人机工程学第5章+人的作业能力与疲劳.ppt

第5章人的作业能力与疲劳,5.1人体作业时的能量代谢5.2作业时人体的调节与适应5.3体力劳动强度分级5.4作业能力的动态分析5.5作业疲劳及其测定5.6提高作业能力与降低疲劳的措施,5.1人体作业时的能量代谢,5.1.1人体能量的产生机理由于骨骼肌约占人体重的40%，故体力劳动的能量消耗较大。骨骼肌活动的能量来自细胞中的贮能元三磷酸腺苷(ATP)。肌肉活动时，肌细胞中的三磷酸腺苷与水结合，生成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸根(Pi)，同时释放出29.3kJ的能量，即ATPH2OADPPi29.3kJ/mol,1.ATPCP系列在要求能量释放速度很快的情况下，肌细胞中的ATP由磷酸肌酸(CP)与二磷酸腺苷合成予以补充：CPADPCr(肌酸)ATP该过程简称为ATPP系列。ATPCP系列提供能量的速度极快，但由于CP在人体内的贮量有限，其产能过程只能维持肌肉进行大强度活动几秒钟。,2.需氧系列在中等劳动强度下，ATP以中等速度分解，又通过糖和脂肪的氧化磷酸化合成得到补充，即葡萄糖或脂肪氧氧化磷酸化ATP由于这一过程需要氧参与合成ATP，故称为需氧系列。在合成的开始阶段，以糖的氧化磷酸化为主，随着持续活动时间的延长，脂肪的氧化磷酸化转为主要过程。,3.乳酸系列在大强度劳动时，能量需求速度较快，相应ATP的分解也必须加快，但受到供氧能力的限制。此时，则靠无氧糖酵解产生乳酸的方式提供能量，故称为乳酸系列：葡萄糖(糖原)ATP乳酸乳酸逐渐扩散到血液，一部分排出体外，一部分在肝、肾内部又合成为糖原。在食物营养充足地合理条件下，经过休息，可以较快的合成为糖原。,糖酵解,虽然糖酸解时1g分子葡萄糖只能合成2g分子ATP，但糖酵解的速度比氧化磷酸化的速度快32倍，所以是高速提供能量的重要途径。乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成少量的ATP，在体内糖原含量有限的条件下，这种产能方式不经济。此外，目前还认为乳酸是一种致疲劳性物质，所以乳酸系列提供能量的过程不可能持续较长时间。三种产能过程可概括于图5-1中，其一般特性列于表5-1。,图5-1肌肉活动时能量的来源示意图,表5-1三种产能过程的一般特性,5.1.2作业时人体的耗氧动态作业时人体所需要的氧量的大小，主要取决于劳动强度和作业时间。劳动强度越大，持续时间越长，需氧量也越多。从事体力作业的过程中，需氧量随着劳动强度的加大而增加，但人的摄氧能力却有一定的限度。因此，当需氧量超过最大摄氧量时，人体能量的供应依赖于能源物质的无氧糖酵解，造成体内的氧亏负，这种状态称为氧债。氧债与劳动负荷的关系，如图5-2所示。,图5-2作业中的氧债示意图(a)需氧量小于最大摄氧量；(b)需氧量大于最大摄氧量,5.1.3能量代谢和能量代谢率人体能量产生和消耗称为能量代谢。人体代谢所产生的能量等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、间接转化为热的能量的总和。在不对外做功的条件下，体内所产生的能量等于由身体散发出的热量，从而使体温维持在相对恒定的水平上。能量代谢分为三种，即基础代谢、安静代谢和活动代谢。,1.基础代谢人体代谢的速率，随人所处的条件不同而异。生理学将人清醒、静卧、空腹(食后10h以上)、室温在20左右这一条件定为基础条件。人体在基础条件下的能量代谢称为基础代谢。单位时间内的基础代谢量称为基础代谢率，用BR表示。它反映单位时间内人体维持最基本的生命活动所消耗的最低限度的能量，通常以每小时每平方米体表面积消耗的热量来表示。我国正常人基础代谢率平均值见表5-2。,表5-2我国正常人基础代谢率平均值,2.安静代谢安静代谢是作业或劳动开始之前，仅为了保持身体各部位的平衡及某种姿势条件下的能量代谢。