第四章人的运动系统及其设计

人机工程学教师：廖敏216一月2023第四章人的运动系统及其设计4.1肌肉4.2骨和关节运动4.3人体运动特征4.4人的操作动作分析4.5控制设计316一月20234.1肌肉4.1.1肌肉的生理特征1.肌肉结构416一月20234.1.1肌肉的生理特征2.肌肉收缩粗微丝（肌球蛋白）和细微丝（肌动蛋白）和两端的弹性成分构成一个收缩系统。肌肉收缩产生肌力，其大小与肌肉长度和肌肉横截面积的大小有关。516一月20234.1.1肌肉的生理特征3.肌肉收缩的代谢过程616一月20234.1.1肌肉的生理特征4.肌肉活动强度的测量通常采用肌电图（Electromyography，EMG）来对肌肉活动进行测量。肌电图就是通过放大的肌肉电活动来测量肌肉活动的记录。运动单位电位肌电图716一月20234.1.2肌肉收缩的神经控制1.肌肉收缩与神经控制

肌肉收缩取决于肌纤维收缩，而肌纤维收缩是由神经冲动引起的。

肌肉的神经控制是通过联系肌肉和中枢神经的运动神经和感觉神经来实现的。816一月20234.1.2肌肉收缩的神经控制2.反射（1）反射（Reflex）就是在中枢神经系统的参与下，机体对外界刺激所作的有规律的反应。反射弧916一月20235.1.2肌肉收缩的神经控制2.反射（2）反射过程。刺激感受器神经冲动反射中枢运动指令效应器动作大脑皮层感受体验1016一月20234.1.3肌肉施力1.动态肌肉施力和静态肌肉施力（1）基本名词肌肉收缩产生肌力，肌力可以作用于骨，然后通过人体结构再作用于其他物体上，这个过程称为肌肉施力。

动态肌肉施力就是肌肉运动时收缩和舒张交替改变；

静态肌肉施力则是持续保持收缩状态的肌肉运动形式。1116一月20234.1.3肌肉施力1.动态肌肉施力和静态肌肉施力（2）区别动态肌肉施力和静态肌肉施力区别：施力方式的根本区别在于它们对血液流动的影响。1216一月20234.1.3肌肉施力2.静态施力的生理效应在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期延长等现象。1316一月20234.1.3肌肉施力2.静态施力的生理效应在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期延长等现象。1416一月20234.1.3肌肉施力2.静态施力的生理效应静态作业与人体症状如下：1516一月20234.1.3肌肉施力2.静态施力的生理效应举例：铣工钻工1616一月20234.1.3肌肉施力3.静态施力极限

