够的动能。3、如何设计合适的动能电能转化电路。（2）、课题的学术价值或实际应用价值实际应用：一、在日常生活中人们散步、跑步的同时可以将人的胯关节运动的动能转化为电能储存起来，并且可以直接给手机、MP3、MP4等日常用品的电池充电。二、在野外考察、科研时，往往因为条件有限无法得到日常使用的交流或直流电源，特别是如果遇到紧急情况而且通信设备却电量不足，此时急需一种方便快捷的获取电能的方法。这时就可以用到胯关节运动能量收集装置了，它可以为简单的通信设备充电，以满足当务之急。应用价值：一、胯关节运动能量的收集可以缓解现在人们对电能的需求。二、胯关节运动能量的收集可以为人们的日常生活提供便利，比如说人们可以一边散步一边听音乐而不用担心自己的MP3会没电。三、胯关节运动能量收集装置最大的价值体现在当人们在野外考察探险时可以用此装置产生电能，满足在没有常用充电设备时对电能的需要。2、（20分）研究内容（1）、研究的主要内容一、从人的行走中获得最大限度的动能；1、首先要研究的内容是如何从人的行走中获得能量，经过观察研究，人在行走的过程中，臂关节、肘关节、膝关节和胯关节的运动幅度最大，臂关节和肘关节的运动都属于辅助运动，力度和幅度不是很大，由于人行走时主要依靠腿部的力量和运动，因此我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，而人的大腿处的肌肉比较发达，且人的胯关节运动的幅度要比膝关节的大，从上述的分析中我可以肯定选择胯关节来提供能量是最合理的。2、其次要研究的内容是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。二、设计有效的机构来产生足够的动能；1、上一步得到的摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的内容，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。2、发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。发电机也是研究的重要内容，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。三、设计合适的动电能转化电路；1、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。2、贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。（2）、拟解决的关键问题1、如何从人的行走中获得能量，我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，要解决的关键问题是选择人体的哪一个部位来提供动能。 2、研究的另一个关键问题是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。3、摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的问题，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。4、发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。或者直接产生直流电，这里我们选择直接产生直流电，这样可以节约材料简化装置。5、发电机也是研究的重要问题，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。这里对发电机做了大胆的改进，使它能产生比普通发电机多一倍到两倍的电能。6、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。这里选择化学能贮能。7、贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。8、USB端口的设置也是一个要解决的问题，不同的型号要全面的考虑，尽量扩大该设计的应用范围。3、（25分）拟采取的技术方案和可行性分析（1）、拟采取的技术方案及思路1、从胯关节的运动过程中获得最大限度的能量，胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的，这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、本设计的内部采用二级齿轮加速机构，且使用有创新性设计的双向超越离合器机构能够产生足够的电能。二级齿轮加速机构可以保证发电机的转速达到一定的要求，双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能。3、现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用，动电能的转化电路已不是问题。我采用常用的整流电路就可以解决问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性，设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题，摆杆可以完全缩进该装置内，提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动，摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、我们考虑到人在行走的过程中，腿不会完全的在一个平面内，因此摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、该装置有两种发电方式，一种是在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，更快的发出电能，从而满足人们急需电能时的情况。另一种是传统的方式，即将其放在腰间，由人的行走来产生电能。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。7、如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用，这里需要一个整流电路来解决问题。8、对于如何将电能传送到人们常用的设备中，手机、MP3、MP4等，我们采用多个插槽的方法，有USB插槽有其他万能充样式的插槽，以此来充满不同的需要。9、有的人不习惯用腰带或者有的衣服不需要，这里我们有备用的腰带。10、对于膝部摆杆的固定用小型的带状结构固定。（2）、研究方案的有效和可行性分析（含研究过程中可能存在的困难或问题，及其解决措施）1、将胯关节作为能量收集的部位是可行的，胯关节是人们在行走时运
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