安静代谢量包括基础代谢量。,3.活动代谢活动代谢亦称劳动代谢、作业代谢或工作代谢。它是人在从事特定活动过程中所进行的能量代谢。体力劳动是使能量代谢量亢进的最主要的原因。因为在实际活动中所测得的能量代谢率(用AR表示)，不仅包括活动代谢率，也包括基础代谢率与安静代谢率，所以活动代谢率(用MR表示)应为MRARRR（5-1）,4.相对能量代谢率体力劳动强度不同，所消耗的能量不同。由于劳动者性别、年龄、体力与体质存在差异，即使从事同等强度的体力劳动，消耗的能量亦不同。为了消除劳动者个体之间差异因素，常用活动代谢率与基础代谢率之比即相对能量代谢率来衡量劳动强度的大小。相对能量代谢率RMR为,（5-2）,表5-3和表5-4为不同活动类型的RMR的实测值和推算值。除利用实测方法之外，还可用简易方法近似计算人在体力劳动中的能量消耗，其计算公式为ARRRMR1.2BRRMRBR（1.2RMR）BR(5-3)总能耗M（1.2RMR）BR体表面积(B)活动时间(t)(5-4),5.影响能量代谢的因素影响人体作业时能量代谢的因素很多，如作业类型、作业方法、作业姿势、作业速度等。由表5-3和表5-4可看出，不同类型的作业对能量代谢的影响。图5-3给出了不同作业的能量消耗值，其范围从1.616.2kCal/min。,表5-3不同活动类型的RMR实测值,表5-4相对能量代谢率RMR的推算值,图5-3各种作业类型相对应的能耗(kCal/min),作业方法不同，能量消耗也不同。S.R德塔(S.R.Datta)等人对搬运重物的七种方式进行了研究，测得相应的氧耗量，如图5-4所示。各种不同姿势的相对氧耗量，如图5-5所示。,图5-4用不同方式搬运重物时氧耗量比较(a)单肩双包(100%)；(b)头顶(103%)；(C)双肩背(109%)(d)前额挂背(115%)；(e)斜挎(123%)；(f)挑担(129%)；(g)双手提(144%),图5-5不同姿势的氧耗量比较(a)仰卧(100%)；(b)坐姿(103%105%)；(C)立姿(108%0）（d）跪姿(130%140%)；(e)弯腰(150%0),5.1.4能量代谢的测定能量代谢的测定方法有两种，直接法和间接法。直接法是通过热量计测定在绝热室内流过人体周围的冷却水升温情况，换算成能量代谢率；间接法是通过测定人体消耗的氧量，再乘以氧热价求出能量代谢率。,表5-5三种营养物质氧化时的数据,表5-6非蛋白呼吸商和氧热价的关系,实际应用中，经常采用省略尿氮测定的简便方法，即根据受试者在同一时间内吸入的O2量和CO2产生量求出呼吸商(混合呼吸商)，而不考虑蛋白质代谢部分，实践证明，采用简便方法得到的结果不会有显著误差。,既然通过作业时消耗的O2量和产生的CO2量可以换算能量消耗，相对代谢率也可以通过测定作业者在作业时、安静时消耗的O2量和产生的CO2的比值，计算作业者在安静时和作业时各自的O2消耗量，然后乘以每消耗1LO2所产生的热量(氧热价)，分别折算成作业时和安静时的能量消耗。,同理若将作业者的基础代谢量换算成O2消耗量或直接测定出基础代谢时O2消耗量，则相对代谢率计算式又可写成,RMR=,作业时的O2消耗量安静时的O2消耗量,基础代谢时的O2消耗量,(5-5),5.2作业时人体的调节与适应,5.2.1神经系统的调节与适应作业时的每一个有目的的动作，既取决于中枢神经系统的调节作用(主观能动性)，又取决于从机体内外感受器所传入的各种神经冲动(包括第一和第二信号系统)，在大脑皮层内进行综合分析，形成一时性共济联系(TransientAssoCiation)调节各器官适应作业活动的需要，维持机体与环境的平衡。,5.2.2心血管系统的调节与适应1.心率心率是单位时间内心脏搏动的次数。正常人安静时的心率为75次/min。心率增加的限度即最大心率随年龄的增长而逐渐减小，可用年龄来推算(最大心率220年龄)。最大心率与安静心率之差称为心搏频率储备，可用来表示体力劳动时心率可能增加的潜在能力。