《安全人机工程学》课件全套 第1-10章 绪论 - 宏观人机系统设计

安全人机工程学第一章

绪

论1.了解人机工程学的起源与发展历程、主要应用领域及未来发展趋势；2.明确人机系统的功能与分类，理解安全人机工程学与相关学科的关系及其基本内涵；3.掌握人机系统与人机界面的基本含义，以及安全人机工程学的基本研究方法。学习目标1.1人机工程学的起源和发展（原始人机关系）旧石器新石器1.1人机工程学的起源和发展（经验人机关系）由简单到复杂由低级到高级由自发到自觉逐渐科学化1.1人机工程学的起源和发展（人机工程学）科学管理之父—泰勒“铁锹作业试验”吉尔伯斯“砌砖作业试验”莫索“人体劳动疲劳试验”1.1人机工程学的起源和发展（人机工程学）人的因素在设计中是不可忽视的一个重要条件先进的设备，仅有工程技术知识是不够的人机工程学应运而生当时的机工程学研究侧重于工作效率随着机器的改进，人与机器的关系越来越复杂1.1人机工程学的起源和发展（英国）英国人机学研究学会ErgonomicsResearchSociety1957年发行了会刊《Ergonomics》1.1人机工程学的起源和发展（德国、美国）麦考密克教授《人体工程学》1.1人机工程学的起源和发展（俄罗斯、日本）俄罗斯的人机学研究偏重于心理学，标准化工作发展很快1.1人机工程学的起源和发展（中国）1.1人机工程学的起源和发展工业化程度不高的国家往往是由人体测量、作业强度、疲劳因素等方面着手研究，随着这些问题的解决，才转到感官知觉，作业姿势，运动范围等方面的研究。进一步转向操纵器，显示器的研究与设计，人机系统控制等方面的研究。进入本学科的理论前沿领域，如人机关系，人体特性，人的心理包融，团体行为等方面的研究。1.2人机系统和人机界面1.2人机系统和人机界面（系统及其特性）1.2人机系统和人机界面（系统及其特性）1.2人机系统和人机界面（人机系统）EUV芯片光刻机“机”被定义为广义的，包括劳动工具、机器、设备、劳动手段、环境条件、原材料、工艺流程等所有与人相关的物质因素。1.2人机系统和人机界面（人机系统）1.2人机系统和人机界面（人机界面）人人机界面机

