《安全人机工程教学》-第3章  生物力学特性

2025/11/7第三章

人的生理和心理及生物力学特性第一节人的生理特性第二节人的心理特性第三节人体生物力学特性第四节疲劳与恢复2025/11/7第三节人体生物力学特性一、人体运动系统二、能量代谢系统三、肌肉疲劳与精神疲劳2025/11/7一、人体运动系统骨以不同形式连结在一起，构成骨骼。形成了人体的基本形态，并为肌肉提供附着，在神经支配下，肌肉收缩，牵拉其所附着的骨，以可动的骨连结为枢纽，产生杠杆运动。骨是运动的杠杆；关节是运动的支点；肌肉是运动的动力。

人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统，由骨、骨关节和肌肉三种器官组成。1.骨骼、关节、肌肉2025/11/7

1）人体骨骼全图骨骼由颅骨、躯干骨、四肢骨三部分组成，全身约有206块骨。是人体内部的支撑结构。2025/11/72)关节

关节起骨间连接且能活动的作用。根据关节的活动范围，关节分为：球窝关节（可一个方向旋转，如肩关节和髋关节），滑车关节（只能向前或向后旋转，肘关节和指关节），微动关节（只能允许平面间或往返的运动，脊椎骨间关节）。2025/11/7

肌肉拉伤指肌肉主动强烈的收缩或被动过度的拉长所造成的肌肉细微损伤或部分撕裂或完全断裂。肌肉萎缩指骨骼肌体积的缩小，可由于肌纤维变细或消失，是许多神经肌肉疾病的重要症状和体征。3)肌肉2025/11/7

肌肉3种类型：骨髓肌、平滑肌和心肌。

骨髓肌有4种物理特性：收缩性、伸展性、弹性和黏滞性。3)肌肉2025/11/72.操作动作与作业姿势1)作业姿势的基本类型人在日常生活和生产中，一般有4大基本姿势，即立姿、端坐姿、靠椅坐姿和卧姿。根据支持躯体的方式，又可将上述4种基本姿势划分为34种姿势，其中立姿7种，端坐姿14种，靠椅坐姿10种，卧姿3种。2025/11/72)确定作业姿势的一般原则(1)人体姿势对肌肉及心血管系统的影响2025/11/7(2）确定作业姿势的一般原则①操作者的作业姿势一般以坐姿为好，其次是坐立姿。当工作过程非立姿不可时，才选择立姿。②应尽可能的使操作者采取平衡姿势。③作业过程中，应使操作者能自由地变换多种体位，尽可能的使操作者身体处于舒适状态。当强制保持的姿势无法避免时，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。2025/11/73.立姿、坐姿、坐-立姿

正确的立姿是身体各个部分，如头、颈、胸、腹等均垂直于水平面且身体保持平衡和稳定时，人体的重量主要由骨髓承担，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。2025/11/73.立姿、坐姿、坐-立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。坐—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。2025/11/71.能量供应二、能量代谢系统

人在作业过程中所需要的能量，是分别由3种不同的能源系统ATP-CP（三磷酸腺苷-磷酸肌酸）系统、乳酸能系统和有氧氧化系统提供的。2025/11/72.能量代谢的测定方法人体能量的产生和消耗称为能量代谢。能量代谢可通过人体的氧耗量反映出来。因此，首先测得单位时间内糖、脂肪等能源物质在体内氧化时的氧耗量和二氧化碳的排出量，求得二者之比（呼吸商），由此在推算某一时间或某项作业所消耗的能量。2025/11/72.能量代谢的测定方法通常能耗量以千卡（kca1）表示。氧耗量有两种表示方法：一种是以每分钟所消耗的氧气的容积表示，即每分钟耗氧多少升（L/min）；另一种是以人单位体重在单位时间内消耗多少立方厘米氧气表示［cm3/（kg.min）］。这两种表示方法可以通过公式换算：式中W—体重kg。2025/11/73.能量代谢与能量代谢率能量代谢按照机体及所处状态分为3种：维持生命所必需的基础代谢能量，安静时维持某一自然姿势时的安静能量(安静代谢)，作业时的能量代谢量（活动代谢）。安静代谢量能量代谢量基础代谢量维持状态所增加的代谢量作业所增加的代谢量2025/11/7相对能量代谢率RMR为：RMR＝活动代谢率／基础代谢率＝（作业时实际代谢率—安静代谢率）／基础代谢率简易方法近似计算人在一个工作日（8h）中的能量消耗，其计算公式如下：总代谢率＝安静代谢率十活动代谢率＝1.2×基础代谢率十RMR×基础代谢率＝基础代谢率×（1.2十RMR）总能耗＝（1.2十RMR）×基础代谢率×体表面积×活动时间2025/11/71)国外劳动强度分级4.劳动强度