,从事体力作业时，心率在作业开始后的3040s内迅速增加，大约经45min，即可达到与劳动强度相适应的水平。强度较小的体力劳动，心率增加不多，很快达到与劳动强度相适应的水平后，即随作业的延续而保持在该恒定水平上。而强度很大的劳动，心率将随作业的延续而不断加快，直到个体的最大心率值，通常可达150195次/min。上述两种劳动强度下的心率变化如图5-6所示。,图5-6不同劳动强度的心率变化曲线,2.心输出量心脏每搏动一次，由左心室射入主动脉的血量称为每搏输出量。每分钟由左心室射出的血量称为心输出量。心输出量为每搏输出量与心率的乘积。正常男性成年人安静时每搏输出量约为5070mL，心输出量约为3.755.25L/min。女性心输出量比同体重的男性约低10%。一般人心输出量最多可增加到25L/min。,3.血压血压是血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，通常多指血液在体循环中的动脉血压，一般以毫米汞柱(mmHg)为单位(1mmHg133.32Pa)。正常人安静时的动脉血压较为稳定，变化范围不大。心室收缩时动脉血压的最高值即收缩压为100120mmHg，心室舒张时动脉血压的最低值即舒张压为6080mmHg。血压还受性别、年龄以及其他生理情况的影响，一般男性略高于女性；老年人高于中青年人，特别是收缩压随年龄增长而升高较舒张压更为明显；此外，体力劳动、运动以及情绪波动时，血压也会出现暂时性升高。,动态作业开始后，主要由于心输出量的增多，收缩压立即升高，并随劳动强度的增加而继续升高，直到最高值，而舒张压却几乎保持不变或略有升高，因此形成收缩压与舒张压之差即脉压的增大，如图5-7所示。脉压逐渐增大或维持不变，是体力劳动可以继续有效进行的标志。,图5-7动态作业至力竭时收缩压与舒张压的变化,4.血液的重新分配人处于安静状态时，血液流向肾、肝及其他内脏器官较多，而体力作业开始后，心脏射出的血液大部分流向骨骼肌，以满足其代谢增强的需要。表5-7列出了安静状态和重体力劳动时血液流量的分配状况。由表可知，进行重体力作业时，流向骨骼肌的血液量较安静时多20倍以上，心肌血流量增加5倍。,表5-7安静时和重体力劳动时的血液分配,5.2.3其他系统的调节与适应作业时呼吸的频率随作业强度的增强而增加，重强度作业时可达3040次/min，极大强度作业时可达60次/min，肺通气量也由安静时的68L/min增加到40120min以上。对于锻炼有素者肺通气量的增加主要靠增加肺活量来适应；一般作业者则靠加快呼吸频率来适应。作业停止后，呼吸的恢复期比心率、血压恢复期短。,5.2.4脑力劳动和持续警觉作业的特点随着科学技术的发展和社会的进步，采用电脑控制的生产过程日益增加和完善，大量繁重体力劳动和职业危害较严重的工种将逐步被机器人所取代，体力劳动的比重和强度将不断减小，而需要智力和神经紧张型的作业越来越多。,1.脑力作业的生理变化特征脑的氧代谢较其他器官高，安静时约为等量肌肉耗氧量的1520倍，占成年人体总耗氧量的10%。由于脑的重量仅为体重的2.5%左右，大脑即使处于高度紧张状态，能量消耗量的增高也不致超过基础代谢的10%。表5-8列出了脑力作业和技能作业的RMR。L,表5-8不同类型的脑力作业和技能业的RMR实测值,2.持续警觉作业持续警觉通常是在刺激环境单调和脑力活动以注意为主的条件下，长时间保持的警觉状态。在化工、发电厂、雷达站和自动化生产系统中的仪表监控工作以及舰艇、飞机的驾驶中，都要求作业者长时间地保持警觉状态。若以接近感觉阈限的信号即临界信号的出现频率为横坐标，以发现信号率为纵坐标，即可画出如图5-8所示曲线。,图5-8信号频率与作业效能的关系,图5-9觉醒效能曲线,若以觉醒状态为横坐标，以作业效能为纵坐标，可得觉醒效能曲线(见图5-9)，它与图5-8所示曲线形状极为相似。觉醒效能曲线是人机工程学的一条极为重要的理论曲线。