1第五讲-人体力学特征与施力

第五章人体生物力学与施力特征第四版Ｐ７３~84摘要•介绍人的动态尺寸和基本能力，为操纵器设计打下基础一、运动系统的机能及其特征•骨—运动的杠杆•关节—运动的枢纽•肌肉—运动的动力一、运动系统的机能及其特征（1）支撑人体（2）保护内脏（3）运动的杠杆（4）造血（5）储备矿物盐：主要是磷和钙等。1.骨的功能一、运动系统的机能及其特征•完成各种工作和参加劳动等•有骨骼（206块）、关节、肌肉组成•一、骨的功能•功能》》支承人体的重量和肌肉一起构成人的外形•》》构成体腔保护内脏•》》产生骨髓、造血等•》》和肌肉一起完成运动功能•骨杠杆•平衡作用省力作用速度杠杆平衡杠杆增力杠杆省力杠杆一、运动系统的机能及其特征•二、主要关节的活动范围•骨联结形成关节•有一定的活动范围•人体各部分的活动范围人体上部及上肢固定姿势活动角度范围一、运动系统的机能及其特征•三、肌肉的工作机理•肌肉是动力部分，人活动的能力由肌肉决定•按照结构、分布、功能分类，一般分为平滑肌、心肌、横纹肌等•人体的横纹肌共400块，重量占身体的40%•肌肉的基本动作是收缩和放松，其工作原理为：一、运动系统的机能及其特征•肌肉是目前所知效率最高的将其他形式的能量转化成动能的系统之一；•身体在不同的位置，肌肉处于不同的动作，处于自然状态，则肌肉放松，有利于减少疲劳。•动作的连贯性和协调性也可减少疲劳。一、运动系统的机能及其特征•四、肢体的处理范围•肌力收缩所产生的力•一条肌纤维的力量为：•男女有别，年龄有别，位置和姿势有别•如：20～30岁的主要身体部位肌肉的力：N3310*2~10结论：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手强10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强6%～7%。一、运动系统的机能及其特征•不同位置的出力情况：•立姿臂力：图3-21立姿弯臂时的力量分布180°图T2返回图3-22立姿直臂时拉力和推力分布拉力推力返回肢体活动范围示意图图T1坐姿时手臂的操纵力的测试方位返回表3—7手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）返回一、运动系统的机能及其特征•立姿直臂：一、运动系统的机能及其特征•伸展活动范围男子女子图3-23不同体位下的蹬力返回一、运动系统的机能及其特征•坐姿下肢的力：图T3图T4结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％，不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。返回图T5影响人体能的因素五肢体的动作速度与频率１、动作速度(1)肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉，肌力、阻力；(2)动作方向和动作轨迹等特征(动作特征）２、动作频率取决于动作部位和动作方式。参阅表3-8。3、人体动作的灵活性：是指操作时动作速度和频率，由人体的生物力学特性所决定。人体重量轻的部位比重的部位、短的部位比长的部位、肢体末端比主干部位的动作更灵活。因此，设计机器及其操纵装置时，应当充分考虑人体动作灵活性的特点。参阅表B5表3—8人体各部位动作速度与频率限度返回表B5人体各部分的最大运动频率返回一、运动系统的机能及其特征•五、肢体的动作频率•人的动作频率，不同的肌体是不同的•动作频率经过训练可以提高•合理的动作可提高动作频率。•不同动作部位的动作频率和速度限：二、人的运动输出•一、引言•人的动作，从接收的信号（信息）—处理—输出信息•》到输出》》输出有—语言输出•—运动输出等多种•运动输出的质量：•反应时间，运动速度，准确性二、人的运动输出人的信息输出方式：语言输出、运动输出。运动输出的质量指标：反应时间、运动速度和准确性。1反应时间•反应时间（RT）:又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应的时间间隔。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组成。即RT=tz+td简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间二、人的运动输出二、人的运动输出二、人的运动输出•二、反应时间•1、定义和特征•又叫反映潜伏期，是从刺激到反应的时间间距•人的反应过程:刺激—感觉器官反应—神经—大脑（加工）—神经—肌肉动作—操作（输出）•tz—反应感知时间，td—动作时间•dztttR二、人的运动输出•反应的差别—简单反应—只有一个刺激，刺激出现时作出特定的反应－快•选择反应多个刺激，对刺激一一作出反应•简单反应快•选择反应—慢•》》其他影响二、人的运动输出•2、不同的感觉器官和不同的刺激•》》不同器官，对刺激的反应时间不同二、人的运动输出•》》表3-11讨论：不同的信号，反应时间有较大差异•相同的器官，对不同的刺激，也有所不同，•如味觉》对咸反应时间短（308ms),甜酸次之，苦最长（1082ms)•》》触觉：和部位有关，手脸反应快，小腿慢•》》反应时间与运动器官的关系：二、人的运动输出•3、刺激信号的强度•必须达到一定的阈值才能有反应，超过一定的值，反应时间反而增长。二、人的运动输出•4、刺激的清晰度和可辨性•》清晰度信号与背景的对比程度（信噪比）•》刺激的时间不能太短•如：光刺激时间的试验：•二、人的运动输出•选择反应与可选择的刺激数目有关，如表所示：•》》实际中：由操纵器、显示器的设计等也有关。二、人的运动输出•5、人的主体因素•习俗、个体差异、疲劳、性别、年龄等•联系可提高反应速度打字1-～30倍•按按纽1～2倍•人的反应速度有极限。。