在设计作业动作的时候，首先应该尽量减少静态施力产生，肌肉施力大小应该低于肌肉最大肌力的15%。1716一月20234.1.3肌肉施力4.减少静态施力的设计减少静态施力最重要的就是要避免不“自然”的身体姿势。1816一月20234.1.3肌肉施力4.减少静态施力的设计案例1：钳子的设计。1916一月20234.1.3肌肉施力4.减少静态施力的设计案例2：避免长时间地抬手作业，是减少静态施力设计的重要内容。2016一月20234.1.3肌肉施力4.减少静态施力的设计实例3：当手不得不在较高位置作业时，应该使用支承物来托住人的前臂、关节或手。2116一月20234.1.3肌肉施力4.减少静态施力的设计实例4：如果会造成抬手作业，通常应该设计手臂、脚支撑，避免静态施力。2216一月20234.2骨和关节运动4.2.1骨的结构和功能骨是人体内部最坚固的组织。人体共有206块骨，约占人体体重的1/10-1/5。骨按其所在部位可以分为颅骨、躯干骨和四肢骨。2316一月20234.2.1骨的结构和功能2416一月20234.2.1骨的结构和功能骨的功能主要包括四个方面：第一，骨与骨连接组成骨骼，支持人体软组织和全身重量；第二，骨形成体腔壁，保护脑和心肺等组织；第三，骨具有造血功能，并且是人体所需钙、磷物质的贮备仓库；第四，肌肉收缩时，牵引骨绕关节转动，使人体产生各种运动和操纵姿势。2516一月20234.2.2骨杠杆人体运动中，骨在肌肉拉力下绕关节转动，它的原理、结构和功能与机械杠杆相似，叫做骨杠杆。（1）示例1：2616一月20234.2.2骨杠杆人体运动中，骨在肌肉拉力下绕关节转动，它的原理、结构和功能与机械杠杆相似，叫做骨杠杆。（1）示例2：2716一月20234.2.2骨杠杆骨杠杆分类：骨杠杆一般可以分为三类：平衡杠杆、省力杠杆和速度杠杆。2816一月20234.3人体运动特征4.3.1人体运动的种类（1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。2916一月20234.3.1人体运动的种类（1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。3016一月20234.3.1人体运动的种类（2）旋转运动：骨绕垂直轴的运动叫做旋转运动。3116一月20234.3.1人体运动的种类（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆锥体的图形。3216一月20234.3.1人体运动的种类（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆锥体的图形。3316一月20234.3.2人体运动的范围人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动的角度来表现。3416一月20234.3.2人体运动的范围人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动的角度来表现。3516一月20234.3.2人体运动的范围人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动的角度来表现。3616一月20234.3.2人体运动的范围人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动的角度来表现。3716一月20234.3.2人体运动的范围人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动的角度来表现。3816一月20234.3.3人体运动的时间人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。1.运动方向。研究的结果表明：通过屈肘控制手臂的运动，在左下方和右上方能够运动更快。3916一月20234.3.3人体运动的时间人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。1.运动方向。不同区域内手指敲击运动速度差异4016一月20234.3.3人体运动的时间2.动作特点。动作部位动作特点/动作轨迹特征最少平均时间/s手抓取直线的0.07曲线的0.22旋转克服阻力0.72不克服阻力0.22脚直线的0.36克服阻力的0.72腿直线的0.36脚向侧面0.72~1.46躯干弯曲0.72~1.62倾斜1.264116一月20234.3.3人体运动的时间3.目标距离。随着目标距离增加，定位运动时间增长；随着目标宽度增加，定位运动时间缩短。4216一月20234.3.3人体运动的时间4.动作轨迹特征。（1）连续改变和突然改变的曲线式动作，前者速度快，后者速度慢；（2）水平动作比垂直动作的速度快；（3）一直向前的动作速度，比旋转式的动作速度快1.5~2倍左右；（4）圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活。（5）顺时针动作比逆时针动作灵活；（6）手向着身体的动作比离开身体的动作灵活；（7）向前后的往复动作比向左右的往复动作速度快。4316一月20234.3.4人体运动的精度与运动时间、运动种类、运动方向和操作方式等有关。1.运动速度与准确性。4416一月20234.3.4人体运动的精度2.盲目定位运动的准确性。结论：正前方准确性最高，右方稍优于左方；同一方位下，下和中优于上方。4516一月20234.3.4人体运动的精度3.运动方向与准确性。结论：在垂直面上，手臂上下运动更稳定，颤抖方向上下。在水平面上，手臂左右方向更稳定，颤抖方向也为左右方向。4616一月20234.3.4人体运动的精度4.操作方式与准确性。好不好4716一月20234.3.5人体力量人体力量根据肌肉产生的位移的情况可以分为静态力量和动态力量。

静态力量是人体保持特定姿势或固定位置需要的力量。

动态力量是人体位置或姿势发生变化时动作的力量。4816一月20231.影响人体力量的个体因素有很多因素会对人体力量有影响，比如基因、人的尺寸、训练、动机、年龄、性别等。在这些因素中，年龄和性别的影响是比较显著的两个因素。4916一月20231.影响人体力量的个体因素身体主要部位肌肉所产生的力肌肉的部位力的大小（N）男女手臂肌肉左370200右390220肱二头肌左280130右290130手臂弯曲时的肌肉左280200右290210手臂伸直时的肌肉左210170右230180拇指肌肉左10080右12090背部肌肉（躯干屈伸的肌肉）12207105016一月20232.手的力量手的力量与运动方向、角度以及肘关节的角度等有密切关系。表3-7.5116一月20232.手的力量立姿弯臂时的力量分布5216一月20232.手的力量立姿直臂时的力量分布5316一月20233.脚的力量脚的力量与下肢的姿势、位置和方向有关。5416一月20234.耐力人在一定时间里保持某种用力水平的能力叫做耐力。人体的耐力和瞬时的力量大小不存在比例关系。

肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。例如拉力由最大值减到1/4时，只需要4分钟。5516一月20234.3.6肢体的动作速度与频率决定于肢体肌肉收缩速度、运动方向和动作轨迹等。表3-10人体各部位动作速度与频率限度动作部位动作速度与频率手的运动/（cm·s-1）35控制操纵杆位移/（cm·s-1）8.8~17手指敲击的最大频率/（次·s-1）3~5旋转把手与驾驶盘/（r·s-1）9.42~29.46身体转动/（次·s-1）0.72~1.62手控制的最大谐振截止频率/（Hz）0.8手的弯曲与伸直/（次·s-1）1~1.2脚掌与脚的运动/（次·s-1）0.36~0.725616一月20234.4人的操作动作分析

动作分析就是指作业或操作的动作组成、结构特点及其相互关系的分析。动作研究一般从宏观（生产过程：流程、工艺、人、机器）和微观（操作动作）两个层次展开。

目的：

（1）宏观：建立过程间、机器与人作业间等的最佳匹配。（2）微观：删除无效动作、减少等待、增加动作节奏和提高工作效率。5716一月20234.4.1动作元素必须动作无效动作准备动作美国机械工程师学会（ASME）把人的动作分为18种。5816一月20234.4.2动作分析的方法动作分析主要有两种手段：目视动作分析和摄影分析。

案例1：关于检查轴的长度，并把轴装入套筒的动素程序图。5916一月20234.4.2动作分析的方法动作分析主要有两种手段：目视动作分析和摄影分析。

案例1：关于检查轴的长度，并把轴装入套筒的动素程序图。6016一月20234.4.2动作分析的方法

案例2：咖啡店制作咖啡人员动作分析图。6116一月20234.4.2动作分析的方法

案例2：咖啡店制作咖啡人员动作分析图。6216一月20234.4.3人的作业和动作效率提高人的作业和动作效率的原则：1）同时使用两手，避免一手操作一手空闲；2）力求减少动作数量，避免一切不必要的动作；3）尽可能减少动作距离，避免出现全身性动作；4）寻求舒适的工作环境，减少动作的难度，避免不合理的工作姿势或作业方法。6316一月20234.5控制设计从控制的形式看，控制分为直接控制和间接控制两种方式。人体工程学对控制的基本要求是人能正确将信息传递给机器，保证信息顺利通过人机界面，同时，控制设计要符合人的生理心理特征，保证人操作时的安全、舒适和方便。6416一月20234.5.1控制设计的方法（1）要了解需要执行的控制任务的情况、控制的要素等。（2）选择合适的控制器。（如：控制任务、功能、场所）（3）对控制器进行设计。（如：识别性、反馈、人）（4）对控制器进行布置。6516一月20234.5.2控制器的编码控制器的编码方式要考虑以下几个因素：第一，在控制器在进行识别时候，用户的所有要求；第二，用户已经在使用的编码方式；第三，用户工作区域的照明情况；第四，用户识别时的速度和精确度要求；第五，控制器可以放置的空间；第六，需要编码的控制器的数量。6616一月20234.5.2控制器的编码1.视觉编码视觉编码主要包括标识编码和色彩编码。6716一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码标识控制器功能最简单的方法就是运用符号和标记进行编码。6816一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码表示控制器功能最简单的方法就是运用符号和标记进行编码。6916一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码

标识的位置也十分重要。标识通常放置在控制件的上面或上部，不要把标识放在两个控制器中间的位置或其它容易混淆的位置。7016一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码

标识的位置也十分重要。标识通常放置在控制件的上面或上部，不要把标识放在两个控制器中间的位置或其它容易混淆的位置。7116一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码紧急开关和安全控制应位于作业注意区的中心，且形状和颜色编码应明显。7216一月20234.5.2控制器的编码（1）标识编码其他：