生理特性

心理特性

生物特性

物质性能

作业方式

安全条件1.2人机系统和人机界面（人机界面）人机界面（Human-MachineInterface，HMI）：指的是人和机在信息交换和功能上接触或互相影响的领域，也可以称之为“界面”1.2人机系统和人机界面（人机界面）习近平总书记在2021年5月28日召开的两院院士、科协代表大会上特别强调：“科技创新速度显著加快，以信息技术、人工智能为代表的新兴科技快速发展，大大拓展了时间、空间和人们认知范围，人类正在进入一个‘人机物’三元融合的万物智能互联时代。”1.2人机系统和人机界面（人机界面）1.2人机系统和人机界面（自然用户界面）自然用户界面（NaturalUserInterface，NUI）是以用户为中心，致力于实现更加直观和自然的交互方式，使用户能够通过语言、文字、触摸、手势、面部表情和语音等自然交流手段与计算机互动。1.2人机系统和人机界面（HMI发展趋势）1.3安全人机工程学与展望1.3安全人机工程学与展望（定义）从安全的角度和着眼点出发，运用人机工程学的原理和方法去解决系统中，人机结合面的安全问题的一门新兴科学，主要阐述人与机保持什么样的关系，怎样才能保证人的安全。1.3安全人机工程学与展望（与其它学科的关系）安全人机工程学是从安全的角度和以人机工程学中的安全为着眼点侧重于人体的安全卫生，立足于人机结合面上，在最大限度保障人的安全健康与舒适愉快的前提下，保证工作效率；用户可以在投影仪或者计算机上进行演示标题文字添加安全人机工程学工效人机工程学工效人机工程学是从工作效率的角度和着眼点侧重于用人保证机的作用，立足于设备的效应，在最大限度地发挥设备效应以提高工作效率的前提下，保证活动者必要的安全卫生条件和活动环境。1.3安全人机工程学与展望（与其它学科的关系）人体测量学对人体静态和动态尺寸的测量，为人机系统的设备设计和工作空间布置提供科学依据，是安全人机系统设计的科学依据之一；用户可以在投影仪或者计算机上进行演示标题文字添加人体生物力学是侧重研究人体生物系统运动规律的学科，包括人体各部分的力量、活动范围和速度，人体组织对不同力量的阻力，人体各部分的重量、重心变化以及做动作时的惯性等问题。1.3安全人机工程学与展望（与其它学科的关系）安全人机工程学是在综合各门学科知识的基础上全面考虑“人的因素”，从而对人机系统的安全设计、使用、监督、分析、评定和提供全面的宜人依据；用户可以在投影仪或者计算机上进行演示标题文字添加安全心理学研究对象是人机系统中人的这一精神作用环节，重点研究人在活动过程中的生理心理和社会心理活动，研究由此引起人在信息的接受、储存、加工、传递、处理等方面对实现安全的影响，以及在此基础上的决策和执行决定等问题。1.3安全人机工程学与展望（与其它学科的关系）安全管理工程学安全设备工程学安全系统工程学安全人机工程学双向箭头表示：二者之间存在着相互交叉、渗透、影响、制约和互补的关系安全工程学1.3安全人机工程学与展望（与其它学科的关系）用户可以在投影仪或者计算机上进行演示标题文字添加人体的安全阈值（不致伤害的高低限度和环境要求）人体的允许范围（不影响工作的效率）即各种承受能力人体的舒适范围（最佳状态）各种安全防护设施必须适合于人使用的各种要求等安全工程学1.3安全人机工程学与展望（研究内容）人机工程学的研究内容人机结合面安全标准依据安全人机工程的学科体系人机系统的安全设计1.3安全人机工程学与展望（研究目的）目的：更好地在人机之间合理地分配功能，使人和机有机结合，有效地发挥人的作用，最大限度地为人提供安全卫生和舒适，达到保障人的健康、舒适、愉快地活动，同时带来活动效率的提高。1.3安全人机工程学与展望（研究方法）研究客观性原则持严谨认真、实事求是的科学态度，根据客观事物的本来面目去反映其固有的本质和规律性；要根据科研或实际需要，并遵循客观条件选择合适的研究课题；要全面、客观、真实地反应研究对象和主客观实际情况；要从现实出发，做出符合实际的结论。1.3安全人机工程学与展望（研究方法）研究原则系统性将研究对象放置在一个系统中进行认知和研究。人、机、人机结合面之间并不是简单的要素迭加关系，而是存在着相互制约、影响和渗透的有机联系。对人机系统的研究，需要从整体出发，分析各个子系统的性能及其相互关系，同时考虑社会性因素对系统中各要素及其相互关系的制约。1.3安全人机工程学与展望（研究方法）人体尺寸实测法：通过借助机械设备对人体进行尺寸和特征的实际测量，以此为基础进行安全工程设计和操作空间布局。心理实测法：以心理学中的个体差异理论为基础，通过心理测验来分析个体的心理素质。心里压力测试A圆圈是静止或略微动B它移动得很慢C它不停地移动1.3安全人机工程学与展望（研究方法）实验法：一般在实验室内在人为控制条件下进行，以引起研究对象相应变化来作出因果推论和变化预测的一种方法。按钮开关按压力色彩环境的影响1.3安全人机工程学与展望（研究方法）分析法：一般在实测法和实验法的基础上进行，记录后进行分析研究，以便排除其中的无效或危险动作，减少人的重心移动，纠正不良姿势，从而有效地减轻人的劳动强度，提高劳动生产率和确保劳动者的安全健康。1.3安全人机工程学与展望（研究方法）间歇操作分析知觉与运动信息分析连续操作的负荷分析频率分析设备相互关联性分析1.3安全人机工程学与展望（研究方法）简单的访问专门的调查1.3安全人机工程学与展望（研究方法）ProcessSimulate人因工程仿真3DSSPP人因工程静态力预测软件1.3安全人机工程学与展望（研究方法）车辆碰撞的人机系统模拟与模型定制椅子的人机系统模拟与模型1.3安全人机工程学与展望（研究方法）感觉评价法：感觉评价法是运用人体主观感受对系统的性质、质量、特征等进行判断和评价的一种方法。通常可分为对产品或系统的特定性质与质量进行评价，以及对整体系统进行综合评价。测量皮肤感觉的触觉传感器1.3安全人机工程学与展望（展望）虚拟现实和增强现实技术应用智能穿戴设备的普及自然语言处理和语音识别技术智能感知技术智能算法和机器学习的应用人机协作的深度融合1.3安全人机工程学与展望（展望）增强现实(AR)是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术。虚拟现实(VR)是一种通过计算机技术生成三维环境，让用户感觉仿佛身临其境的技术。1.3安全人机工程学与展望（展望）一、自然语言处理和语音识别技术自然语言处理(NLP)：将计算语言学与统计和机器学习模型相结合，使计算机和数字设备能够识别、理解和生成文本和语音。1.3安全人机工程学与展望（展望）机器学习：人工智能的一部分，属于计算科学领域，专门分析和解释数据的模式及结构，以实现无需人工交互即可完成学习、推理和决策等行为的目的。智能算法：指在工程实践中，经常会接触到一些比较新颖的算法或理论，比如模拟退火，神经网络等1.3安全人机工程学与展望（展望）智能环境感知智能生物识别1.3安全人机工程学与展望（展望）智能辅助应急救援决策临床医学智能辅助决策1.3安全人机工程学与展望（展望）智能化人机界面智能化的语音助手AI视频监控系统1.3安全人机工程学与展望（展望）智能化高铁故障诊断和维护智能化汽车故障诊断和维护安全人机工程学第二章人体学人体尺寸·操作力·脊柱力学·姿势稳定性第二章人体学以“机适人”为核心，支撑安全、健康、舒适的设计学习目标与课时安排•掌握人体测量的方法、条件、基准面、工具和统计方法。•能够将人体测量数据应用于产品、工具和作业空间设计。•理解人体操作力的类型、测量方法及不同姿势下的差异。•理解脊柱结构、重力线、椎间盘移位与姿势稳定性的基本概念。•建议课时：人体尺寸约2学时；操作力约1学时；脊柱力学与姿势稳定性约1学时。03本章内容框架•人体尺寸：人体测量、统计函数、中国成年人人体尺寸。•人体测量数据应用：设计分类、百分位选择、功能与心理修正。•人体操作力：握力、推拉力、脚部力量及控制装置设计。•脊柱人体力学：肌骨系统、脊柱曲度、重力线与搬运受力。•姿势稳定性：静态、动态、瞬态稳定性及影响因素。04本章导入：为什么要研究人体学•安全人机工程学关注人员安全、健康、舒适与工作效率。•人群之间存在尺寸、力量、姿势控制能力等差异。•产品或工具设计应充分考虑目标人群特征，实现“机适人”。•忽视人体差异会导致操作困难、疲劳、误操作和肌骨损伤风险。052.1人体尺寸：人体测量学•人体测量学通过测量人体各部位尺寸，研究个体和群体之间的形态差异。•人体测量数据是工业设计、工程设计、作业空间设计的重要依据。•标准化测量可支持不同区域、不同群体之间的人体数据比较。•设计目标不是寻找“平均人”，而是使目标人群在合理范围内都能安全使用。06人体测量条件•衣着：尽可能少着装，免冠赤足，避免衣物影响尺寸。•支撑面：站立面、平台或坐面应平坦、水平且不变形。•身体对称：双侧可测项目宜双侧测量；单侧测量通常取右侧。•身体姿势：立姿目视前方、足跟并拢；坐姿躯干挺直、双腿水平平行。07测量基准面与基准轴•人体测量基准面由铅垂轴、纵轴、横轴三个互相垂直的轴确定。•矢状面：将人体分成左右部分，正中矢状面将人体左右对称分开。•冠状面：将人体分成前后部分。•水平面：将人体分成上下部分，是高度、深度和宽度测量的重要参照。人体基准面和基准轴08测量工具：接触式与非接触式•接触式工具：人体测高仪、直脚规、弯脚规、软尺、测量块、握棒、体重计。•测高仪用于身高、坐高、坐姿眼高等垂直距离测量。•直脚规和弯脚规用于宽度、厚度及参照点间距离测量。•非接触式工具：三维人体扫描系统，可快速获取人体表面轮廓。09标记点•标记点是人体测量时用于定位测量工具的点。•常见标记点包括肩峰点、颈椎点、会阴点等。•测量前在受试者身上标识关键点，可减少测量误差。•实际测量时应根据测量项目选择合适标记点。颈椎点示意10测量类型：静态尺寸与动态尺寸•静态人体尺寸：被测者静止站立或坐着测量，常用于家具、界面、空间和设施设计。•动态人体尺寸：在动作状态下测量，关注活动空间、伸展区域和关节活动角度。•静态尺寸回答“人有多大”，动态尺寸回答“人能活动到哪里”。•安全设计应同时考虑身体尺寸和活动边界。肢体活动范围11关节活动范围与舒适调节范围•关节最大活动范围并不等于舒适操作范围。•设计应优先使操作处于舒适调节范围内，避免长期接近极限姿势。•头颈、躯干、上肢、下肢活动范围决定视线、可达性和操作姿态。•年龄、服装厚度、疲劳状态都会影响实际活动范围。人体各部位活动范围12人体测量统计：平均值与标准差•群体人体尺寸是离散的随机变量，通常接近正态分布。•平均值反映测量数据的集中趋势。•标准差反映个体差异和数据离散程度。•标准差越大，说明人群尺寸差异越明显，设计适配难度越高。13百分位数：安全人机设计的关键指标•百分位数是人体尺寸等级的常用表示方法。•P5代表小尺寸人群，P50代表中等尺寸人群，P95代表大尺寸人群。•高安全要求设计可采用P1/P99，提高覆盖范围。•选用百分位取决于设计目标：净空、可及、间距、调节范围等。14人体尺寸百分位计算•已知均值X̄和标准差SD，可按正态分布估算任意百分位尺寸。•常用公式：Xa=X̄±K×SD。•当百分位小于50%时取“-”；大于50%时取“+”。•常用K值：P5/P95为1.645；P10/P90为1.282；P25/P75为0.674。15习题思路•明确目标人群、均值、标准差和适用度。•若要求覆盖90%人群，通常取P5～P95作为设计范围。•计算下限：P5=X̄-1.645×SD；计算上限：P95=X̄+1.645×SD。