第3-3人体生物力学特性

第三节人体生物力学特性生物力学：是研究生物系统运动规律的科学。生物系统包括：有机整体（人体的各部分）有机整体的联合体（人）生物系统表现形式：生物系统相其他物体的位移（移动）生物系统相对自身的位移（动作）人体生物力学研究目的：使人在人机系统中更好地发挥其作用，尽量避免做无用功，使人能有效地工作，提高活动效率，减少疲劳，确保人身安全。人体生物力学研究内容：人体各部分的力量、活动范围和速度，人体组织对于不同阻力所发挥出的力量数值、人体各部分的重量、重心变化以及做功时的惯性等问题。图人体骨杠杆人体活动范围最有利范围：是指可使人在既达到动作目的同时又保证了人的工作轻松、舒适、不疲劳的最佳效果的人体活动范围，亦称顺手可及活动范围。施加的操纵力不大的、使用频率很高的、极重要的操作装置应安装在此范围内。正常范围：是指人体一般活动均在此活动范围内进行，如上肢相对于不动的肩膀在肘关节弯曲时外切弧的范围。一般常用的又重要的操作装置应安装在此范围内。最大可及范围：是指肢体长时间处于最大限度伸直状态的活动范围。不常用的费力很大的操作装置应安装在此范围内。图人体各部位活动范围示意图返回分析身体的各个部位能得出相关关节和肌肉的受力情况，如一个人前臂平举、双手拿起20Kg的物体，此状态的受力情况如下图所示：前臂和手的生物力学模型在举起重物工作中，脊柱的作用力大小受很多因素的影响，主要考虑影响最显著的两个因素——货物的重力和货物的位置到脊柱重心的距离。举物时腰部生物力学模型一、人体各部分的操纵力•操纵力是指操作者在操作时为达到操作的目的所付出的一定数量的力。•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。•在操作活动中，肢体所能发挥的力量大小除了取决人体肌肉的生理特征外，还与施力姿势、施力部位、施力方式和施力方向有密切关系。图立姿弯臂时的力量分布2、手的操纵力•(1)坐姿操纵力坐姿时不同角度上臂力测试如图3-9所示，其测量结果见表3-14。•(2)立姿操纵力立姿操作时，手臂在不同角度上的拉力和推力分布，如图3-10所示•(3)握力男女不同年龄段握力，见表3-15•(4)拉力与推力•(5)扭力和提力应用手柄操纵时最合适的力，见表3-16图3-9坐姿操纵力侧视图（a）侧视图（b）俯视图表3-14坐姿时手臂在不同方向上的操纵力手臂角度（0）拉力推力左手右手左手右手向后向前180（向前平伸臂）15012090（垂臂）602301901601501102402501901701201901401201001002301901601601601801501209060向上向下4070808070608011090906080100100808090120120901801501209060向内侧向外侧60709070809090100809040405050606070707080图3-10立姿操作时手臂在不同角度上的拉力和推力分布表3-15男女不同年龄段握力性别年龄握力（N）最小值最大值标准值男1618202325274324344373379480529556579585343～441392～460418～487442～510448～516女1618202325202211218226230314332330338343239～276248～285256～293264～301268～305表3-16应用手柄操纵时最合适的力手柄距地高度（mm）左手最适合的用力（N）右手最适合的用力（N）向上向下向侧方向上向下向侧方500～650140704012012030650～105012012060100100401050～14008080606060401400～16009014040406030图人体不同姿势的施力3、脚的操纵力•脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。•脚产生的操纵力一般都是以压力的形式出现，压力的大小随着脚离开人体中心对称线向外偏转的程度有关。（见图3-11）•一般地说，在坐姿的情况下，脚的伸展力大于屈曲力；右脚的操纵力大于左脚的操纵力；男的脚力大于女的脚力。（见表3-17）图3-11不同体位下脚的蹬力及在各个角度时的压力比值表3-17脚的操纵力比较脚别屈曲力/N伸展力/N男女男女右脚326234478344左脚299209421299二、人体活动的速度与准确度1、肢体的动作速度•肢体动作速度的大小，基本上决定于肢体肌肉收缩的速度•对于操作动作速度，还取决于动作方向和动作轨迹等特征•人的无条件反应时间为0.1～0.15s,听觉反应为0.1～0.2s,手指叩击速度1.5～5次／s，判断时间为1～5s。