【安全课件】人体生物力学

人机学基础——人体生物力学特性制作：孟现柱[e-mail]一、人体生物力学的一般知识•运动系统中的骨骼、关节和肌肉在神经系统支配下，使人体各部分完成一系列的运动。（一）骨骼1）人体骨骼全图•骨骼由颅骨、躯干骨、四肢骨三部分组成，是人体内部的支撑结构。人体全身约有206块骨，可分为头颅骨、上肢骨、下肢骨、躯干骨、脊椎骨等。（一）骨骼2）人体骨骼强度•1、在一定范围内，骨的应力一应变关系是线性的，服从虎克定律。•2、骨的密度比钢小得多，其各方向的强度也不如钢的大，但比花岗岩和洋松要高得多，具有强度高、重量轻的特点。•3、人体各部位骨的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗扭强度最小。这对人体负重、搬运的研究和受力设计具有特别意义。（一）骨骼3）骨的功能•(1)骨构成体腔的壁，如头颅腔、胸腔、腹腔、盆腔等，以保护大脑、心、肺、肝、胆、脾胃、肾、肠及生殖器官等人体内脏。•(2)骨之间由关节连接构成骨骼，形成人体支架，支撑人体全身的重量，支撑人体的肌肉、皮肤、内脏一器官等软组织，骨骼与肌肉一块共同维持人体的外部形态。使人成为具有一定高度、宽度、厚度的实体。•(3）骨骼的骨髓腔和松质的腔隙中充填着骨髓，骨髓除具备造血功能外还是体内脂肪、钙、磷的储备仓库。•(4）肌肉在神经系统支配下产生收缩时，牵动着骨围绕着关节活动，使人体产生各种动作。因此，骨是人体活动的杠杆。（一）骨骼4）骨杠杆•在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是力源，肌肉一与骨的附着点称为力点，作用于骨上的阻力（如操纵力、体重等）的作用点称为重点（即阻力点）。（一）骨骼4）骨杠杆•人体活动中主要的骨杠杆形式：•（1）平衡骨杠杆。人体支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调节头的姿势的运动。（一）骨骼4）骨杠杆•（2）速度骨杠杆，力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘的运动，此类杠杆的运动在人体中较常见。（一）骨骼4）骨杠杆•(3)省力骨杠杆。此类骨杠杆的重点位于力点与支点之间，例如足跟踩关节的运动。•由于杠杆中力与运动速度（或幅度范围）是矛盾的。因此，在人机系统操纵设计时，应充分考虑这一原理。（二）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）。（二）关节•关节的连接•（1）直接连接：骨与骨直接借助于结缔组织、软骨或骨连接，活动范围小或不能活动。•（2）间接连接：骨与骨借助于膜性囊连接，有较大的活动范围。（三）人体肌肉•人体的各种动作，都是在神经系统的调控下，由肌肉的收缩和舒张带动骨、关节运动而实现的。•全身肌肉分平滑肌、心肌和骨骼肌(横纹肌，有639块，可分为慢缩红肌、快缩红肌与快缩白肌三大类。如果用力较为轻微，则仅有慢缩红肌参与收缩；随着骨胳肌用力强度的增加，快缩红肌与快缩白肌才分别参与收缩。)。•肌肉内分布着血管和神经，负责调节肌肉的收缩和舒张供给肌肉营养，促进代谢和发育。（三）人体肌肉•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。二、人体各部分的操纵力（一）手的操纵力•手操纵力的大小与人体姿势、着力部位、用力方向和用力方式都有关系。（一）手的操纵力•(1)坐势操纵时的手操纵力手臂操纵力的一般规律是：左手的力量小于右手；拉力大于推力；手臂处于侧下方时，推、拉力量都较弱；手臂处于正下方时，其向上和向下的力量都较大，且向下的力量大于向上的力量。手臂的角度拉力推力左手右手左手右手向后向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向内侧向外侧180609040601507090407012090100507090708050706080906080不同角度和方向的操纵力数值（一）手的操纵力•(2)站姿操作时的手操纵力站立操作姿势时，手臂的最大拉力产生在肩的下方1800和肩的上方00的方向上。同样，推力最大的方向是产生在肩的上方00方向上。所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时将得到最大的操纵力。（一）手的操纵力•(3)握力一般人的右手握力约380N，左手握力约350N。但是，一般青年男子右手瞬时最大握力有560N，左手有430N。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，握力显著下降，如保持1min后，右手平均握力约280N，左手约250N。（一）手的操纵力•(4)拉力和推力在站姿手臂水平向前自然伸直的情况下，男子平均瞬时拉力为703N，女子平均瞬时拉力为386N。