条件反射•0.1～0.15S连续工作的不适应期0.5S•复杂选择反应1～3S•》复杂选择，判断反应3～5S•与年龄有关：•与用手有关二、人的运动输出•三、运动速度•动作特点和运动速度的关系1.不同的感觉器官（不同性质的刺激）（1）不同的感觉器官简单反应的时间不同；以触觉与听觉最优，视觉次之。（2）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间不同；（3）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部位反应时间不同。影响反应时间的主要因素人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的。2.刺激信号的性质和强度对于同一种性质的刺激来说，一般情况是对弱刺激的反应时间较长，刺激增加到中等强度与极强时，反应时间短。刺激方式影响反应时间。“不可减的最少限”：反应时间不再减少的刺激强度增量的上限值。3.刺激的清晰度和可辩性（环境影响）（1）信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率的对比程度越强，反应时间越短；（2）刺激信号的刺激时间（3）刺激的数目、颜色（4）显示器及操纵器的设计。习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生理、心理状况。年龄2030405060反应时间相对值100104112116161年龄与反应时间的关系4.人的主体因素表3-9不同感觉器官的反应时间感觉器官反应时间（ms）触觉110-160听觉120-160视觉150-200冷觉150-230温觉180-240嗅觉210-390痛觉400-1000味觉330-1100返回刺激反应时间（ms）光电击声音光和电击光和声音声音和电击光、声和电击176143142142142131127对各种刺激的反应时间返回表3-10不同强度刺激的反应时间返回表3-11光刺激时间对反应时间的影响表3-12可选择的刺激数目对反应时间的影响光刺激持续时间36122448反应时间191189187184184刺激选择数目反应时间（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回要辨别的刺激白和黑红和绿红和黄红和橙红和橙（加25%红）红和橙（加50%红）红和橙（加75%红）10和13mm线段10和12.5mm线段平均反应时间（ms）197208217246252260271296298要辨别的刺激10和12mm线段10和11.5mm线段10和11mm线段10和10.5mm线段相差16Hz纯音相差12Hz纯音相差8Hz纯音相差4Hz纯音平均反应时间（ms）305313324345290299311334B刺激的辨别难度对反应时间的影响返回1.动作特点2.目标距离：距离增加，Td增长，宽度增加，Td缩短。3.运动方向4.动作轨迹特征5.负荷重量：最大运动速度与负荷重量成反比。3.8.2运动速度用完成动作的时间来评定（Td）1其他功能23456人体躯干和肢体在水平面的运动比在垂直面的运动速度快。垂直方向的操纵动作，从上往下的运动速度比从下往上的运动速度快。水平方向的操纵动作，前后运动速度比左右运动速度快，旋转运动比直线运动更灵活。顺时针方向的操作动作比逆时针方向的操作动作，速度更快，更加习惯。一般人的手操纵动作，右手比左手快，而右手的动作，向右运动比向左运动快。向身体方向的运动比离开身体方向的运动，速度更快，但后者的准确性高。返回表3-13人体各部位动作一次的最少平均时间动作部位动作特点最少平均时间/s手抓取直线的曲线的0.070.22旋转克服阻力不克服阻力0.720.22脚直线的克服阻力的0.360.72腿直线的脚向侧面0.360.72～1.46躯干弯曲倾斜0.72～1.621.26返回出手距离（cm）204060平均反应时间（ms）525596670标准差（ms）507174反应动作距离与动作时间返回二、人的运动输出•目标距离和宽度的影响-实验结果•试验数据条件•距离：7.6、15.2、30.5cm•宽度2.5、1.3、0.6、0.3cm•试验表明：随着目标距离增加，定位运动时间赠长，宽度的增加定位运动时间减少二、人的运动输出•运动方向的差别•在不同的运动方向是时间略有不同。•40Cm实验结果：左下右上较短时间最短方向二、人的运动输出•不同区域用手敲击物体，在10Cm是差距不大，大于30cm时，差距明显增大。结果如图：二、人的运动输出•动作轨迹特征•连续快突变慢•水平快垂直慢•向前快旋转慢（1.5～2倍）•圆比直线灵活•顺时针比逆时针灵活•向身体比离开身体灵活•》》》与负重有关二、人的运动输出•四、运动的准确性•》》动作要快，更要准确。•。运动速度与准确性•如图：反应的上限反应的下限问题：谁给出这个拐点！！数字问题？？二、人的运动输出•盲目定位运动的准确性•没有视觉帮助下，根据运动的轨迹和运动返馈定位•》》视觉负荷较重的条件下最好较好最差数字小，表示定位精度高二、人的运动输出•》》正前方最好，右侧略好于左侧，下部好于上部。•运动方向的准确性•试验：二、人的运动输出•》》水平左右最好，垂直上下次之。•操作的准确性二、人的运动输出•手的运动中某些准确•》》结论：上比下好。三人体的生物力学模型•１、力学模型的基本概念•三人体的生物力学模型•２、前臂和手的力学模型三人体的生物力学模型•３、举物时腰部的力学模型四、合理施力的设计思路•１、避免静态肌肉施力•自然放松，合理高度•四、合理施力的设计思路•１、避免静态肌肉施力•四、合理施力的设计思路•１、避免静态肌肉施力•四、合理施力的设计思路•１、避免静态肌肉施力•四、合理施力的设计思路•２、避免弯腰提起重物•四、合理施力的设计思路•３、设计合理的工作台和利用重力等••作业•1、按照人的视觉特征，分析如何设计广告语的长度，并举例说明之。•2、给出路边3种交通标志设计，说明设计的视觉原理。•3、从人机工程角度分析，两臂平举能否举起20kg的物体？为什么？