,5.3体力劳动强度分级,5.3.1国外的劳动强度分级国外常用的克里斯坦森(Christensen)标准，是以能耗量和氧耗量作为分级标准来划分不同劳动强度的，见表5-9。该标准所依据的为欧美人的平均值，即体重70kg、体表面积1.84m2。所分等级为轻、中等、强、极强、过强共五级。表5-10来源于国际劳工局1983年资料。,表5-11和表5-12为日本劳动科学研究所发布的资料。日本通常以能量代谢率RMR作为评价劳动强度的指标。,表5-9按能耗和氧耗分级的劳动强度指标,表5-10劳动强度指标与分级标准,表5-11不同强度作业的能耗量,表5-12日本能率协会劳动强度分级标准(男),5.3.2我国的劳动强度分级我国于1983年制订了按劳动强度指数划分的体力劳动强度分级国家标准(GB3869-83)，见表5-13。该标准是在对262个工种的工人劳动时、能量代谢和疲劳感等的调查分析基础上，以劳动时间率和工作日平均能量代谢率kCal/（minm2）为指标制订的，能比较全面地反映作业时人体负荷的大小。劳动强度指数的计算公式为I3T7M（5-6）式中：I劳动强度指数；T劳动时间率；,M8h工作日能量代谢率，kCal/(minm2)；3劳动时间率计算系数；7能量代谢率计算系数。,表5-13体力劳动强度分级,5.4作业能力的动态分析,能力是指一个人顺利完成一定活动所表现出的稳定的心理生理特征。它直接影响活动的效率。能力总是与活动联系在一起并在活动中表现出来。完成活动通常需要多种能力的结合。能力可分为一般能力和特殊能力。,5.4.1作业能力的动态变化规律作业能力是指作业者完成某种作业所具备的生理、心理特征，综合体现个体所蕴藏的内部潜力。这些心理、生理特征，可以从作业者单位作业时间内生产的产品产量和质量间接地体现出来。但在实际生产过程中，生产的成果(产量和质量)除受作业能力的影响外，还受作业动机等因素的影响，所以生产成果f(作业能力作业动机),图5-10劳动生产率动态变化典型曲线,5.4.2影响作业能力的主要因素影响作业能力的因素多而复杂，除了作业者个体差异之外，还受环境条件、劳动强度等因素的影响，其大致可归纳为生理因素、环境因素、工作条件和性质、锻炼与熟练效应等四种。,1.生理因素体力劳动的作业能力，随作业者的身材、年龄、性别、健康和营养状况的不同而异。2.环境因素环境因素通常是指工作场所范围内的空气状况、噪声、照明、色彩和微气候等。3.工作条件和性质生产设备与工具的好坏对作业能力的影响较大，这主要看它在提高工效的同时，是否能减轻劳动强度，减少静态作业成分，减少作业的紧张程度等。,4.锻炼与熟练效应锻炼能使机体形成巩固的动力定型，可使参加运动的肌肉数量减少，动作更加协调、敏捷和准确，大脑皮层的负担减轻，故不易发生疲劳。,熟练效应是指经常反复执行某一作业而产生的全身适应性变化，使机体器官各个系统之间更为协调，不易产生疲劳，使作业能力得到提高的现象。典型的熟练效应曲线如图5-11所示。曲线表明随着产品产量增加，作业者作业的熟练程度越高，平均单位工时消耗也越少。反复进行同一作业是一种锻炼过程，是形成熟练效应的原因。,图5-11典型熟练效应曲线,5.5作业疲劳及其测定,5.5.1作业疲劳的特点与分类作业者在作业过程中，产生作业机能衰退，作业能力明显下降，有时并伴有疲倦等主观症状的现象，叫做作业疲劳，简称疲劳。,作业疲劳的特点突出表现在，疲劳不仅是生理反映，而且还包含着大量的心理因素、环境因素等。例如，作业者为了某种目的，通过自己的努力可以在短时间内掩盖疲劳的效应；相反，心理上的某种不适应或不满又会提前或加速疲劳的出现，如单调的作业内容、强制而令人不适的作业节奏，使作业者产生厌倦感，因而造成作业者的作业效率下降。,5.5.2疲劳的发生机理疲劳的类型不同，发生的机理也不尽相同。1.疲劳物质累积机理短时间大强度体力劳动所引起的局部肌肉疲劳，是由于乳酸在肌肉和血液中大量积蓄引起的，称为“疲劳物质累积机理”。