劳动强度是以作业过程中人体的能耗量、氧耗量、心率、直肠温度、排汗率或相对代谢率等作为指标分级的。2025/11/72)我国的劳动强度分级按劳动强度指数来划分体力劳动强度等级，国家标准GB3869-83。I=3T+7M式中I——劳动强度指数

T——净作业时间比率；

M——8小时工作时平均能量代谢率，KJ/min·m2；

3——劳动时间率计算系数

7——能量代谢率计算系数2025/11/71）一般情况连续8H工作5.最大能量消耗界限人体的最佳工作负荷是指在正常情景中，人体工作8h不产生过度疲劳的最大工作负荷值。最大工作负荷值通常是以能量消耗界限、心率界限以及最大摄氧量的百分数表示。国外一般认为，能量消耗5kcal/min、心率110～115次/min、吸氧量为最大摄氧量的33%左右时的工作负荷为最佳工作负荷。2025/11/7中国医学科学院卫生研究所也曾对我国具有代表性行业中的262个工种的劳动时间和能量代谢进行了调查研究，提出了如下能量消耗界限：一个工作日（8h）的总能量消耗应在1400～1600kcal，最多不超过2000kcal。若在不良劳动环境中进行作业，上述能耗量还应降低20%。根据我国工人目前食物摄入水平，这一能耗界限是比较合理的。日本学者斋藤一和入江俊二对作业中的最佳能耗范围也进行了研究，认为8h工作适宜能耗应为1400～1500kcal，不宜超过1800kcal。2025/11/72）重强度劳动和极重（很重）强度劳动德国学者E.A.米勒，人一般连续劳动480min而中间不休息的最大能量消耗界限为4kcal/min，这一能量消耗水率也被称为耐力水平。米勒假定标准能量储备为24kcal，要避免疲劳积累，则工作时间加上休息时间的平均能量消耗不能超过4kcal/min。2025/11/71.疲劳的概念三、肌肉疲劳与精神疲劳2025/11/7你感到疲劳吗？2025/11/71.疲劳定义：1.作业疲劳/运动疲劳2.当人体内的分解代谢和合成代谢平衡不能维持，作业能力出现明显下降时叫疲劳。

疲劳是体力和脑力效能暂时的减弱。作业者在作业中，作业机能衰退，作业能力下降，并伴有疲倦感等主观症状。2025/11/7疲劳分类按疲劳原因分按发生部位分按疲劳程度分生理性疲劳（新陈代谢）心理性疲劳（感情影响）一般疲劳（肌体劳累）过度疲劳（连续长期）重度疲劳（接近病态）精神疲劳（精神压力）肌肉疲劳（肌肉劳累）神经疲劳（用脑过度）疲劳的分类标准：2025/11/72.肌肉疲劳

I-新鲜肌肉的收缩和松弛；Ⅱ-同一块肌肉，中等刺激后;Ⅲ-同一块肌肉，强刺激后；Ⅳ-同一块肌肉很强刺激后2025/11/7糖、脂肪和蛋白质的分解代谢取决于劳动时机体的供氧情况。当供氧充足时（中等强度肌肉活动时），糖和脂肪是通过氧化、磷酸化过程提供能量来合成ATP的；当供氧不足时（大强度活动时），则主要通过糖的无氧酵解提供的能量来合成ATP，同时生成大量乳酸。2025/11/7许多研究资料指出，反复收缩的随意肌在衰竭后，仍可能对通过皮肤的电刺激作出应答，表明肌肉疲劳是中枢神经系统的一种现象，而不单是肌肉本身的现象。2025/11/7两种肌肉疲劳学说：化学学说：肌肉疲劳主要是化学过程（产生能量的物质过度消耗和代谢废物过度积聚）的结果，其次才是神经及肌肉之电现象中枢神经系统学说：化学过程本身只不过是产生刺激而引起感觉神经冲动而已，冲动沿神经传递至大脑和大脑皮层，因此，肌肉疲劳本身即可引起全身的疲倦感觉；加之向心的冲动抑制了运动中枢，所以，沿运动神经传递的冲动，其数量和频率势必随之减少，因而便依次出现了肌肉疲劳的外在信号（即肌力减少和肌肉有节律运动时其位移缩短和受阻）。2025/11/7

