第一节人体动作疲劳强度的适度考量【通用人机工程学】

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发展•第二节人机工程学的基本概念与研究范围•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基础数据。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反映了人体各部分的肌力情况。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，对多数人是基本相同的（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。若坐姿有靠背支撑时可产生最大的蹬力。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避免时，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）避免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；另一方面要避免静态肌肉施力。当静态施力不可避免时，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)避免弯腰或其他不自然的身体姿态。(2)避免长时间地抬手作业，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，手的支撑物表面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．反应时和运动时反应时指从刺激呈现到人开始作出外部反应的时间间隔，也称为反应潜伏期。影响反应时的有人体主观因素和外界刺激客观因素。(1)刺激的数目：数目越多反应越慢(表32)。(2)刺激强度：随着刺激强度加大，反应时逐渐缩短，但到达一定的刺激强度以后，反应时就基本稳定不再缩短了。(3)刺激的对比度：对比越强反应时越短。(4)刺激类型和受刺激的部位：触听视觉反应时短，味觉反应时长。触觉中脸、手指反应时短，脚部反应时长（表33）。(5)人的主体因素：影响反应时的人的主体因素，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、健康状况、疲劳状况、情绪、生理节律等状态，培训对反应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，动作速度有下列规律，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，一般有四大基本姿势，即立姿、端坐姿、靠椅坐姿和卧姿。（二）确定作业姿势的一般原则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，通过肌电图得出如图所示的结果。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行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健康，提高作业率，在确定作业姿势时，一般应遵循如下原则：(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，避免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。（三）作业中常用的姿势1.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。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。下列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，而坐姿不可能达到时。(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行的作业，应使操作者可以自由变换体位，避免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。若在作业过程中，适当变换直腰坐与放松坐两种坐姿，则既可通过改变椎间盘的内压力，改善椎间盘的营养供应状况，又可使肌肉得以放松。下列情况应采用坐姿作业：(1)持续时间长的静态作业。(2)精密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症状的现象，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、反应能力降低，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，表面上坐在那里“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症状的主诉得以确认。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