,2.力源耗竭机理较长时间轻或中等强度劳动引起的疲劳，既有局部肌肉疲劳，又有全身性疲劳。这种局部肌肉疲劳不是由于乳酸积蓄所致，而是由于肌糖原贮备耗竭之故，称为“力源耗竭机理”。,3.中枢变化机理强烈或单调的劳动刺激会引起大脑皮层细胞贮存的能源迅速消耗，这种消耗会引起恢复过程的加强。当消耗占优势时，会出现保护性抑制，以避免神经细胞进一步耗损并加速其恢复过程，这种机理称为“中枢变化机理”。,4.生化变化机理全身性体力疲劳是由于作业及其环境所引起的体内平衡状态紊乱，引起这种平衡紊乱的原因除包含局部肌肉疲劳外，还有许多其他原因，如血糖水平下降、肝糖原耗竭、体液丧失(脱水)、电解质丧失(Na和K)、体温升高等，这称为“生化变化机理”。,5.局部血流阻断机理静态作业引起的局部疲劳，是由于局部血流阻断引起的。因为肌肉收缩时，使肌肉变得非常坚硬，其内压可达几十kPa，因此会部分地或完全地阻断血流通过收缩的肌肉。,5.5.3测定疲劳的方法为了测定疲劳，必须有一系列能够表征疲劳的指标。其测定方法应能满足：测定结果应当是客观的表达，而不依赖于研究者的主观解释；测定结果应当定量化表示疲劳的程度；测定方法不能导致附加的疲劳，或使被测者分神；测定疲劳时，不能导致被测者不愉快或造成心理负担与病态感觉。,1.生化法生化法通过检查作业者的血、尿、汗及唾液等体液成分的变化判断疲劳。这种方法的不足之处是，测定时需要中止作业者的作业活动，并容易给被测者带来不适和反感。,2.生理心理测试法生理心理测试法又包括：膝腱反射机能检查法，两点刺激敏感阈限检查法，频闪融合阈限检查法，连续色名呼叫检查法，反应时间测定法，脑电肌电测定法，心率(脉率)血压测定法等。,1)膝腱反射机能检查法。2)两点刺激敏感阈限检查法。3)频闪融合阈限检查法。为了表征疲劳程度，一般以频闪融合阈限的日间变化率和周时变化率指标表示，即,（5-9）,（5-10）,表514频闪融合阈限值,4)连续色名呼叫检查法。通过检查作业者识别各种颜色，并能正确地叫出各种颜色色名的能力，从而判别作业者疲劳的方法。5)反应时间及脑电肌电测定法。反应时间的变化也同样能表征中枢系统机能的迟钝化程度。6)心率(脉率)、血压测定法。上述方法不足之处，是判断疲劳的过程不能与作业者的作业过程同时进行。,根据当前技术条件，心率(脉率)、血压测定法可以在作业者的作业过程中，实现对作业者的心率(脉率)、血压遥控检测，而又不会给作业者增加负担。图5-12是一男性青年的强化疲劳试验的结果。,图5-12某男性青年强化疲劳测定曲线,3.他觉观察和主诉症状调查法疲倦的他觉观察和主诉症状调查法，也称自我感觉摄影。具体的做法是首先选定若干受试者，然后对他们进行若干天的跟踪调查。在受试者上班的时间内，每隔半小时向受试者提出询问：“在当前时刻你体验到什么样的疲劳特征?”要求受试者指出这种或那种症状及其程度微弱、中等、剧烈。,数据处理以程度的变异和新症状的出现作为单位数，如果出现中等或剧烈的新症状，则增加2或3个单位数，出现“普遍疲劳”或“全身症状”时加3个单位数，然后计算各个时间的平均数(见表5-15)。,表5-15疲劳的自我症状计算表,5.6提高作业能力与降低疲劳的措施,5.6.1改进操作方法，合理应用体力合理设计作业中的用力方法主要从以下几方面考虑:1)合理安排负荷，使单位劳动成果所消耗的能量最少。2)按生物力学原理，把力用到完成某一操作动作的作功上去。3)利用人体活动特点获得力量和准确性。,4)利用人体的动作经济原则，保持动作自然、对称、有节奏。5)降低动作能级。能用手指完成的作业，不用手臂运动实现；能用手臂运动完成的作业，不用全身运动实现。6)充分考虑不同体位时的用力特点。,5.6.2合理确定休息制度1.合理确定作业过程中的休息时间不同劳动强度的能量消耗亦不同。为了延缓疲劳的发生，减少错误和事故，保证产品质量，维护作业者的健康，必须在作业过程中插入必要的休息时间。因为延长作业时间对消