第五讲人体力学特征与施力

第五章人体生物力学与施力特征,第四版84,摘要,介绍人的动态尺寸和基本能力，为操纵器设计打下基础,一、运动系统的机能及其特征,骨运动的杠杆关节运动的枢纽肌肉运动的动力,一、运动系统的机能及其特征,（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,一、运动系统的机能及其特征,完成各种工作和参加劳动等有骨骼（206块）、关节、肌肉组成一、骨的功能功能支承人体的重量和肌肉一起构成人的外形构成体腔保护内脏产生骨髓、造血等和肌肉一起完成运动功能骨杠杆平衡作用省力作用速度杠杆,平衡杠杆,增力杠杆,省力杠杆,一、运动系统的机能及其特征,二、主要关节的活动范围骨联结形成关节有一定的活动范围,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,一、运动系统的机能及其特征,三、肌肉的工作机理肌肉是动力部分，人活动的能力由肌肉决定按照结构、分布、功能分类，一般分为平滑肌、心肌、横纹肌等人体的横纹肌共400块，重量占身体的40%肌肉的基本动作是收缩和放松，其工作原理为：,一、运动系统的机能及其特征,肌肉是目前所知效率最高的将其他形式的能量转化成动能的系统之一；身体在不同的位置，肌肉处于不同的动作，处于自然状态，则肌肉放松，有利于减少疲劳。动作的连贯性和协调性也可减少疲劳。,一、运动系统的机能及其特征,四、肢体的处理范围肌力收缩所产生的力一条肌纤维的力量为：男女有别，年龄有别，位置和姿势有别如：2030岁的主要身体部位肌肉的力：,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%。,一、运动系统的机能及其特征,不同位置的出力情况：立姿臂力：,图3-21立姿弯臂时的力量分布,180,图T2,返回,图3-22立姿直臂时拉力和推力分布,拉力,推力,返回,肢体活动范围示意图,图T1坐姿时手臂的操纵力的测试方位,返回,表37手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）,返回,一、运动系统的机能及其特征,立姿直臂：,一、运动系统的机能及其特征,伸展活动范围,男子,女子,图3-23不同体位下的蹬力,返回,一、运动系统的机能及其特征,坐姿下肢的力：,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,图T5影响人体能的因素,五肢体的动作速度与频率,、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）、动作频率取决于动作部位和动作方式。参阅表3-8。,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B5,表38人体各部位动作速度与频率限度,返回,表B5人体各部分的最大运动频率,返回,一、运动系统的机能及其特征,五、肢体的动作频率人的动作频率，不同的肌体是不同的动作频率经过训练可以提高合理的动作可提高动作频率。不同动作部位的动作频率和速度限：,二、人的运动输出,一、引言人的动作，从接收的信号（信息）处理输出信息到输出输出有语言输出运动输出等多种运动输出的质量：反应时间，运动速度，准确性,二、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。,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,二、人的运动输出,二、人的运动输出,二、人的运动输出,二、反应时间1、定义和特征又叫反映潜伏期，是从刺激到反应的时间间距人的反应过程:刺激感觉器官反应神经大脑（加工）神经肌肉动作操作（输出）tz反应感知时间，td动作时间,二、人的运动输出,反应的差别简单反应只有一个刺激，刺激出现时作出特定的反应快选择反应多个刺激，对刺激一一作出反应简单反应快选择反应慢其他影响,二、人的运动输出,2、不同的感觉器官和不同的刺激不同器官，对刺激的反应时间不同,二、人的运动输出,表3-11讨论：不同的信号，反应时间有较大差异相同的器官，对不同的刺激，也有所不同，如味觉对咸反应时间短（308ms),甜酸次之，苦最长（1082ms)触觉：和部位有关，手脸反应快，小腿慢反应时间与运动器官的关系：,二、人的运动输出,3、刺激信号的强度必须达到一定的阈值才能有反应，超过一定的值，反应时间反而增长。,二、人的运动输出,4、刺激的清晰度和可辨性清晰度信号与背景的对比程度（信噪比）刺激的时间不能太短如：光刺激时间的试验：,二、人的运动输出,选择反应与可选择的刺激数目有关，如表所示：实际中：由操纵器、显示器的设计等也有关。,二、人的运动输出,5、人的主体因素习俗、个体差异、疲劳、性别、年龄等联系可提高反应速度打字1-30倍按按纽12倍人的反应速度有极限。条件反射0.10.15S连续工作的不适应期0.5S复杂选择反应13S复杂选择，判断反应35S与年龄有关：与用手有关,二、人的运动输出,三、运动速度动作特点和运动速度的关系,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。（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。,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。,“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（3）刺激的数目、颜色（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,表3-9不同感觉器官的反应时间,返回,对各种刺激的反应时间,返回,表3-10不同强度刺激的反应时间,返回,表3-11光刺激时间对反应时间的影响,表3-12可选择的刺激数目对反应时间的影响,返回,B刺激的辨别难度对反应时间的影响,返回,1.动作特点2.目标距离：距离增加，Td增长，宽度增加，Td缩短。3.运动方向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。,3.8.2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3-13人体各部位动作一次的最少平均时间,返回,反应动作距离与动作时间,返回,二、人的运动输出,目标距离和宽度的影响-实验结果试验数据条件距离：7.6、15.2、30.5cm宽度2.5、1.3、0.6、0.3cm试验表明：随着目标距离增加，定位运动时间赠长，宽度的增加定位运动时间减少,二、人的运动输出,运动方向的差别在不同的运动方向是时间略有不同。40Cm实验结果：左下右上较短,时间最短方向,二、人的运动输出,不同区域用手敲击物体，在10Cm是差距不大，大于30cm时，差距明显增大。结果如图：,二、人的运动输出,动作轨迹特征连续快突变慢水平快垂直慢向前快旋转慢（1.52倍）圆比直线灵活顺时针比逆时针灵活向身体比离开身体灵活与负重有关,二、人的运动输出,四、运动的准确性动作要快，更要准确。运动速度与准确性如图：,反应的上限,反应的下限,问题：谁给出这个拐点！,数字问题？,二、人的运动输出,盲目定位运动的准确性没有视觉帮助下，根据运动的轨迹和运动返馈定位视觉负荷较重的条件下,最好,较好,最差,数字小，表示定位精度高,二、人的运动输出,正前方最好，右侧略好于左侧，下部好于上部。运动方向的准确性试验：,二、人的运动输出,水平左右最好，垂直上下次之。操作的准确性,二、人的运动输出,手的运动中某些准确结论：上比下好。,三人体的生物力学模型,、力学模型的基本概念,三人体的生物力学模型,、前臂和手的力学模型,三人体的生物力学模型,、举物时腰部的力学模型,四、合理施力的设计思路,、避免静态肌肉施力自然放松，合理高度,四、合理施力的设计思路,、避