•设计结论应转化为实际产品尺寸范围，并结合功能修正量。16GB/T10000-2023：中国成年人人体尺寸•标准适用于消费用品、交通、服装、家居、建筑、劳动防护和工作空间设计。•提供52项静态人体尺寸和16项人体功能尺寸统计值。•按年龄段和性别给出不同人体尺寸/功能尺寸。•同时给出六个自然区域成年男性、女性身高、体重、胸围数据。17静态人体尺寸：立姿、坐姿、头手足•立姿尺寸：身高、眼高、肩高、肘高、会阴高、肩宽、臀宽等。18立姿测量项目静态人体尺寸：立姿、坐姿、头手足•坐姿尺寸：坐高、坐姿眼高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、臀膝距等。•头面部、手部、足部尺寸用于头盔、手柄、鞋靴和防护用品设计。•静态尺寸常用于确定设施高度、宽度、深度和净空。坐姿测量项目18手部测量项目不同部位尺寸与设计场景•立姿眼高：窗口、展台、屏风、监视观察位置。•立姿肘高：站姿工作台、机床操作台、厨房操作台。•坐姿眼高：屏幕高度、阶梯教室视线、驾驶视野。•坐姿肘高、小腿加足高、坐深：桌椅、座椅、扶手和腿部空间。19区域差异•我国地域广阔，不同地区、民族、性别、年龄群体的人体尺寸存在差异。•GB/T10000-2023将成年人尺寸数据划分为六个自然区域。•区域差异会影响身高、体重、胸围等关键指标。•服务特定区域时，应优先选用目标区域的人体数据。20人体功能尺寸：工作空间设计依据•功能尺寸主要用于工作空间设计，关注人在动作中的可达范围。•包括上肢前伸长、功能前伸长、两臂展开宽、双臂功能上举高等。•跪姿、俯卧姿、爬姿等特殊姿势可通过身高和体重推算。•功能尺寸比静态尺寸更能反映实际操作边界。工作空间设计用人体功能尺寸21人体测量数据应用：三类产品尺寸设计•I型设计：需要上下两个限值，又称双限值设计。•Ⅱ型设计：只需要上限或下限，又称单限值设计。•Ⅲ型设计：采用P50作为设计依据，又称平均尺寸设计。•选择哪一类设计，取决于产品是否可调、是否涉及安全和适用目标。22I型产品尺寸设计：可调性与双限值•适用于需要确定尺寸上限和下限的产品。•涉及健康和安全时可取P1～P99；一般工业产品可取P5～P95。•典型案例：汽车驾驶座椅高低调节、前后调节范围。•设计要点：让小尺寸人群够得到，让大尺寸人群放得下。23ⅡA型设计：以上限值保证大尺寸人群•ⅡA型只需一个上限值，又称大尺寸设计。•典型对象：门高、床长、通道净空、防护安全距离。•安全相关产品常选P95或P99作为上限依据。•设计逻辑：满足高身材或大可达距离人群，其他人通常也能使用。24ⅡB型设计：以下限值保证小尺寸人群•ⅡB型只需一个下限值，又称小尺寸设计。•典型对象：伸手可及距离、操作件可达性、座面高度等。•安全相关设计可选P1或P5作为下限依据。•设计逻辑：小尺寸人群能用，大尺寸人群通常也能满足。25Ⅲ型设计：平均尺寸与适用边界•Ⅲ型设计采用P50作为尺寸依据。•适用于只设置一个固定高度且安全风险较低的场合。•典型案例：一般门把手、锁孔、墙壁开关高度。•注意：平均尺寸设计不适合可达性、净空和安全性要求高的产品。26人体数据应用原则•最大最小准则：用上限或下限保证关键人群。•可调性准则：通过调节范围覆盖更多人群。•平均性准则：低风险、固定尺寸设计可采用P50。•使用最新数据与地域性准则：考虑年代变化和目标区域差异。•姿势与身材相关联：坐姿、蹲姿、卧姿设计不能照搬立姿尺寸。27功能修正量与心理修正量•功能修正量用于保证穿衣穿鞋、操作动作和姿势变化后的最小可用尺寸。•心理修正量用于减少空间压抑感、高度恐惧感或满足心理舒适需求。•最佳功能尺寸=人体尺寸百分位+功能修正量+心理修正量。28常见设计问题的百分位选择•间距类设计：一般取较高百分位，常用P95。•净空高度类设计：常取P99，尽量适应更多人。•可及距离类设计：应取低百分位，保证小尺寸人群可达。•座面高度类设计：一般取低百分位，避免大腿受压。•隔断类设计：保密取高百分位，监视取低百分位。292.2人体操作力：设计为什么要考虑力量•在人机界面上，操作者常通过手或脚进行控制与操作。•施力位置、方向、姿势和工具结构都会改变可用操作力。•操作力过大将造成疲劳、疼痛和操作失败；过小则可能误触或反馈不足。•控制装置设计必须考虑不同人群力量限度和实际作业姿势。手部力量测量方式30手部操作力：握力•握力反映手部总体用力能力，是手部力量评价的重要指标。•握力受年龄、性别、惯用手、姿势、手柄间距等因素影响。•手套会改变手与手柄接触状态，可能降低有效握力。•用于手柄、工具、把手、夹持器等设计时，应避免长期接近最大握力。31立姿推拉力•立姿推拉力随施力方向和角度变化明显。•最大拉力常出现在肩下方方向，最大推力常出现在肩上方方向。•姿势、性别、施力方向和施力高度都会影响推拉力。•设计推拉作业时，应使施力方向与人体优势发力方向一致。立姿推拉力测量32坐姿、卧姿与其他手部力量•坐姿推拉力通常受手臂角度、躯干支撑和座椅条件影响。•一般右手力量大于左手，向内力常大于向外力。•受限空间中可能出现卧姿施力，力量和动作范围均受限制。•物料搬运中推、拉通常比搬、抬更灵活，负荷相对较小。不同姿势下的施力状态33脚部力量与踏板设计•脚部操作常见于汽车离合器、制动踏板和工业设备脚踏开关。•脚产生的力与下肢位置、膝关节角度、姿势方向和靠背支撑有关。•一般下肢伸直比弯曲时脚力更大；有靠背支撑时脚可产生更大力。•踏板设计应兼顾可达性、用力范围、反馈清晰和误踩防护。脚蹬力与踏板操作34操作力设计要点•操作件位置应处于舒适可达范围，避免过远、过高或过低。•常用操作不宜要求接近最大力，需留有安全和疲劳余量。•高频操作应优先采用小力量、短行程、明确反馈的设计。•关键安全操作要防止误触，同时保证力量较弱人群能够完成。352.3姿势的脊柱人体力学：肌骨系统•运动系统由骨骼、关节和肌肉组成。•骨骼是运动杠杆，关节是运动枢纽，肌肉是运动动力。•肌肉收缩和舒张牵动骨骼绕关节运动，形成操作姿势和动作。•人体动作分析应同时关注力量、关节角度和姿势持续时间。肌肉结构示意36人体骨杠杆与动作分析•人体骨杠杆原理与机械杠杆类似。•关节是支点，肌肉是动力源，外部负荷或身体自重是阻力。•人体杠杆可能是平衡杠杆、省力杠杆或速度杠杆。•同一外部负荷在不同姿势下会产生不同关节力矩。人体骨杠杆示意37脊柱结构与正常曲度•脊柱由颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎组成。•颈椎和腰椎通常呈前凸，胸椎和骶尾部呈后凸。•正常曲度保证脊柱稳定性和弹性，比笔直脊柱更能承受压力。•疾病、外伤、韧带松弛和不良姿势都可能改变脊柱曲度。脊柱正常曲度38重力线与不良姿势•理想站姿下，重力线经过脊柱弯曲凹面及关键关节点附近。•此时肌肉活动较少，结缔组织压力较小，站立更轻松。•头前伸、圆肩、后倾、过度前凸等不良姿势会降低脊柱稳定性。•长期不良姿势会导致代偿动作和局部肌肉、关节负担增加。理想姿势与不良姿势39椎间盘移位与姿势压力•椎间盘由纤维环和髓核组成，脊柱运动会引起髓核少量移位。•腰椎伸展时髓核趋向前移，屈曲时髓核趋向后移。•长期懒散坐姿或过度屈曲搬运会增加椎间盘突出风险。•不同姿势下椎间盘压力不同，站、坐、弯腰和负重差异明显。不同姿势下椎间盘压力40搬运作业的腰骶部受力•下背痛常发生于L4/L5或L5/S1区域。•搬运时，背部可近似看作支撑上半身和重物的杠杆系统。•重物离身体越远，h越大，腰背肌肉力矩和椎间盘压力越大。•重物重量、躯干前屈、扭转角度、移动距离和物体形状都会影响受力。搬运作业腰部生物力学模型41搬运与工作站改善•尽量让重物靠近身体，减少水平距离和力矩。•采用直腰屈膝、利用下肢发力，避免弯腰直膝提起重物。•减少单次重量和重复次数，必要时使用推车、升降台或辅助工具。•工作台高度应减少颈背部持续屈曲和身体不对称受力。提举姿势与腰部风险422.4姿势稳定性：静态稳定性•静态姿势稳定性是在牢固支撑面上保持平稳的能力。•站姿稳定性依赖视觉、前庭、触觉和本体感觉的综合调节。•静态站立可用“倒钟摆模型”描述，人体围绕踝关节轻微摆动。•质心、重心和压力中心的相对位置决定身体是否保持平衡。人体静态站立倒钟摆模型43动态姿势稳定性•动态稳定性是运动过程中保持或恢复平衡的能力。•常见评价方法包括多级单腿跳稳定性测试、稳定时间测试、动态姿势稳定性指数。•“米”字平衡测试和“Y”字平衡测试可评价不同方向的动态控制能力。•动态稳定性常用于运动、康复、楼梯行走和防跌倒研究。动态平衡测试示例44瞬态稳定性与影响因素•瞬态稳定性指短时间、高难度或受扰动情境下维持平衡的能力。•典型情境：斜面站立、突然滑倒、车辆急刹、被外力扰动。•年龄增加、肥胖、疲劳、地面条件差会降低姿势稳定性。•认知任务或动作任务叠加会增加下楼梯等场景中的跌倒风险。45本章小结与课堂思考•人体尺寸用于解决“空间是否合适”和“操作是否可达”。•人体操作力用于解决“能否完成操作”和“是否容易疲劳”。•脊柱人体力学用于解释不良姿势和搬运作业的损伤风险。•姿势稳定性用于评价站立、行走、跳跃和扰动情境下的跌倒风险。•思考：宿舍、卧铺、公交车、自动取款机分别涉及哪些人体学参数？46安全人机工程学第三章人的生理特性及作业能力1.掌握人的感觉和知觉特性，理解人的反应与不同感觉通道的关系。2.理解压力的形成过程，掌握压力的评估与应对方法；掌握疲劳的分类与产生机理，了解疲劳的测定方法。3.掌握作业时人体肌能调节与适应过程。4.理解影响作业能力的影响因素及动态变化规律，掌握提高工作能力的主要措施。学习目标101本章主要内容结构3.1人的生理特性3.2压力与疲劳3.3肌肉关节与骨骼3.4心血管系统、呼吸系统3.5作业能力3.6作业能力的影响因素3.7提高工作能力的主要措施1023.1人的生理特性104人体九大系统人体是由各种器官组成的有机整体，各种器官发挥各自功能。机体在生存过程中表现出的功能活动，称之为生命现象。01.运动系统02.消化系统03.呼吸系统04.泌尿系统05.生殖系统06.循环系统07.内分泌系统08.感觉系统09.神经系统全身各器官、系统都是在神经系统的统一控制和调节下，互相影响、互相协调，保证机体的整体统一及其与外界环境的相对平衡。105神经系统的组成01.中枢神经核心架构作为人体最高级的“决策和指令中心”，主要由脑和脊髓两部分紧密协作组成，主导全身复杂的生命活动调节与高级思维处理。02.周围神经信息传导网络由12对脑神经和31对脊神经共同构成庞大的通讯网络，专职负责在中枢神经与身体各器官组织间高效传递上行感觉与下行运动信息。人体神经系统分级结构与组成概览图解人体神经系统分为两个部分。一部分是中枢神经，它由脑和脊髓组成；另一部分是周围神经。106人机系统图信息全渠道感知接收操作者通过视觉、听觉等感觉器官，全方位捕捉机器界面显示的实时运行状态与环境反馈信息。神经中枢综合研判处理大脑神经系统对获取的多维数据进行快速分析、判断与决策，将外部信息转化为具体的操作意图指令。闭环动作输出与动态调节通过手脚等运动器官操作控制部件干预机器运行，机器状态随之更新并再次反馈给人，形成持续优化的良性闭环。人机系统交互闭环全流程解析人-机-环境信息交互全链路循环模型架构示意107感觉与知觉的定义感觉人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映，是一切知识源泉，是人们认识世界获得信息的门户，也是各种复杂的高级心理过程的基础。