•动作频率是指在一定时间内动作所重复的次数。•肢体的动作频率也取决于动作部位和动作方式(见下表)表人体各部位动作速度与频率限度项目动作速度或频率数值单位手的运动35cm/s控制操纵杆位移8.8～17cm/s手指敲击的最大频率3～5次/s旋转把手或驾驶盘9.42～29.46r/s身体转动0.72～1.62次/s手控制的最大谐振截止频率0.8Hz手的弯曲与伸直1.0～1.2次/s脚掌与脚的运动0.36～0.72次/s表3-19动作速度表•在操作系统设计时，对操作速度和频率的要求不得超出肢体动作速度和频率的能力限度。(见表3-19，表3-20)动作部位动作特点最少平均时间/s手抓取动作直线0.07曲线0.22旋转动作克服阻力0.72不克服阻力0.22脚直线0.36克服阻力0.72腿直线0.36脚向侧面0.72～1.45躯干弯曲0.72～1.62倾斜1.26表3-20人体各部分动作的最大频率动作部位动作的最大频率（次/min）手204～406手指360～431前臂160～292臂99～344腿300～373脚330～400人体动作的灵活性•改变操纵方向时，圆形轨迹比直线轨迹灵活。•手向着身体比离开身体的动作灵活而准确•前后往复比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•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；•人体体积较小部位动作比较大部位动作灵活。进行安全人机系统设计时，为使动作速度、频率和准确性、灵活性很好地结合，须遵循的规律：⑴劳动时，不论连续动作时间长短，都应在最有利的位置开始和结束。⑵沿曲线的、直线的或不规则轨迹的动作，都应该让操作者的动作从容不迫。⑶具有急剧改变方向的动作，应尽量采用流畅而连续的动作。⑷手在水平内动作比在垂直面内的动作要准确。⑸工作时的动作次数应尽量减少，频率应降低。⑹重要作业尽可能由一个人的动作完成。⑺最重要和常用的装置或工具应当放在最有利范围之内。⑻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。⑼从一个操纵位置到另一个操纵位置的动作应当平稳，不允许有跳跃式动作。⑽如果操作者不可避免地按不正确的轨迹动作时，应当考虑改变手的动作，这时采用直线形式的轨迹要灵活些。2人体运动的精度通常,人体运动的精度比速度更为重要人体运动的精度主要考虑2个方面的内容(1)具有视觉反馈的运动精度(2)不具有视觉反馈的运动精度三、影响人体作用力的因素1、体重体重既有利于操纵，又有不利于操纵的，操作时应尽量避免将力耗费在不合理的动作和身体的运动上。体重对操作既有好处也有坏处，应该取其有利的一面，采取相应姿势尽量使体重发挥作用。（见图3-13）图3-13力的应用（甲）图3-13力的应用（乙）2、体位•操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定性对人的作用力也有一定的影响。•立位作业可以经常改变操作的姿势，活动范围大，易于用力，但单调作业会引起疲劳•立位可适当地走动，有助于维持工作能力，但立位不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且肌肉要作更多的功用以维持体重，易引起疲劳。•坐位则可以进行较长时间地精确而细致的工作，可以手足并用，但是坐位作业则不易改变姿势，用力受限制，工作范围受局限，久坐会导致生理性疲劳•躺位操作易疲劳，汽车修理工修理汽车时就有时必须仰躺着工作。3、个体因素不同人的力量相差很大，强壮的人的人体力量是虚弱的人的力量的6～8倍。影响人体力量的因素有基因、人的尺寸、训练、动机、年龄、性别等。人在25～35周岁时，力量达到最大值，在此以后，随着年龄的增加人体力量开始下降。合理施力的设计思路设计要点如下：1.避免弯腰及其它不自然的姿势，见图5-9（a）2.避免长时间抬手作业，见图5-9（b）3.坐姿工作比立姿工作省力4.双手作业时，手的运动方向相反或不对称5.作业位置与视距的关系，见图5-106.常用工具、零件、材料与操作者的位置关系7.手在较高位置作业时，应增设支承物8.利用重力作用，见图5-11①避免静态肌肉施力图5-9图5-10图5-11用不同的方法来提起重物，对腰部负重的影响不同。②避免弯腰提起重物设计可升降的工作台帮助工人搬运大型货物。③设计合理的工作台图5-14设计消除操作过程中不必要的躯体扭转的工作场所，明显较少工人的不适和受伤的可能性。