第一节人体动作疲劳强度的适度考量

人机工程学概论主讲：孙启新目录第一章概论第一节人机工程学的形成与开展第二节人机工程学的根本概念与研究范围第三节人机工程学的学科特性与相关学科第二章人体动作与行为因素第一节人体与物体尺度的行为关联第二节人体与知觉心理的行为反映第三节人体与作业环境的行为需求第三章人体动作空间与人性化设计第一节人体动作疲劳强度的适度考量第二节人体动作空间环境的标准考量第四章人机工程学的设计运用第一节室内空间设计第二节家具陈设设计第三节无障碍设计第三章人体动作空间与人性化设计第一节人体动作疲劳强度的适度考量第二节人体动作空间环境的标准考量一、肢体的出力范围肢体的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时所产生的力称为肌力。肌力的大小取决于生理因素的机能状态、肌肉对骨骼发生作用的机械条件。下表为中等体力的20～30岁青年男女身体主要部位肌肉所产生的力。肢体所能发挥的力量范围是确定机械设备操纵系统的根底数据。肢体发挥操纵力的大小，除了取决于上述人体肌肉的生理特性外，还与用力的时间长短、采取的姿势、着力部位有关。表30反映了人体各局部的肌力情况。第一节人体动作疲劳强度的适度考量〔一〕坐姿手臂操纵力以下图为坐姿时手臂在不同方向的操纵力〔中等体力男子，右立者〕〔见图87、表31〕。图87坐姿手臂操纵力的测试方位和指向表31中等体力的男子〔右立者〕〔二〕立姿手臂操纵力立姿直臂时手臂操纵力的一项实验结果见图88。〔三〕握力男子优势手的握力约为自身体重的47%—58%，女子约为自身体重的40%～48%。所有肌力均随施力持续时间加长而逐渐减小。例如某些肌力持续到4分钟时，就会衰减到1／4左右，肌力衰减到1／2所持续时间，对多数人是根本一样的〔图89〕。〔四〕坐姿时足的蹬力足的蹬力大小与人体姿势、足的位置方向有关。假设坐姿有靠背支撑时可产生最大的蹬力。以下图为不同体位的足蹬力。与垂线成70。角方向的蹬力最大，此时大腿略向上抬，大小腿夹角140。～150。。从俯视角度看，腿蹬方向偏离正前方15。以上时，蹬力大幅减小，操作灵敏度也会明显降低〔图90〕。一般坐姿时，右足最大瞬时用力可达2570N，左足可达2364N。右足蹬力大于左足；男性蹬力大于女性。二、静态肌肉施力人的肌肉施力分为动态和静态两种。静态施力时，收缩的肌肉长时间压迫血管，阻止血液进入肌肉，肌肉无法从血液中得到糖和氧的补充，同时肌肉的代谢废物不能迅速排出，从而造成肌肉酸痛，引起肌肉疲劳，影响作业的持续时间。长期受静态施力的影响，就会引发永久性病症，如关节炎、腱膜炎等，因此，当长时间的静杰施力不可防止时，应考虑中间安排活动〔图91〕。〔一〕静态肌肉施力举例几乎所有的劳动中都包括不同程度的静态施力。(1)工作时的前弯腰或侧弯腰。(2)工作时手臂水平抬起〔图92〕。(3)用手臂夹住物体。(4)只脚支撑体重，另一只脚控制机器。(5)长时间站立在一个位置上。(6)传统键盘使手腕长时间处在静态施力状态，而人机工程学键改善了施力状况。〔7)-些传统把手中的静态肌肉施力情况〔图93〕。〔二〕防止静态施力提高人体作业效率，一方面要合理使用肌力，降低肌肉的实际负荷；另一方面要防止静态肌肉施力。当静态施力不可防止时，肌肉施力大小应为最大肌力的150/0。对于简单的重复性动作，可增加到30%。(1)防止弯腰或其他不自然的身体姿态。(2)防止长时间地抬手作业，同时抬手作业会降低操作精度。(3)坐着工作比站着工作省力。(4)对于频繁走动性的工作，座椅的高度应调到使操作者可十分容易地改变站立和坐的姿势的高度，这样可减少站起和坐下造成的疲劳。(5)作业面的高度应按工作性质耒设计，一般观察需要的距离越近，工作面应越高。(6)常用工具应放在人的附近，最频繁的动作，应在肘关节弯曲时就可完成。