典型示例：看到颜色、听到声音、嗅到气味、尝到味道、触之软硬等。知觉人脑对直接作用于感觉器官的客观事物整体属性的反映，它赋予感觉以意义和组织。典型示例：将红、圆、甜等属性整合，从而认出这是一个可食用的苹果。二者内在关联逻辑感觉与知觉是紧密联系、不可分割的心理过程，共同构成了我们对世界的初级认知图景。

核心总结：感觉是知觉的基础，知觉是感觉的综合108感觉器官与适宜刺激感觉种类感觉器官适宜刺激识别特征作用视觉眼光形状、大小、位置、远近、色彩、明暗、运动方向等鉴别听觉耳声声音的高低、强弱、方向和远近报警、联络嗅觉鼻挥发和飞散的物质辣气、香气、臭气报警、鉴别味觉舌被唾液溶解的物质甜酸、苦辣、咸等鉴别皮肤感觉皮肤及皮下组织物理或化学物质对皮肤的作用触觉、痛觉、温度觉、压觉报警深部感觉机体神经及关节物质对机体的作用撞击、重力、姿势等

平衡感觉前庭器官运动和位置变化旋转运动、直线运动和摆动等调整感受器是指分布在体表或各种组织内部的能够感受机体内外变化的一种组织或器官。感觉器官是机体内的感受器，如视觉器官、听觉器官、前庭器官等。传统上把与眼、耳、鼻、舌、肤、平衡有关的器官称为感觉器官。机体生活在不断变化的外部的条件中，受到各种外界因素的作用，其中能被肌体感受的外界变化叫做刺激。每种感受器官都有其对刺激的最敏感的能量形式，这种刺激称为该感受器的适宜刺激。人体主要感觉器官的适宜刺激及感觉反应表109感觉阈感觉感觉阈下限上限视觉（2.2~5.7）×10-17J（2.2~5.7）×10-8J听觉1×10-12J/m21×102J/m2嗅觉2×10-7kg/m3

味觉4×10-7（硫酸试剂摩尔浓度）

触觉2.6×10-5J

温度觉6.28×10-9kg·J/（m2·s）9.13×10-6kg·J/（m2·s）振动觉振幅2.5×10-4mm

能引起感觉的一次刺激必须达到一定强度，能被感觉器官感受的刺激强度范围称为感觉阈。刚能引起感觉的最小刺激量称为感觉阈下限，能产生正常感觉的最大刺激量，称为感觉阈上限。刺激强度不能超过刺激阈上限，否则，感觉器官将受到损伤。感觉阈下限(绝对阈值)当外界刺激强度低于这一临界值时，无论刺激持续多久，神经系统都无法产生有效的感知响应，这是人机交互设计中“有效信息触达”的基准红线。感觉阈上限(耐受极限边界)一旦超过此上限，感官不仅会出现敏锐度下降、信号失真等保护性抑制反应，更可能对听觉、视觉等感官生理结构造成不可逆的功能性损伤。人体主要感觉阈值110感觉的特性感觉适应性对感觉器官持续刺激，假若刺激强度固定，则作用时间的长短将决定该刺激是否能引起反应，时间过短不能引起反应；时间过长，反应会逐渐减小，以致消失。典型现象洞察：古语云“入芝兰之室，久而不闻其香”，正是嗅觉适应性的生动写照。感觉的相互作用在一定条件下感觉器官对其适宜刺激的感受能力受到其他刺激干扰而降低，这一特性称为感觉的相互作用。如同时输入两个视觉信息，人们往往只倾向于注意其中一种而忽视另一种。现实场景实证：在嘈杂的高分贝噪音环境下，人类视觉的聚焦敏锐度会明显下降，阅读和辨识速度变慢。111知觉的四个特性整体性：把知觉对象的各种属性、各个部分认识看成一个具有一定结构的有机整体。理解性：根据已有的知识经验去理解当前的感知对象。选择性：人们总是按照某种需要或目的，主动、有意识地选择其中少数事物作为认识对象。影响知觉选择性的因素主要有对象和背景的差别、运动的对象和人的主观因素。恒常性：当知觉的条件在一定范围内改变时，知觉对象仍然保持相对不变。包括大小、形状、明度、颜色恒常性。知觉的整体性知觉的理解性知觉的选择性知觉的恒常性112反应时间

113影响反应时间的因素01.感觉通道听觉0.115~0.182s，触觉0.117~0.201s，视觉0.188~0.206s，味觉（苦）最慢1.082s。02.运动器官手直线握取70ms，克服阻力旋转720ms；脚克服阻力运动720ms，躯干弯曲720~1620ms。03.刺激性质光176ms，声音142ms，电击143ms，光、声、电击三者同时127ms最快。04.执行器官右手147ms，左手144ms；右脚174ms，左脚179ms。05.刺激数目1个刺激187ms，4个刺激434ms，7个刺激570ms，10个刺激622ms。06.颜色配合两种颜色对比越强烈，反应时间越短。白与黑对比最快197ms，红与橙最慢246ms。07.年龄年龄增加，反应时间增加，正常情况下，25~45岁之间，反应时间较短。08.训练经过训练，反应时间可缩短10%。例如羽毛球运动员，经过4周训练，前场反应时间从2.665s降至2.374s。3.2压力与疲劳115压力的定义科学定义：压力研究先驱HansSelye认为压力，是身体对于施加于其上、需要其适应的一切要求的非特异性反应，无论这一要求产生的是喜悦还是痛苦。辩证属性：压力并非全然负面，它具有显著的两面性特征。能激发潜能、促进成长的被称为积极压力；而当需求超出承载能力，导致身心耗竭的则为消极压力。关键在于压力的强度与个体的调控能力。GAS动态演进三阶段模型：长期压力会引发系统性的生理变化，遵循全身适应综合征(GAS)的轨迹发展：