经络不通,百病全生《黄帝内经》载：“经脉者，人之所以生，病之所以成，人之所以治，病之所以起。”而经脉则“伏行分肉之间，深而不见，其浮而常见者，皆络脉也”，并有“决生死，处百病，调虚实，不可不通”的特点，故针灸“欲以微针通其经脉，调其血气，营其逆顺出入之会，令可传于后世”。由此可见，经络理论对指导中医各科实践有着决定性的作用。2025/11/73.精神疲劳精神疲劳主要是指第二信号系统活动能力减退，表现为全身乏力、头晕、思睡或失眠、心情压抑、思维能力减弱及活动减少。若得不到休息，会感到非常苦恼。这种感觉和口渴、饥饿一样，都是人类的一种保护性反应。2025/11/74.疲劳特点疲劳可能是将身体的一部分过度使用之后发生的，但并不是只发生在身体的这一部分，由于疲劳引起全身症状，因而也表现出大脑疲劳，这种大脑与疲劳有关的现象，乃是人身疲劳的最大特征。疲劳不但使作业能力降低，同时也有作业意志减弱的迹象。人体疲劳后，具有恢复原状的能力，而不会留下损伤痕迹。2025/11/7疲劳状态是由作业内容和环境变化太小引起的，当作业内容和环境改变时，疲劳可以减弱或消失。从有疲倦感到精疲力竭，感觉和疲劳有时并不一定同步发生，当人们对作业不感兴趣、缺乏动力时，已有疲劳感觉，但机体并未到达疲劳状态；当人们过于关注自己的工作、责任心很强、积极性很高时，会发生机体已过度疲劳，但主观并未感觉疲劳。2025/11/7疲劳评价心理评价生理评价其他调查问卷（POMS/VAS.figure疲劳调查问卷）观察产品的质量和数量记录受试者的感觉智能测验精神测验膝腱反射阀测定法频闪融合阀值测定法心率和心率变异性呼吸脑电波体温皮肤电压力荷尔蒙5.疲劳的测定方法2025/11/7

日本产业卫生学会疲劳研究会提供的疲劳自觉症状调查表，认为疲劳是由精神因子，身体因子和感觉因子构成的，在这三个因子中，每个列出10项调查内容，后进行分析，借以评价作业内容、作业条件对员工的影响。注：上述多数疲劳自觉症状都是在较为繁重劳动中才会出现的。心理疲劳：疲劳自觉症状调查表2025/11/724-HourHeartRatePatterns2025/11/7动态作业血压变化2025/11/7不同意识水平对于的脑波形图2025/11/7

主要是测定与疲劳程度有关的刚结束作业的脉搏数、脉搏积及回复到安静时脉搏数所用的时间。脉搏积=脉搏数×（最高最低血压差）÷100脉搏数的测定2025/11/7

其他

唾液血液压力

[1]尿液困难[2]头发/指甲长期压力[3]唾液容易无压力可靠

荷尔蒙指标的来源

（荷尔蒙：皮质醇(cortisol)、脱氢表雄酮(Dehydroepiandrosterone,DHEA)和免疫球蛋白（ImmunoglobulinA,IgA)等）2025/11/7CortisolandDHEA觉醒反应2025/11/7

频闪融合阀值测定法利用视觉对光源闪变频率的辨别程度来判断机体疲劳的方法。融合现象：

光源闪变频率提高到使人眼对光源闪变感觉消失时。频闪融合阈值

劳动类型日间变化率（％）周间变化率（％）理想界限允许界限理想界限允许界限体力劳动体力、脑力结合的劳动脑力劳动～10～7～6～20～16～10～3～3～3～13～13～132025/11/7

膝腱反射机能检查法膝腱反射：坐位，两小腿自然悬垂或足着地；或仰卧，膝稍屈，以手托腘窝，叩击髌骨下缘股四头肌肌腱，引起小腿伸直。测试：用医用小硬橡胶锤，按规定的冲击力敲击被试者的膝部，根据小腿弹起的角度大小评价疲劳程度。结论：一般认为，作业前后反射角变化在5°-10°时为轻度疲劳；反射角变化在10°-15°为中度疲劳；反射角变化在15°-30°为重度疲劳。2025/11/71.头戴式虚拟仿真系统2.人机环境测试云平台3.视觉交互系统5.脑机交互系统6.生理记录系统4.可穿戴眼动追踪2025/11/7驾驶疲劳检测技术的应用案例2025/11/76.疲劳的影响因素人:年龄、健康状况、生理周期、性格和智力、精神面貌和工作动机

2025/11/7

机：设计不良，操作不方便

2025/11/7照度与作业疲劳案例环境：光照、气候、温湿度、作业空间2025/11/7

不同休息对工效的影响案例管理：劳动速度、强度和时间、作业的单调性2025/11/7疲劳恢复人机管理正确的作业姿势正常科学的作息时间合理的膳食脑体结合工作休息机械化和自动化程度环境改善工作环境如何预防作业疲劳疲劳呢？7.疲劳改善与消除2025/11/7表1

四班三轮制（a）：6（2）6（2）6（2）型日期

次数1

23

45

67

89

1011

1213

1415

1617

1819

2021

2223

24白班ABCDABCDABCD中班DABCDABCDABC夜班CDABCDABCDAB空班BCDABCDABCDA2025/11/7表2四班三轮制（