(7)当手不得不放在高位置工作时，应使用支承物托住肘关节前臂，手的支撑物外表应为毛布或其他较柔软而不发凉的材料，且最好可调节以适应更多的人〔图94〕。(8)支撑肢体。人的每一肢体都有重量，作业时，不但要支持物体，而且还要支持自重，故对举手之类的作业，应设计支撑物〔如近视距工作设计中应有支撑物〕。(9)颈支撑着头，只要头部是垂直向前稍有倾斜，颈部就不会感到疲劳。阅读书写时的头向前平均倾斜25。，书写时眼到纸面275mm，阅读时325mm。当头后仰15。时，颈部肌肉会感到酸痛，同时也带来了另一个问题——来自光源和窗的眩光。在设计显示屏幕时，可设计成稍微倾斜，以减少人的头部后仰。三、动作的灵活性与准确性〔一〕人体动作的灵活性灵活性是指操作时的动作速度与频率。人体生物力学特性决定了人体重量轻的部位较重的部位、短的部位较长的部位、肢体末端较主干动作灵活。因此，在设计机器及操纵装置和工作方式时，应充分考虑这些特点。1．反响时和运动时反响时指从刺激呈现到人开场作出外部反响的时间间隔，也称为反响潜伏期。影响反响时的有人体主观因素和外界刺激客观因素。(1)刺激的数目：数目越多反响越慢(表32)。(2)刺激强度：随着刺激强度加大，反响时逐渐缩短，但到达一定的刺激强度以后，反响时就根本稳定不再缩短了。(3)刺激的比照度：比照越强反响时越短。(4)刺激类型和受刺激的部位：触听视觉反响时短，味觉反响时长。触觉中脸、手指反响时短，脚部反响时长〔表33〕。(5)人的主体因素：影响反响时的人的主体因素，有先天的个体差异、当时的身体状况和培训造成的差异等。先天性的个体差异指素质、性别、个性等方面，当时的身体状况指年龄、安康状况、疲劳状况、情绪、生理节律等状态，培训对反响时的快慢影响更是明显。2．动作速度动作速度是指肢体在单位时间内移动的路程。动作方向、轨迹决定动作速度。肢体运动速度变化很大，可从每秒几毫米到800mm。在一般情况下，手臂动作速度平均为50～500mm/s。经测定，动作速度有以下规律，可供设计时参考：人体躯干及肢体在水平面的运动比垂直面的运动速度快；从上往下较从下往上运动速度快；水平方向的前后运动较左右方向运动快，旋转运动比直线运动灵活；顺时针方向操作动作比逆时针方向操作要快，且符合动作习惯；向身体方向的运动较离开身体方向运动要快，但后者准确性高；一般人右手较左手快，同时右手向右较向左运动快；动作速度与受力物的质量成反比。3．动作频率每分钟或每秒钟动作重复的次数称为动作频率。它与操作方式及动作部位有关。测试数搪见表34。表34手足最大动作频率〔二〕人体动作的准确性动作的准确性可从动作形式、速度和力量三个方面考察。这三方面配合恰当，动作才能与客观要求相符合，才能准确。动作方向错误，动作量过大或过小，都将产生不准确的动作。四、作业姿势〔一〕作业姿势的类型人在日常生活和生产中，一般有四大根本姿势，即立姿、端坐姿、靠椅坐姿和卧姿。〔二〕确定作业姿势的一般原那么不同的人体姿势所造成的肌肉负荷一般可由伴随肌肉收缩所产生的生物电位的变化肌电图来显示。人机工程学学者曾选择了人体的13种姿势，通过肌电图得出如下图的结果。图中以立姿的肌肉活动量为100%，按不同姿势所造成的相对于立姿的肌肉活动量的大小，依次由左向右排列，从中反映了为维持不同姿势，人体有关部位的肌肉进展等长收缩的紧张程度〔表35〕。姿势对心血管系统的影响如表36所示：为保障操作者的身体安康，提高作业率，在确定作业姿势时，一般应遵循如下原那么：(1)操作者的作业姿势一般以坐姿为好，其次是坐一立姿。当工作过程非立姿不可时，才选择立姿。(2)应尽可能地使操作者采取平衡姿势，防止因作生姿势不当而给肌肉、关节和心血管系统造成不必要的负担。(3)作业过程中，应使操作者能自由地变换多种体位，尽可能地使操作者身体处于舒适状态。当强制保持盼姿势无法防止时，应设置适当的支撑物。(4)确定作业姿势应与肌力的使用以及作业动作相联系，三者应相互协调。〔三〕作业中常用的姿势1.立姿正确的立姿是身体各个局部，如头、颈、胸、腹等均垂直于水平面，且身体保持平衡和稳定。此时，人体的重量主要由骨骼承担，肌肉和韧带的负荷最小，人体内各系统如呼吸、消化、血液循环等活动的机械阻力最小。舒适的立姿是身体自然直立或躯干稍向前倾15。左右。以下情况宜采取立姿作业：(1)常用的控制界分布在较大区域，远远超出坐姿的最大可及范围时。(2)需要用较大肌力的作业，而坐姿不可能到达时。(3)在没有容膝空间的机器旁作业，坐着反而不如站着舒适时。(4)需要频繁地坐、立的作业，因为频繁起坐所消耗的能量比立姿的耗能量还大。