1.警告期：身体迅速动员资源应对威胁。

2.抵抗期：持续适应，试图恢复稳态。

3.衰竭期：资源耗尽，身心疾病风险显著上升。在警告期，机体出现交感神经兴奋为主的改变（血糖、血压升高，心跳加快）；若压力源持续存在，进入抵抗期，机体抵抗力高于正常水平；若压力持续存在，进入衰竭期，适应性资源耗尽，导致抵抗力下降、衰竭、死亡。116压力源分类生物生态层面有许多生物和生态层面的因素可能引发不同程度的压力反应，一些因素甚至不为我们所觉知，比如阳光、重力、电磁场、时差症、环境污染、噪声等会影响到我们的生物节律。已知这些因素会影响到三类生物节律：1）昼夜节律；2）次昼夜节律；3）超昼夜节律。精神心理层面来自于我们心理上对刺激的知觉。人们对于自我的思想、信念、态度、观点、知觉以及价值观会有本能的防御。一旦以上这些受到挑战、违背，甚至改变，自我就会感觉受到威胁，继而产生压力反应。用压力研究专家KennethPelletier的话来说，就是“知觉到的自我与理想中的自我形象之间的分歧”社会层面社会层面的影响早就被当作是个体困境的来源之一被广泛研究，其中最突出的是过度拥挤和城市的无限扩张。人类面对拥挤的城市、交通堵塞、收银台前长长的队伍以及其他个人空间受到侵略的情况时，同样表现出挫败。社会层面因素带来的压力还包括金融风险、搬家、科技进步、违反人权的行为、社会经济地位低下等。117压力的种类（按产生时间）是由于对未来的忧虑所引起的。例如对潜在失业风险的担忧、长期还贷的经济焦虑，或是对职业发展瓶颈的迷茫，消耗当下的心理能量。是现在的压力，是一种立即的威胁、挑战或骚动，需要马上留意。典型如公众演讲前的心跳加速、突发危机事件的紧张感，身体迅速调动资源应对眼前的明确威胁。01.预期压力02.情境压力源自一些你无法控制、只能忍耐和接受的经验，或者是从你平常可能感觉不到的一些细微的事件沉积下来的。通常源于长期的工作超负荷、不良的人际关系或家庭矛盾，它像温水煮青蛙一样缓慢侵蚀身心健康，导致持续的疲惫感和情绪耗竭。03.慢性压力是过去的压力，表现为不能或不愿将过去的伤痛或不好的记忆抹去。即使时过境迁，过去的失败阴影、遗憾或心理创伤依然会在特定场景下被触发，引发挥之不去的负面情绪和自我怀疑。04.残留压力118压力的种类（按来源、强度、结果）按压力来源划分①工作压力。个体意识到自己在工作中需要承担很大的责任，却拥有很小的权利或根本没有权利去自由地做出相应的决策。②精神压力。精神压力是指机体对任何要求的非特异反应，亦指一定的环境作用带给人们的诸如优虑、焦灼、矛盾、烦恼等之类的心理感受。③科技压力。由无法以一种健康的方式适应新的计算机技术的无力感而导致的一种现代适应疾病。按强度划分①一般单一性压力。人们在生存和发展过程中无法回避的，如路上堵车，失眠等。但通过自身情绪的调节以及其他压力管理的办法能够应付的压力。②叠加性压力。分为同时性叠加压力和继时性叠加压力。是极为严重和难以应对的压力，它给人造成的危害很大。③破坏性压力。又称为极端压力。需要经过长时间的调养才能恢复甚至无法痊愈。按结果性质划分①正性压力。正性压力是能对人产生积极影响的压力。能够保持较好的状态，智力处于较高的水平。②中性压力。中性压力是一些不会引发后续效应的感官刺激，它的影响介于正性压力与负性压力之间。③负性压力。负性压力是对个人产生负性影响的压力。会使人降低工作效率与积极性，影响正常的工作与生活。119压力的评估专业心理学标准量表工具社会再适应量表(SRRS)通过追踪生活中的重大事件变化，量化评估个体所需的再适应努力程度。日常生活中小困扰量表聚焦于日常琐碎的烦恼和挫折，评估慢性、持续性的日常压力源积累效应。知觉压力量表(PSS)测量个体对生活情境的不可控感、不可预测感和超负荷感的主观心理体验。内在状态与行为的自我觉察测评基于日常行为与躯体信号的常识判断关注身体发出的求救信号，例如不明原因的持续易怒、情绪烦躁、注意力难以集中以及工作效率显著下降等典型表现，这些往往是压力过载的直接警示。基于纵向自我经验的人格变化回溯通过对比近期与过往的性格基线，敏锐捕捉个性层面的微妙转变。例如变得消极悲观、对原本热爱的事物失去兴趣，这种持续性的改变通常意味着长期的心理压力累积。120压力的形成过程（五个阶段）刺激存在：环境刺激（自然灾害、亲人死亡）或内心需求。感受到压力源：只有当个体感受到压力源存在时，那么这种潜在的刺激才会对个体起作用。认知评价：当个体认知到这种刺激与自身的价值观、需求和动机出现矛盾时，个体就会感觉压力的存在。压力大小取决于预期目标与自身能力的评价。产生紧张感：如果个体发现自身应对能力不足以承受刺激的要求，个体就会产生紧张感。行为反应：寻找压力源避免或减轻，或采取防卫措施；伴随情绪反应，严重时引起心理疾病和生理疾病（高血压、冠心病等）。121疲劳的定义与特点疲劳的定义：2017年，加拿大职业健康和安全中心对疲劳定义为：疲劳是由于睡眠不足、长时间的脑力或体力工作或长时间的压力或焦虑导致的，感觉非常疲惫、疲倦或困倦的状态。无聊或重复的任务会加剧疲劳感。疲劳的特点：疲劳可能是将身体的一部分过度使用之后发生的，但可能出现在整个身体上。疲劳不但使作业能力降低，同时也有作业意志减弱的趋向，这种现象主要是人体自动无意识限制和对休息的需要产生的。这种限制过度的作业以减少疲劳的发生，可以说具有防护身体安全的作用。人体疲劳后，具有恢复原状的能力，而不会留下损伤的痕迹。有一种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。122疲劳的分类按人体疲劳的部位分类①全身性疲劳。由于全身参与比较繁重的体力作业所造成的。②局部性疲劳。也叫个别器官疲劳。是在个别器官或肢体参与紧张作业的时候，身体相应的局部产生的疲劳感觉。③智力性疲劳。长时间地从事紧张思维活动所引起的。④技术性疲劳。是一种随着生产的发展而产生的脑力、体力和神经紧张所引起的疲劳。按作业方式分类①动态作业疲劳。这是由于体位变化多和身体器官在空间移动较多而导致的疲劳。这种疲劳的表现形式，依活动部位和作业方式不同而有所不同。②静态作业疲劳。在作业工程中，静态作业所占的比重与作业的姿势及熟练程度有关。这种疲劳主要表现为僵持的部位酸疼。按其它方法分类另外也可把疲劳分为生理疲劳和心理疲势。从疲劳的延续时间上看，又可把它分为急性疲劳和慢性疲劳。总之，疲劳现象是多种多样的，疲劳的分类也就各异，这主要取决于从哪一方面来研究疲劳问题更符合行业部门工作的需要。123疲劳产生的四种机理作业者短时间内从事大强度体力作业，消耗较多能量，能量代谢需要的氧供应不充分，产生无氧代谢，乳酸在肌肉和血液中储积，使人感到身体不适，即产生疲劳感。疲劳物质累积机理作业者从事轻或中等作业强度作业、由于时间较长，造成肝糖元耗竭，使人产生全身不适，即产生全身性疲劳。力源耗竭机理前苏联学者认为“强烈或单调的作业刺激引起大脑皮层细胞贮存的能源迅速消耗，这种消耗引起恢复过程的加强，当消耗占优势时，会出现保护性抑制”；美英学者认为“由于作业及其环境所引起的体内平衡紊乱”。中枢变化机理与生化变化机理静态作业时，肌肉收缩，肌肉变得坚硬，其内压增大，可达几十千帕，引起部分或全部血流阻断。能量代谢在缺氧或无氧状态下进行，血波中产生乳酸堆积，产生局部疲劳感。局部血流阻断机理124疲劳自觉症状调查身体症状精神症状感觉症状