当手作前后运动时，拉力(向后)要比推力(向前)大。瞬时最大拉力可达1100N，连续操作的拉力最大约300N。当手作左右方向运动，则推力大于拉力，最大的推力约400N。（一）手的操纵力•(5)扭力双臂作扭转有三种不同操作姿势，直立操作时平均扭力男子为389±130N，女子为204±80N。屈身操作时平均扭力男子为555±249N，女子为272±141N；弯腰操作时平均扭力男子为962±342N，女子为425±200N。（二）脚的操纵力•脚出力的大小，与人的姿势、脚位置和方向有关。下肢伸直时的脚力大于弯曲时的脚力。坐姿有靠背支撑时，脚出力最大。立姿时脚的出力比坐姿时的出力大。一般坐姿时，右腿最大蹬力平均可达2620N，左腿为2410N。据测定，膝部伸展角度在130°-150°或160°-180°之间时，腿的蹬力为最大。在坐姿的情况下，脚的伸出力大于屈曲力。脚处于不同位置上的蹬力脚别屈曲率（N)伸出率（N)男女男女右脚338239488351左脚305213430305（三）控制器的操纵力•在设计控制器时，操纵力所依据的指标应当低于一般人的力量水平，而按照力量较弱的人的水平进行设计。•当然也不是用力越小越好。如果操纵杆丝毫没有阻力，就很容易被碰移，而且操纵时，操作者不能从动作中感觉出操纵量的大小，从而影响操作的准确性。三、人体活动的速度和准确度1、动作速度和动作频率•在操纵控制装置设计中，根据人体动作选择不同的运动轨迹，对于准确灵活的操作具有重要意义。•确定动作的运动轨迹时应综合考虑动作速度和动作频率这两个基本因素。操作者各部位每动作一次所需的平均时间，可用这些数据说明动作速度的大小。动作部位动作特点最少平均时间（s/次）手抓取直线的0.07曲线的0.22旋转克服阻力0.72不克服阻力0.22脚直线的0.36克服阻力的0.72腿直线的0.36脚向侧面的0.72～1.45躯干弯曲0.72～1.62倾斜1.26人体各部位动作的最大频率，它以每分钟最多动作的次数来计算。动作部位最大频率（次/min)手指204～406手360～430前臂190～392臂99～344脚300～378腿330～406两只手不同动作时，每秒钟所能达到的最大频率。动作种类最大频率右手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5～146.5最大转动频率和手柄长度间的关系•操作者的操作速度和频率还与操纵机构的形状、大小、以及持续操作时间等因素有关，由表中可看出，手柄长度为60mm时，最大转动频率可达到最高。除此以外，手柄越长，则转动频率越低。手柄长度（mm）最大转动频率（r/min)302640276027.510025.514023.524018.558014手操作时合理的轨迹范围•考虑动作速度和动作频率这两个基本因素，当一只手操作时，应在水平面内向外600的直线方向；两只手同时操作时，应在水平面内两侧分别约300的直线方向；若用于精确调整，则以沿中轴线方向为好。2、人体动作的灵活性•在操纵时产生突然或平稳的改变方向时，圆形轨迹比直线轨迹灵活。•手向着身体动作比离开身体的动作灵活而准确，向前后往复动作比向左右往复动作的速度大。•最大动作速度与被移的负载的重量成正比，而达到最大速度所需要的时间与被移动的负载成正比，动作的方向和轨迹应当满足工作动作准确性的要求。•人体较短部位的动作比较长部位的动作灵活；人体较轻部位的动作比较重部位的动作灵活；人体体积较小部位的动作比较大部位的动作灵活。3、人体动作设计应该遵循的规律•为了使动作速度、频率、准确性和灵活性很好地结合，人体动作设计须遵循：•1)劳动时的连续动作，不论时间长短，应在最有利的位置开始和结束。•2)沿曲线、直线或不规则轨迹的动作，应该使操作者的动作从容不迫。•3)具有急剧改变方向的曲线或直线的动作，应该尽量采用流畅连续的动作。•4)手在水平内动作比在垂直面内的动作要准确。•5)人在工作时动作的次数应尽量减少，频率应降低。•6)一些重要的作业应该尽可能由一个人的动作完成。•7)最重要的和常用的装置或工具应当放在最有利范围之内。•8)操纵者的操纵动作，按适宜的半径作圆周运动比沿直线运动好。•9)从一个操纵位置到另一个操纵位置的动作应当平稳，不允许跳跃。•10)如果操作者不可避免地按不正确的轨迹动作时，应当考虑改变动作，这时采用直线形式的轨迹要灵活些。四、影响人体作用力的因素1、体重•体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利两方面。•体重对操作既有好处也有坏处。四、影响人体作用力的因素2、体位•1、立位作业——可以改变姿势，活动范围大，操纵力大，立位不易精细工作，不易转换操作，易疲劳，但如果适当走动，可以减轻疲劳。•2、坐位操作——可以长时间精细工作，可以手足并用，但不易改变姿势，用力受限，工作范围局限，久坐易疲劳。•3、躺位操作——易疲劳。