(5)单调的易引起心理性疲劳的作业。持续较长时间的立姿作业会引起下肢肌肉酸痛，下肢肿胀。因此，对干一些不得不采取立姿进展的作业，应使操作者可以自由变换体位，防止长时间站立于一个位置；同时脚下应铺垫木板、橡胶板或有弹性的垫子，也可穿有软垫的鞋子；还应安排操作者定时坐下来作适当休息或安排做一些轻度的体育活动，以改善血液循环状况，减少肌肉疲劳。2．坐姿作业时正确的坐姿应是身躯上部伸直稍向前倾10°～15°，保持眼睛到工作面的距离在300mm以上，大腿放平，小腿自然垂直着地或稍向前伸展着地，使整个身体处于自然舒适状态。研究证明，当直腰坐〔身躯上部挺直坐〕时，脊柱的变形较大，肌肉的负荷也大。当放松坐〔身躯上部稍弯曲〕时，背部肌肉负荷小，有利于整个身体的平衡，感觉比较舒适，但此时椎间盘的内压力会增大。由此可见，肌肉与椎间盘对坐姿的要求是矛盾的。假设在作业过程中，适当变换直腰坐与放松坐两种坐姿，那么既可通过改变椎间盘的内压力，改善椎间盘的营养供给状况，又可使肌肉得以放松。以下情况应采用坐姿作业：(1)持续时间长的静态作业。(2)精细度高而又要求细致的作业。(3)需要手足并用的作业。(4)要求操作准确性高的作业。由于坐姿心脏负担的静压力较立姿有所降低，肌肉承受的体重负荷也较立姿小，故坐姿作业可以减轻劳动强度，提高作业效率，优于立姿作业。但坐姿作业不易改变体位，施力受限制，工作范围也受限制，且久坐易导致脊柱变形。3．坐---立姿坐一立姿是指在作业过程中既可以坐也可以站立，坐、立交替，但以坐姿为主。坐着可以解除站立所引起的下肢肌肉酸痛感，而站立叉可放松坐着引起的腰部肌肉紧张，所以坐、立交替可以消除不同部位的肌肉负荷〔图95〕。五、疲劳研究疲劳是一种人体的生理状态。在作业过程中，作业者产生作业机能衰退、作业能力下降，有时还伴有疲倦感等主观病症的现象，就叫作业疲劳。过度的作业疲劳不仅导致作业能力下降、劳动质量降低、大脑与动作迟钝、反响能力降低，而且易增加事故发生率，甚至造成人身与财产损失。作业疲劳是一系列复杂现象的综合体，既有人的生理和心理因素，又有生产设备的因素，还受环境和社会因素的影响。因此，对疲劳问题的探讨也是人机工程设计的一个重要课题。〔一〕疲劳的分类1．肌肉疲劳肌肉疲劳又分为个别器官疲劳和全身性疲劳。前者常发生在仅需个别器官或肢体参与的紧张作业。如计算机操作人员的肩肘痛、眼疲劳，打字人员的手指、腕疲劳等。后者主要是由全身参与较为繁重的体力劳动所致，表现为全身肌肉、关节酸痛，困乏思睡，作业能力明显下降，失误增多，操作迟钝等。2．精神疲劳〔刺激疲劳〕精神疲劳包括智力疲劳、技术性疲劳和心理性疲劳。智力疲劳主要是指长期从事紧张的脑力劳动所引起的头昏脑涨、全身乏力、嗜睡或失眠等，常与心理因素有联系。技术性疲劳常见于体力脑力并用的蒡动和神经相当紧张的作业，如驾驶飞机、汽车、拖拉机，收发电报、操纵半自动化生产设备等。单调的作业内容很容易引起心理性疲劳，例如监视仪表的人员，外表上坐在那里“悠闲〞自在，实际上并不轻松。信号率越低越易产生疲劳，使警觉性下降。这时体力并不疲劳，而是大脑皮层的一个部位经常兴奋引起的抑制。3．生物疲劳〔周期性疲劳〕根据疲劳周期的长短，可将周期分为年周期性疲劳和月、周、日周期性疲劳。这种疲劳的出现与社会、生理心理因素的影响有关。〔二〕作业疲劳的调查与测定1．