（1）头晕

（1）头脑不清

（1）眼睛疲劳、恍惚

（2）头痛

（2）思想不集中不愿思考

（2）眼睛发滞、发干

（3）全身不适

（3）不爱说话

（3）动作笨拙、失误

（4）身体局部不适或痛

（4）焦躁

（4）脚下不稳、摇晃

（5）肩膀酸痛

（5）困倦

（5）味觉不灵

（6）呼吸困难

（6）精神涣散

（6）眩晕

（7）腿软

（7）对事冷漠

（7）眼皮及其他部位发抖

（8）口粘口干

（8）易忘事

（8）听觉迟钝、耳鸣

（9）打呵欠

（9）常出错

（9）手脚打颤

（10）出冷汗

（10）对事放心不下

（10）动作不准疲劳自觉症状调查测量疲劳的方法：测定心率、呼气分析法、触两点辨别阈法、膝腱反射阈测定、反应时间测定法、频闪融合阈值测定法、色名读唱时间法、皮肤电流测定法、疲劳测量量表法。频闪融合阈值（Cff）：Cff是与大脑皮层的活动水平密切相关的指标，也是测定人体疲劳程度的指标，人越疲劳，Cff值越低。125引起疲劳的原因和疲劳对作业的影响引起疲劳的原因疲劳对作业的影响导致疲劳的原因是很多的，大致可以归纳如下：（1）作业强度和能量消耗（2）作业速度和频繁程度（3）作业环境（4）操作不熟练和非正常作业姿势（5）作业组织和制度不合理（6）作业者自身因素（7）精神因素（8）生活条件生理疲劳表现为肌肉酸痛、肌肉活动失调、肌肉痉挛、姿态拙劣等。人在生理疲劳时，感觉机能弱化，视觉与听觉的敏锐度降低，可能发生错觉，疲劳使反应迟钝，动作准确性下降，随着疲劳的发展，注意也不稳定，注意范围变小，注意分配与转移发生困难。心理疲劳表现为无精打采、懒洋洋、心绪烦躁，注意力不集中，思维迟缓，懒于思考，思想紧张，情绪低落和行动吃力，还有浮躁、厌烦、忧虑、怠倦，感到工作无聊等现象。心理疲劳在一些危险性较高的行业或作业中，往往是导致安全事故的潜在因素。126疲劳的预防与消除科学管理作业全流程，从生理到心理多维度干预，有效阻断疲劳累积，维持高效生产力。注意劳逸结合，合理安排休息工间暂歇对大脑皮质细胞正常的兴奋与抑制，对肌肉细胞的消耗与补充，都有着良好的调节作用。严格执行工间暂歇制度，避免长时间连续作业，会使生产率提高5~10%。作业组织合理调配遵循人体生理节律波动规律进行作业调配，在高效时段安排高难度任务，平衡昼夜作业负荷。全面改善作业环境和卫生条件聚焦微环境治理，改善照明舒适度、消除背景噪声、做好振动防护并确保工作场所空气持续流通。优化工具体系与作业体位设计从人机工程学角度改进工具和操作台布局，强制轮换作业姿势，有效克服强迫性体位带来的肌肉劳损，防止特定感官或肢体器官过度紧张。重视作业者的心理因素避免单调乏味和精神压力，丰富工作内容以消解重复单调感，建立员工心理疏导机制，及时缓解工作中的精神压力与焦虑情绪，维护作业者良好的心理状态，从根源上减少心理疲劳。3.3肌肉关节与骨骼128肌肉组织与骨骼肌纤维肌肉组织分类三类骨骼肌纤维根据肌细胞的形态与分布的不同，可将肌肉组织分为三类：平滑肌、心肌与骨骼肌。平滑肌：分布于内脏和血管壁。心肌：分布于心脏。骨骼肌：一般通过腱附于骨骼上。人体运动主要与横纹肌有关，所以安全人机工程学所讨论的肌肉仅限于横纹肌（简称肌肉）。人体的横纹肌共有400块，其总重量约占人体体重的40%。将骨骼肌纤维分为白肌、红肌、慢肌（中间型肌）三大类。白肌收缩短暂、最多疲劳、有力、快；中间型肌较长持久、未见疲劳、维持肌紧张；红肌短暂、不易疲劳、辅助支持。129肌肉收缩类型等张收缩指肌肉在收缩过程中，肌肉纤维长度发生显著缩短或伸长，而肌肉张力基本保持不变的收缩形式。这种收缩形式是实现肢体大幅度运动的基础，常见于日常生活动作和抗阻训练中。典型场景示例：双手举起哑铃的过程。等长收缩指肌肉在收缩过程中，肌肉纤维长度保持不变，不产生明显的关节活动，但肌肉内部张力持续增加的收缩形式。这种收缩形式对于稳定关节、维持身体姿势具有至关重要的作用。典型场景示例：全力推一堵坚固的墙壁。人体在正常条件下进行复杂的体育活动或日常劳作时，通常不会产生单纯的等张收缩或等长收缩，而是既有张力改变又有长短改变的混合性收缩模式，以适应多变的运动需求。130肌肉的力量及影响因素身体的运动是内力和外力相互作用的结果。肌肉作功是通过肌肉兴奋时其长度和张力发生变化而完成的，肌力是以肌肉最大兴奋时所能负荷的重量来表示的。肌肉作最大收缩时所产生的最大张力，称为肌肉的绝对肌力，以肌肉最大收缩时所能举起的重量来表示。肌肉单位面积上的绝对肌力，叫做比肌力。即：肌力的大小受以下几个因素的影响：（1）肌肉的长度：肌肉受刺激收缩时的长度决定于收缩时所能产生的力量的大小。（2）肌肉收缩的速度：伸膝力量与速度之间成反比关系（3）肌肉的体积（4）神经肌肉的控制：骨骼肌中的特殊感受器如肌梭，它们对牵张发生反应，因而使肌肉力量增强。131肌肉的力学性质01.能量转化功能肌肉组织的核心使命是高效将体内化学能转变为宏观机械能，从而驱动肢体完成各类物理做功。02.复杂非线性特质其负荷量与伸长量呈现复杂的非线性关系，并不完全服从经典的虎克弹性定律，力学响应具有粘弹性特征。03.拉伸生物安全阈值研究表明，肌肉在承受最大拉力时长度约为静息状态的125%；若被动拉长至300%则会发生不可逆的肌纤维断裂。04.人体机械转化效能人体并非高效的热机系统，在最理想的运动状态下，整体肌肉群的能量机械转化效率通常仅维持在25%至30%的区间。▍力学特征实证曲线可视化分析参考肌肉挛缩张力—时间曲线肌肉长度变化时肌张力变化曲线132肌肉张力计算实例上肢持重杠杆力学效率测算重物重量W=100N（牛），臂二头肌距肩关节5cm，前臂和手的弯曲长度为28cm，臂和手的重心距关节13cm

，则二头肌的垂直分力M应按下式计算：所以人体上肢骨骼肌肉系统的力学特性：其杠杆结构与着力点设计本质上并非为了省力，而是为了获得更精细的动作控制和更广的活动范围。在日常作业设计中，应充分认识到这一局限，避免长时间单纯依靠手臂发力承重。躯干弯腰提举腰椎负荷深度解析在无辅助弯腰搬起300N重物的瞬间，第五腰椎承受的反作用力峰值可达3616N。根据脊柱伸直起立时肌肉的作用力T可列出下式：这相当于外部载荷的十余倍，极易造成累积性劳损。该计算强烈警示我们，人体内部肌肉为维持姿势稳定需要付出巨大的代偿力。因此，在搬运作业流程优化中，引入机械助力工具或改变作业姿态是减轻人体生理负担的关键干预手段。