A.进行标识编码设计时，还要考虑照明因素。

B.对于文字和数字进行标识编码的情况，需要考虑文字的宽度、高度和字体等方面的因素。

C.如果标识和控制操作程序有次序，则可以顺其次序进行布局设计。7316一月20234.5.2控制器的编码（2）色彩编码7416一月20234.5.2控制器的编码2.触觉编码触觉编码主要包括形状编码、尺寸编码和材质编码。（1）形状编码：使用不同的形状可以很容易识别不同的控制器。举例1：11种最不容易被混淆的形状。7516一月20234.5.2控制器的编码（1）形状编码：使用不同的形状可以很容易识别不同的控制器。举例2：美国空军曾经开发了15个旋钮的形态编码的方案。7616一月20234.5.2控制器的编码（1）形状编码：使用不同的形状可以很容易识别不同的控制器。举例：＞360度角度位置不重要＜360度角度位置不重要＜360度角度位置重要7716一月20234.5.2控制器的编码（1）形状编码：使用不同的形状可以很容易识别不同的控制器。举例3：形状编码在设计中的应用，某搬运机械上的控制柄的设计。7816一月20234.5.2控制器的编码（1）形状编码：举例4：遥控器上的各个按键就是通过不同的形状来进行编码的。圆形圆环形椭圆形7916一月20234.5.2控制器的编码（1）形状编码：举例5：手机的数字按键中，数字“5”上面有一个突起的小点。凸起8016一月20235.5.2控制器的编码2.触觉编码（2）尺寸编码：触觉区分尺寸大小的能力通常依赖于物体形状，因此，不同的尺寸编码通常和不同的形状编码一起使用。8116一月20234.5.2控制器的编码2.触觉编码（3）材质编码：控制件还可以通过表面的材质进行编码，如图手机设计中，就是通过不同材质来区分数字键和功能方向键。8216一月20234.5.2控制器的编码3.位置编码位置编码就是利用控制器所处位置不同进行的编码形式。8316一月20234.5.2控制器的编码3.位置编码

位置编码有时候可能会发生混淆。比如在手机上数字键的排布就和计算器上不一样。8416一月20234.5.3控制设计中的反馈和偶发启动1.控制设计中的反馈控制操作的反馈来源于3个方面：（1）人的手、足等运动器官本身运动情况带来的反馈；（2）由控制器产生的反馈信息；（3）显示器提供的反馈信息。8516一月20234.5.3控制设计中的反馈和偶发启动控制器产生的反馈信息主要来源于控制器的运动和阻力。阻力的设计是控制设计中的重要因素。一般控制的阻力为：（1）单手转动：0.2-0.5千克；（2）单手按：1-1.5千克；（3）足踏：4-8千克。8616一月20234.5.3控制设计中的反馈和偶发启动2.控制设计中的偶发启动

偶发启动是在操作过程中，有时操作者由于手、胳膊、袖口等无意碰撞或牵拉控制器而引起的。在设计中，控制偶发启动的措施：适当增加阻力；将控制器陷入控制板面；将控制器安装在不容易被意外碰到的位置上；重要控制器的使用采取比较复杂的使用方法等。8716一月20234.5.4常用控制装置设计1.控制器分类操纵装置的类型手控操纵器旋转式操纵器脚控操纵器移动式操纵器按压式操纵器8816一月20234.5.4常用控制装置设计1.控制器分类8916一月20234.5.4常用控制装置设计手操纵控制器设计（1）手把的形状应与手的生理特点相适应。9016一月20234.5.4常用控制装置设计手操纵控制器设计（2）手把的形状便于触觉对其进行识别。9116一月20234.5.4常用控制装置设计手操纵控制器设计（3）尺寸应符合人手尺度的需要。9216一月20234.5.4常用控制装置设计手操纵控制器设计（4）适宜的操纵力范围。9316一月20234.5.4常用控制装置设计手操纵控制器设计（5）操纵器的适宜尺寸。参数见表5-20.9416一月20234.5.4常用控制装置设计按键按键设计，应该保证手指操作的时候不会滑移。9516一月20234.5.4常用控制装置设计按键9616一月20234.5.4常用控制装置设计转臂开关转臂开关的“开”、“关”状态明显，操作可靠。转臂开关的行程方向一般应为垂直。9716一月20234.5.4常用控制装置设计旋钮旋钮可以分为连续转动和定位转动两类。旋钮设计要求保证操作者手感舒服、转动灵敏。9816一月20234.5.4常用控制装置设计旋钮