疲劳问卷调查周身和局部疲劳可由个人自觉病症的主诉得以确认。2．疲劳测定方法(1)闪光融合值测定受试者观看一个频率可调的闪烁光源，记录工作前后受试者可分辨出闪烁的频率数。具体做法是先从低频闪烁做起，这时视觉可见仪器内光点不断闪光，当增大频率，视觉刚刚出现闪光消失时的频率值叫闪光融合阈。人体疲劳后闪光融合值降低，说明视觉神经出现钝化。这一方法对在视觉显示终端前面工作人员的疲劳测定最为适用。通过测定得知，全身性疲劳也会在视觉方面有所表现。(2)心率及肺活量测定心率和劳动强度是密切相关的。作业开场后，头30—40s内迅速增加，以适应供氧的要求，以后绥慢上升。一般经4～5min到达与劳动强度适应的稳定水平。轻作业心率增加不多；重作业能上升到150—200次／min。作业停顿后，心率可在几秒至十几秒内迅速减少，然后缓慢地降到原来水平。疲劳越重，氧债越多，心率恢复得越慢。(3)触觉两点阈值测定当皮肤外表上的两个点同时受到刺激时，如果两点间距离在50mm以上，任何人都能清楚地感受到两点的刺激。但是，当两点距离缩短到一定值以后〔正常情况下小臂约为20mm〕，只感觉是一个刺激点，其值称为两点阈值。作业疲劳越甚，感觉越迟钝，此值上升越多。〔三〕引起疲劳的原因1．超生理负荷劳动强度越大，劳动时间越长，人的疲劳就越重。2．工作单调对多数人来说，内容单一、限制创造力的工作是乏味的。乏味的工作会使作业者产生不愉快和厌烦的情绪。另外，还会使注意力不集中，注意力是最易疲劳的心理机能之一。3．环境不良不良的环境条件〔如温度、湿度、照明、振动和噪声等〕是不适应人的生理和心理需要的，它会增加作业人员的劳动强度和疲劳感。噪声可加重疲劳，优美的音乐可以舒张血管、松弛紧张的情绪并减轻疲劳。4．精神因素精神因素指作业人员因强烈的刺激、焦虑情绪、烦恼、工作责任感以及人与人之间和家庭等因素导致的精神不振。5．身体状况不好这是指痪病，如疼痛、营养不良、睡眠缺乏、个人体质欠佳等。6．人机工程设计不合理这是指劳动姿势与体位选择不合理。生产设备与工具设计不合理，未能减轻劳动强度和释放紧张情绪；人机界面设计不合理，不符合人的感觉功能和心理特点；未按生物力学的原那么合理使用体力；工作空间过小等。〔四〕疲劳的某些规律1．疲劳可以恢复青年人比老年人恢复得快，而且在作业过程中青年人较老年人产生的疲劳要小得多。2．疲劳累积效应前一日未完全恢复的疲劳会继续到第二天。3．人对疲劳有适应能力人如果连续工作，反而不觉累了，这是体力上的适应性。4．生理周期的影响在生理周期中，如生物节律低潮期、妇女月经期，发生疲劳的自我感受较重。〔五〕降低作业疲劳的措施这里仅从人机工程设计的角度考虑降低作业疲劳的措施。1．提高作业的自动化水平提高作业的自动化水平是现代科学技术开展的主要方向之一。自动化能改善劳动条件，降低劳动强度，缩短劳动时间，从而消除了笨重体力劳动造成的重度疲劳，同时也提高了作业平安可靠性。统计资料说明，笨重体力劳动比重较大的工业部门，如采矿、冶金、建筑、铁路等行业，由于劳动强度大，生产事故较机械、化工、纺织等行业均高出数倍至数十倍。由此呵见，提高作业自动化水平是减少作业人数、提高劳动生产率、减少人员疲劳、提高生产平安水平的有力措施。2．正确选择作业姿势和体位在作业中，除劳动负荷外，劳动姿势与体位也是引发人体疲劳的很重要的因素。劳动姿势不当，容易造成过度的疲劳和职业病，使工作效率大大降低。3．合理设计作业中的用力方法(1)合理安排施力方式与负荷静态施力很容易使作业者感到疲劳，因此应尽量防止。如果静态施力不可防止，那么应对施力大小作出限制，肌肉施力应低于其最大施力的15%。在动态作业中，如果作业动作是简单的重复性动作，那么肌肉施力也不应超过其最大肌肉力的30%。(2)按生物力学原理用力作业时，要把力用到完成某一动作的做功上去，防止浪费在身体本身或不合理的动作上。(3)利用人体活动特点用力(4)利用人体动作的经济原那么所谓动作的经济原那么是指保持