133肌肉力量测定人体肌肉力量的科学测定是人机工程学设计的重要基石，其中具有代表性的指标包括背部肌力、伸脚力和屈腕力等关键维度。手的操纵力左右手力量存在显著的生理性差异：通常情况下，优势手的力量输出明显高于非优势手。测定数据显示，普通人右手平均握力约为275N，而左手平均握力约为244N。这一数据差异在工具手柄设计和操作界面布局中应予以充分考量，以适配不同操作手的施力习惯。脚的操纵力依托座椅反作用力的高效力量传递机制：在坐姿作业环境中，靠背提供的反作用力能显著增强下肢的蹬踏力量。实测数据表明，右脚最大作用力均值可达2567.6N，左脚亦可达到2361.8N。这揭示了在重型机械或车辆踏板设计中，脚部操作具备远超手部的功率输出优势。手的操纵力可分为握力、拉力、扭力等。脚的出力大小与下肢姿势、位置及方向有关。坐姿脚力可依座位的反作用力而得到加强。134关节与骨骼关节作为枢纽，用于连接两块或多块骨骼，允许骨骼之间相对运动，是人体运动功能的关键。骨骼作为杠杆，构成人体的基本框架。关节运动类型：屈曲、伸展、内收、外展、内旋、外旋。骨骼和关节共同为人体提供支撑，确保在各种作业姿势下都能保持稳定。3.4心血管系统与呼吸系统136心血管系统的组成心血管系统由心脏和血管构成，是一个封闭的管道系统。心脏是动力器官，血管是运输血液的管道。心脏（heart）：心血管系统的动力器官，并具有内分泌功能。血管：血管分为动脉、静脉和毛细血管三大部分。动脉（artery）：将血液运送出心脏的管道。管壁厚，弹性好，逐渐分支。静脉（vein）:引导血液向心脏流动的管道。管壁薄，弹性差，容量大，由小支逐渐汇合成大支。毛细血管（capillary）：连接动脉与静脉末梢之间的管道，彼此吻合成网，数量多，管壁薄，血液流动缓慢。心脏示意图137心率与作业强度的关系不同作业强度下心率的变化曲线心率是单位时间内心脏博动的次数。正常人安静时的心率为75次/min。作业开始后，头30~40s内迅速增加，以适应供氧的要求,以后缓慢上升。一般经4~5min达到与作业强度适应的稳定水平。重作业心率可上升到150~200次/min。最大心率与安静时心率之差称为心搏频率储备，该值可用来表示体力作业时心率可能增加的潜在能力。（最大心率=220-年龄）对于健康男性，作业心率为110-115次/min，停止作业后15min内恢复到安静心率时，则认为该体力作业负荷处于最佳范围，可连续工作8h。138心脏输出量与血压每搏输出量基础值指一侧心室在一次心搏中射出的血液量。正常成年男性在安静状态下，其数值范围通常稳定在50至70毫升之间，是评估心肌收缩能力的基础指标。心输出量动态调节范围每分输出量=每搏输出量×心率安静状态下约为3.75至5.25升/分钟。在剧烈运动等强负荷应激下，心脏的泵血储备能力可被充分调动，最高峰值可达25升/分钟。动脉血压健康参考区间反映血液在血管内流动时对血管壁产生的侧压力。成年人理想安静状态下，收缩压应维持在100-120毫米汞柱，舒张压则保持在60-80毫米汞柱的黄金健康窗口内。139呼吸系统的结构与功能呼吸系统示意图呼吸系统包括呼吸道（鼻腔、咽、喉、气管、支气管）和肺。功能：吸入氧气和排出二氧化碳。平静呼吸频率：15次/min；作业时呼吸系统的频率随作业强度的增加而增加，重强度时达30-40次/min，极大强度时达60次/min，肺通气量由安静时的6-8L/min增加到40-120L/min。呼吸系统始于鼻与口腔，经气道延伸至肺。空气需经过鼻腔、口腔、咽部、声带或喉方能进入呼吸系统。气管是最大的气道。气管分出两支较小的气道：左、右主支气管。肺是一个内含大而潮湿的呼吸表面的腔，位于身体内部，受到体壁保护。每侧肺分成不同的区域（肺叶）：右肺三个肺叶，左肺两个肺叶。支气管自身多次分成较小的气道，末梢最狭气道（细支气管）直径只有0.5毫米。3.5作业能力141作业能力体力作业的动态变化（三个阶段）：入门期（1~2h）：作业开始时，由于神经调节系统的“一时性协调功能”尚未完全恢复与建立，致使呼吸与血液循环系统以及四肢调节迟缓，导致作业效率起点较低；随着“一时性协调功能”的加强，作业动作逐渐加快并趋于准确，习惯定型得到了巩固，作业效率迅速提高。稳定期（1~2h）：作业效率稳定在最好水平，产品质量达到控制状态，此阶段一般可维持1~2h。疲劳期：作业者产生疲劳感，注意力起伏分散，操作速度和准确性降低，作业效率明显下降。终末激发期：在作业快结束时出现一种作业效率提高的现象称为终末激发期。作业能力定义：所谓作业能力，是指在不影响工作效率的前提下，尽可能长时间地维持一定工作强度的能力。午休前午休后体力作业时的典型曲线作业142脑力作业的动态工作能力随着科学技术的不断发展，对作业人员提出了更高的要求。传统的体力作业逐渐被机械化、自动化甚至智能化所替代，而现代社会对作业人员要求更多地倾向于智力、技能和创新能力等方面。脑力作业（Mentalwork）是相对于体力作业提出的，又称为白领工人（Whitecollarworkers）。是大脑信息加工系统对外界输入的信息和内部记忆的信息进行加工的一种作业形式。脑力作业有其固有的特点，即不可视性和低重复性。”2019年中国人口职业结构中，脑力作业者总人数达到7.45亿人，占全部从业人员的比例为54.5%；而体力作业者总人数为6.21亿人，占比为45.5%。这表明我国已逐渐成为一个以脑力作业为主的国家和社会。脑力作业能力难以直接计量，受环境和个人情绪影响大。常用指标：视觉运动反应潜伏期、对视觉信号的分辨能力、记忆六位数字等。3.6作业能力的影响因素144三大类影响因素影响作业者工作能力的因素很多、很复杂，但概括起来，主要有三大方面的因素：作业者所处的社会的因素，作业者自身的因素，以及工作条件、性质的因素。社会因素人-机系统中的作业者是活生生的社会人，其工作能力必然受到各种社会因素的影响。其中，三种社会因素起着主要的影响作用。社会制度：如果是处于主人翁的社会地位，则有利于作业工作能力的发挥。社会人际关系：人在工作活动中形成的上下级关系、同事关系，在家庭生活中形成的各种亲情关系等，都对作业者工作能力产生明显的影响。社会、企业的激励体制：是否建立起公平、合理而有效的激励手段和激励机制，都对作业者工作能力的发挥产生重要影响。145三大类影响因素影响作业者工作能力的因素很多、很复杂，但概括起来，主要有三大方面的因素：作业者所处的社会的因素，作业者自身的因素，以及工作条件、性质的因素。作业者自身的因素作业者作为生产活动的主体，影响其工作能力的因素是多方面的：作业者的心理因素：指作业者对其所从事的工作的态度、动机、情绪和意志。他们在很大程度上受社会因素的影响。作业者的生理因素：（1）作业者的健康和营养状况（2）作业者的身材、年龄、性别等因素（3）作业者的疲劳因素146三大类影响因素影响作业者工作能力的因素很多、很复杂，但概括起来，主要有三大方面的因素：作业者所处的社会的因素，作业者自身的因素，以及工作条件、性质的因素。工作条件、性质的因素作业者所从事具体工作的条件、性质也是影响工作能力的重要因素。这主要包括以下几方面：作业的物理环境条件：指工作场所的物理环境，主要包括：气温、湿度、气流、辐射热、气压、噪声、振动、粉尘、电磁波、光照等因素。作业的机器：工作的设备和工具的好坏对工作能力的影响较大，主要看它在提高工效的同时，是否能减轻工作强度、减少工作的紧张程度和静态工作成分等。工作强度和工作时间：工作强度大，工作不能持久进行。对8小时工作日制的工作来说，能耗量的最高水平以不超过作业者最大能耗量的三分之一为宜。作业组织作业：是生产过程组织的重要组成部分，其内容包括编制定员、工作组的组织、工作轮班的组织、工作地的组织工作等。3.7提高工作能力的主要措施148三大措施概述提高工作能力的途径和方法也是多种的。本节主要从技术革新、生理学功能、生物力学原理以及知觉和行为的特点等角度，探讨提高作业能力的举措。革新生产技术和工具运用先进技术，积极进行以机械化、自动化、智能化为中心的技术革新和技术革命，是提高作业效率、减轻作业强度、减少静态作业等的根本措施。例3-1：机床、作业台高度设计，减少静态作业。例3-2：尖嘴钳改进——上柄着力于拇指肌，加装弹簧自动开放，手腕伸直，避免腕小管病。例3-3：柔韧机器臂设计，采用柔韧肌肉构成阵列，适应复杂狭小空间。例3-4：应急指挥中心操作台设计，符合人机工程学原理。149三大措施概述提高工作能力的途径和方法也是多种的。本节主要从技术革新、生理学功能、生物力学原理以及知觉和行为的特点等角度，探讨提高作业能力的举措。合理使用体力在作业时，应按照生物力学的原理合理地使用力，尽量把有用的力用到作功上去。用力的准确性和时机：使肢体处于其运动范围的中间部位时，即可获得最精确的动作。动作的经济原则：“动作必须是对称的”，以免由于用力的结果而破坏身体的平衡和稳定；“动作必须有节奏性”，以使能量不致因肢体的过度减速而被浪费掉；“动作必须自然”，让那些最适合运动的肌群及符合自然位置的关节参与动作。专门知识和技巧：举重时用体重平衡重荷；坐位不利于向下用力。改进操作方法：尽量利用感知觉预测定位，使操作动作协调合理化，改变不良操作体位。150三大措施概述提高工作能力的途径和方法也是多种的。本节主要从技术革新、生理学功能、生物力学原理以及知觉和行为的特点等角度，探讨提高作业能力的举措。合理安排工间暂歇和工间休息作业者的作业能力是有限度的，因此，必须根据生理学规律把作业和休息加以合理分配。除了依据每周5天工作日制和工作日8小时制，合理安排好轮班和必要的加班之外，还必须合理安排好工间暂歇和工间休息，以维持较高的作业能力。工间暂歇：指作业者在工作进行中的短暂休息，对保证大脑神经细胞的兴奋与抑制、肌细胞的能耗的补充等都有良好的影响。工间休息：指作业者在作业中感到劳累时插入若干分钟的休息。重体力作业（尤其高温环境）需要10~30分钟，多次休息。积极休息：对轻、中体力作业和脑力作业，最好采取积极休息。安排灵活多样的适宜活动，以达到迅速解除或减轻疲劳、恢复作业能力的目的。本章小结人的作业能力受生理、心理、环境、社会等多因素影响。感觉知觉特性、反应时间规律为人机界面设计提供依据。压力与疲劳是影响安全作业的重要因素，需科学评估与干预。肌肉骨骼生物力学为工效学设计提供定量基础。心血管、呼吸系统的适应规律用于合理安排作业强度。通过技术革新、合理用力和休息制度可有效提高作业能力。151课后习题1．何谓反应时间?影响反应时间的因素有哪些？2．测量疲劳的方法有哪些？请结合资料查阅，阐述目前国内外先进的测量方法及其原理，了解我国在这方面的研究和应用情况。3．论述技术革新对作业者和作业能力提升的影响。4．试举例说明疲劳对安全作业的影响。152安全人机工程学安全人机工程学第四章生理学的工业应用1.熟悉人体作业时的生理学特性，掌握作业时的生理消耗指标及其测量方法。2.熟悉作业时的生理适应含义及应用生理学特征，理解生理适应测评的重要性，掌握职业适应性测评的方法。3.掌握人体作业时机体的调控机理，能够理解生理学调控对人体作业发挥的作用。学习目标156本章主要内容结构4.1作业的生理学特性4.2作业的生理消耗测量4.3作业的生理适应4.4作业的生理适应与调控1574.1作业的生理学特性能量代谢能量代谢的定义：在物质代谢过程的同时，发生着能量释放、转移、贮存和利用的过程，称为能量代谢。能量代谢过程是根据物质不灭和能量守恒法则进行的。作业时的能量来源——三大能源物质：糖是人体的主要能源。人体所需能量约有70%由糖的分解代谢来提供。脂肪则起着储存和供应能量的作用。而蛋白质作为能源，利用的量很少，它是人体组织的主要成分。糖和脂肪经生物氧化生成CO₂和H₂O并释放能量。蛋白质分解为氨基酸，脱氨基后氧化，氨基成为尿氮排出。核心燃料：糖类人体最主要的能量来源，在日常活动中提供约70%的能量消耗，是身体优先调动的能源物质。能量仓库：脂肪作为体内重要的储能物质，在长时间低强度作业时发挥关键作用，持续稳定地供应能量。生命架构：蛋白质主要用于构建和修复人体组织，在常规生理状态下供能比例很小，仅作为最后的能量补充防线。ATP与磷酸肌酸（CP）机体活动的大部分能量直接来源于三磷酸腺苷（ATP）。ATP在分解释能后，可将高能磷酸键转移给肌酸生成磷酸肌酸(CP)。CP作为肌细胞内关键的“高能物质贮存库”，其贮存量通常是ATP的5倍，能够快速缓冲能量消耗。ATP高效分解释能过程ATP是生命活动最直接的能量货币。在肌肉收缩等生理活动中，ATP在酶的催化下迅速水解，断裂高能磷酸键释放大量自由能，直接供机体利用。

