骨科人体生物力学与施力特征分析

骨科人体生物力学与施力特征分析第1页，课件共58页，创作于2023年2月

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，但运动速度快由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑这一原理。2.骨杠杆第2页，课件共58页，创作于2023年2月图5-1人体骨杠杆

（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆返回第3页，课件共58页，创作于2023年2月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。第4页，课件共58页，创作于2023年2月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。第5页，课件共58页，创作于2023年2月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。第6页，课件共58页，创作于2023年2月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（5-3）∑（肘部总力矩）=0（5-4）第7页，课件共58页，创作于2023年2月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

（5-7）∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0

（5-8）解得腰骶间盘所受的压力达到5458N，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脊柱重心的距离。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。第8页，课件共58页，创作于2023年2月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。第9页，课件共58页，创作于2023年2月

表5-1重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围10.下摆、上摆第10页，课件共58页，创作于2023年2月

表5-1（续）重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围第11页，课件共58页，创作于2023年2月

人体各部分的活动范围第12页，课件共58页，创作于2023年2月人体上部及上肢固定姿势活动角度范围第13页，课件共58页，创作于2023年2月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）挖沟作业示意图第14页，课件共58页，创作于2023年2月（b）开渠机驾驶舱（正视图）第15页，课件共58页，创作于2023年2月（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。第16页，课件共58页，创作于2023年2月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0.01～0.02N，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。第17页，课件共58页，创作于2023年2月表5—2身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）返回结论：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%。第18页，课件共58页，创作于2023年2月（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分布；如图5-5。（２）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。（３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力；如图T1，如表5-3。（４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。如图5—7(a)和5-7(b）。注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关.如图T3和图T4第19页，课件共58页，创作于2023年2月图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。返回第20页，课件共58页，创作于2023年2月

图5-6立姿直臂时拉力和推力分布拉力推力返回最大拉力产生在180°位置上。最大推力产生在0°位置上。第21页，课件共58页，创作于2023年2月图T1坐姿时手臂的操纵力的测试方位返回第22页，课件共58页，创作于2023年2月

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：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力大于向外用力。第23页，课件共58页，创作于2023年2月图5-7不同体位下的蹬力返回

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。第24页，课件共58页，创作于2023年2月图T3图T4结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，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。返回第25页，课件共58页，创作于2023年2月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5-8表示人体在不同姿势下的施力状态，图中（a）为常见的操作姿态，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.第26页，课件共58页，创作于2023年2月图5-8人体在不同姿势下的实力状态（a）操作姿态第27页，课件共58页，创作于2023年2月第28页，课件共58页，创作于2023年2月第29页，课件共58页，创作于2023年2月图5-8人体在不同姿势下的实力状态（b）活动姿态图5-8（b）为常见的活动姿态，其对应的实力大小见表5-6，施力时相应的移动距离已标注在该图中。第30页，课件共58页，创作于2023年2月第31页，课件共58页，创作于2023年2月

图T5影响人体能的因素补充材料1：影响人体能的因素第32页，课件共58页，创作于2023年2月2：肢体的动作速度与频率2.１、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）2.２、动作频率

取决于动作部位和动作方式。参阅表B-1。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B-5第33页，课件共58页，创作于2023年2月

表B—1人体各部位动作速度与频率限度返回第34页，课件共58页，创作于2023年2月表B-2人体各部分的最大运动频率返回第35页，课件共58页，创作于2023年2月3：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。第36页，课件共58页，创作于2023年2月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、析取反应时间第37页，课件共58页，创作于2023年2月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3-1。（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第38页，课件共58页，创作于2023年2月

人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的，见表3-2。

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3-3。

“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。第39页，课件共58页，创作于2023年2月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3-4

（3）刺激的数目、颜色；表3-5

B

（4）显示器及操纵器的设计。第40页，课件共58页，创作于2023年2月

习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生理、心理状况。

年龄2030405060反应时间相对值100104112116161年龄与反应时间的关系

4.人的主体因素第41页，课件共58页，创作于2023年2月表3-1不同感觉器官的反应时间感觉器官反应时间（ms）触觉110-160听觉120-160视觉150-200冷觉150-230温觉180-240嗅觉210-390痛觉400-1000味觉330-1100返回第42页，课件共58页，创作于2023年2月刺激反应时间（ms）光电击声音光和电击光和声音声音和电击光、声和电击176143142142142131127表3-2对各种刺激的反应时间返回第43页，课件共58页，创作于2023年2月表3-3不同强度刺激的反应时间返回第44页，课件共58页，创作于2023年2月表3-4光刺激时间对反应时间的影响表3-5可选择的刺激数目对反应时间的影响光刺激持续时间36122448反应时间191189187184184刺激选择数目反应时间（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回第45页，课件共58页，创作于2023年2月要辨别的刺激白和黑红和绿红和黄红和橙红和橙（加25%红）红和橙（加50%红）红和橙（加75%红）10和13mm线段10和12.5mm线段平均反应时间（ms）197208217246252260271296298要辨别的刺激10和12mm线段10和11.5mm线段10和11mm线段10和10.5mm线段相差16Hz纯音相差12Hz纯音相差8Hz纯音相差4Hz纯音

平均反应时间（ms）305313324345290299311334

B刺激的辨别难度对反应时间的影响返回第46页，课件共58页，创作于2023年2月

1.动作特点表3-6

2.目标距离：距离增加，Td增长，宽度增加，

Td缩短。

3.运动方向

图3-1

图3-24.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。

3.2运动速度用完成动作的时间来评定（Td）第47页，课件共58页，创作于2023年2月1其他功能23456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。

返回第48页，课件共58页，创作于2023年2月表3-6人体各部位动作一次的最少平均时间动作部位动作特点最少平均时间/s手抓取直线的曲线的0.070.22旋转克服阻力不克服阻力0.720.22脚直线的克服阻力的0.360.72腿直线的脚向侧面0.360.72～1.46躯干弯曲倾斜0.72～1.621.26返回第49页，课件共58页，创作于2023年2月出手距离（cm）204060平均反应时间（ms）525596670标准差（ms）507174反应动作距离与动作时间返回