对于连续旋钮，一般都是用于精细控制。9916一月20234.5.4常用控制装置设计旋钮

对于定位旋钮，阻力应该大于连续旋钮。10016一月20234.5.4常用控制装置设计控制杆10116一月20234.5.4常用控制装置设计控制杆对于精密控制杆，一般应该增加手腕支承。10216一月20234.5.4常用控制装置设计控制杆控制杆的设计。10316一月20234.5.4常用控制装置设计

手轮和摇把

10416一月20234.5.4常用控制装置设计手轮和摇把10516一月20234.5.4常用控制装置设计手轮和摇把10616一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——分类脚控操纵器的类型脚踏板直动式脚踏钮摆动式回转式10716一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器表5-21

脚控操纵器的适宜用力的推荐值脚空操纵器适宜用力/N休息时脚踏板受力18~22悬挂脚蹬45~68功率控制器~68离合器和机械制动器~136离合器最大蹬力272方向舵726~1814可允许的最大蹬力226810816一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——设计踏板设计的一些重要参数，它包括踏板距离、高度、角度和座位的安排。踏板设计中人的姿势10916一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——设计踏板设计的一些重要参数，它包括踏板距离、高度、角度和座位的安排。踏板设计的工作尺寸设计11016一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——设计脚踏板设计和相关尺寸(a)187次/分钟(b)178次/分钟(c)176次/分钟(d)140次/分钟(e)171次/分钟11116一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——设计脚踏钮相关尺寸11216一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——空间布置设计11316一月20234.5.4常用控制装置设计3.脚操纵控制器——站立踏板设计11416一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（1）概述人体工程学理发剪刀的设计与评估研究发表在2003年的《IndustrialErgonomics》上，设计和研究者为ChunkChiavaras和JasonL.Boyles等。研究从理发师常见的疾病出发，通过对理发师理发行为的观察，设计出了一款减少理发师不正常作业姿势的人体工程学剪刀（ETD）。在此基础上，对ETD剪刀和传统剪刀进行对比研究和评估。11516一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（2）问题来源传统的理发剪刀是直线型的。

11616一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（2）问题来源研究发现，理发师在理发的时候手腕通常是处于一种不自然的状态。

11716一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（3）设计ETD剪刀在设计上将把手处弯曲了90o。11816一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（3）设计ETD剪刀在设计上将把手处弯曲了90o，这样可以使理发师在理发的时候手腕保持自然姿势。11916一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（3）设计在设计中，设计师遵循了三个主要的设计原则：设计具有特殊使用目的的工具；

设计两只手都能使用的工具；弯曲工具，使手腕自然。12016一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（4）设计评估实验实验选取了44名理发师进行实验，被试的基本情况如下。12116一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（4）设计评估实验询问用户手部、背部、肩部的疼痛情况，并对用户满意度进行分析，从而对设计进行全面评估。臂12216一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析ETD剪刀整体的满意度是比较好的。12316一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析ETD剪刀更能减少用户效能下降。4.80.312416一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析ETD剪刀更能减少用户效能下降。12516一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析在实验中，使用一般剪刀和ETD剪刀的被试手腕疼痛评分为2.1和1.3。12616一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析研究者对手部疼痛进行了专门研究。STDETD12716一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析在实验中，使用一般剪刀和ETD剪刀的被试肩部（背部）的疼痛评分为2.0和1.4，显然，ETD剪刀优于普通剪刀。12816一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析研究者还对于用户使用剪刀的行为分析。12916一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析研究者还对于用户使用剪刀的行为分析。13016一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（5）实验分析研究者还对于用户使用剪刀的行为分析。13116一月2023案例与研究：人机工程学理发剪刀的设计与评估（6）结论

研究表明，ETD剪刀是能够满足理发师使用的剪刀。和传统剪刀相比，ETD剪刀：可以减轻用户由于使用剪刀引起的疼痛；减少抓握力量下降；减少腕部弯曲；减少手部超过肩部的时间。13216一月2023课题作业1.肌肉施力、动态和静态肌肉施力？动态和静态肌肉施力区别？2.静态施力的生理效应？静态施力的极限？从设计角度怎样减小静态施力？3.人体运动时？人体运动时主要依赖于哪些因素？4.人体运动精度与哪些因素有关？5.什么是人操作动作分析？其目的是什么？6.提高人的作业和动作效率的原则？7.控制设计的基本要求？8.控制器编码有哪两种？9.