关键化学反应式：ATP+H₂O→ADP+PO₄³⁻+29.4kJ/molCP快速缓冲与ATP再合成机制当ATP被消耗生成ADP时，磷酸肌酸（CP）能迅速将其携带的高能磷酸基团转移给ADP，在无氧条件下快速重新生成ATP，维持能量的持续供应，避免ATP浓度急剧下降。关键化学反应式：CP+ADP⇌Cr+ATP（肌酸激酶催化）体力作业的三个供能系列ATP-CP爆发供能这是人体最快速的即时供能系统。通过ATP迅速分解并由CP及时补充，为短时间、高强度的爆发性动作提供核心动力，如短跑冲刺、瞬间跳跃和强力投掷。需氧持续代谢系统依靠糖类和脂肪的有氧氧化过程持续生成ATP。该系统产能效率高且持久，是中等强度、长时间连续性作业的主要能量来源，如长距离慢跑和耐力型劳动。无氧乳酸应急供能在缺氧状态下，通过无氧糖酵解产生乳酸来快速供能。其供能速度快但维持时间有限，主要适用于大强度、短时间的间歇作业，是高强度体能攻坚的重要支撑。热价与氧的热价每克营养物质氧化时释放的热量，称为该物质的热价。糖：体内外均为17.22kJ/g脂肪：体内外均为18.06kJ/g蛋白质：体外23.52kJ/g，体内17.22kJ/g氧的热价：每消耗1L氧所产生的热量。糖为21.0kJ，脂肪为19.7kJ，蛋白质为18.9kJ。营养物质产热量/kJ•g-1耗量/L·g-1CO2产生量/L·g-1消耗1L氧的产热量/kJ呼吸熵/（CO2/O2）试验值1机体内氧化糖17.2217.220.810.8121.01.00脂肪18.0618.061.961.3919.70.71蛋白质23.5217.220.940.7518.90.80营养物质的热价注：1试验条件：p=1.01×10-5Pa，t=20℃；试验值是在弹式热量计内燃烧测定的。呼吸熵（RQ）糖类能量代谢特征完全氧化时呼吸熵理论值恒定为1.00脂肪能量代谢特征耗氧量相对较大，呼吸熵理论值约为0.71蛋白质能量代谢特征在体内氧化不完全，呼吸熵理论值约为0.80定量测算逻辑闭环：通过精密仪器测定单位时间内的氧耗量与二