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第三章第三章第三第三节节人体生物力学特性人体生物力学特性本节内容：本节内容：一一 人体各部分的操纵力人体各部分的操纵力二二 人体运动的速度与准确度人体运动的速度与准确度三三人体用力及其影响因素人体用力及其影响因素 一一人体各部分的操纵力人体各部分的操纵力内容：内容：（一）人体操纵力特性（一）人体操纵力特性（二）手的操纵力（二）手的操纵力（三）脚的操纵力（三）脚的操纵力（一）人体操纵力特性（一）人体操纵力特性骨运动的杠杆 关节运动的枢纽肌肉运动的动力1、肌力、肌力肌力肌力肌力肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩肌肉的力量来自肌肉收缩肌肉收缩时产生的力称为肌力。肌肉收缩时产生的力称为肌力。肌肉收缩时产生的力称为肌力。肌肉收缩时产生的力称为肌力。人人的的一一条条肌肌纤纤维维所所发发挥挥的的力力量量约约为为0.010.010.020.02N N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。肌力是多条肌纤维的收缩力总和。女性的肌力比男性低女性的肌力比男性低20%-30%20%-30%；惯用右手者右手肌力比左手高约惯用右手者右手肌力比左手高约10%10%；惯用左手者左手肌力比右手高约惯用左手者左手肌力比右手高约6%-7%6%-7%。2操纵力操纵力在在作作业业中中，为为了了达达到到操操作作效效果果，操操作作者者有有关关部部位位（手手、脚脚、躯躯干干等等）所所施施出出的的一一定定大大小小的的力力叫叫操作力操作力操作力操作力。工工作作的的操操纵纵力力主主要要是是臂臂力力、握握力力、指指力力、腿腿力力或或脚脚力力，有有时时也也用用到腰力、背力等。到腰力、背力等。立姿弯臂时的力量分布 3影响操纵力的因素影响操纵力的因素操操纵纵力力与与施施力力的的人人体体部部位位、施施力力方方向向和和指指向向（转转向向），施施力力时时人人的的体体位位姿姿势势、施施力力的的位位置置、施施力力时时对对速速度度、频频率率、耐耐久久性性、准准确确性性的的要要求求等等多多种种因素有关。因素有关。决决定定操操纵纵力力的的因因素素：肌肌力力、施施力力的的姿姿势势、部部位位、方式和方向。方式和方向。（二）手的操纵力二）手的操纵力1坐姿操纵力坐姿操纵力手臂操纵力的一般规律：手臂操纵力的一般规律：（1）左手力量小于右手；）左手力量小于右手；（2）手手臂臂处处于于侧侧面面下下方方时时，推推拉拉力力都都较较弱弱，但但其其向向上上和和向下的力较大；向下的力较大；（3）拉力略大于推力；）拉力略大于推力；（4）向向下下的的力力略略大大于于向向上上的力；的力；（5）向向内内的的力力大大于于向向外外的的力。力。坐姿时手臂的操纵力的坐姿时手臂的操纵力的坐姿时手臂的操纵力的坐姿时手臂的操纵力的测试方位测试方位测试方位测试方位 表表3-1坐姿时手臂在不同方向上的操纵力坐姿时手臂在不同方向上的操纵力2立姿操纵力立姿操纵力立姿操纵时，手臂在不同角度上的拉力立姿操纵时，手臂在不同角度上的拉力和推力分布如图和推力分布如图3-3所示。所示。图图3-3立姿操作时手臂在不同角度上立姿操作时手臂在不同角度上的拉力和推力分布的拉力和推力分布拉力推力2立姿操纵力立姿操纵力由图可知，最大拉力产生在肩的下方由图可知，最大拉力产生在肩的下方180方向上，手臂的最大推力则产生在方向上，手臂的最大推力则产生在肩的上方肩的上方0方向上。方向上。所以，以推拉形式操纵的控制装置，安所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时操纵力最大。装在这两个部位时操纵力最大。3握力握力一一般般人人右右手手的的握握力力大大于于左左手手。一一般般青青年年男男子子右右手手平平均均瞬瞬时时最最大大握握力力约约为为550N，左左手手约约为为421N。保保持持1min后后，右右手手平平均均握握力力降降到到274N，左左手手降降至至244N。可见，握力与手的姿势和施力持续时间有关。可见，握力与手的姿势和施力持续时间有关。人人们们在在劳劳动动过过程程中中，要要使使用用各各种种手手持持工工具具进进行行操操作作，如钳子、镊子、锄头、斧头等等。如钳子、镊子、锄头、斧头等等。手手持持工工具具把把柄柄的的外外形形、大大小小、长长短短、重重量量以以及及制制造造材材料料除除应应满满足足操操作作的的要要求求外外，还还要要符符合合操操纵纵者者的的生生理特点和生物力学特点，以减轻劳动强度。理特点和生物力学特点，以减轻劳动强度。3握力握力在人机系统设计时，要考虑操作者的握紧强度。握紧强度在人机系统设计时，要考虑操作者的握紧强度。握紧强度是人能够施加在手柄上的最大握紧力（可用测力计测量）。是人能够施加在手柄上的最大握紧力（可用测力计测量）。在设计手工工具、夹具和操纵机构时，都需考虑握紧强度在设计手工工具、夹具和操纵机构时，都需考虑握紧强度的数值。的数值。年龄在年龄在30岁以上时，可用下式（岁以上时，可用下式（5-1）近似计算手操纵的握）近似计算手操纵的握紧强度。紧强度。式中式中手操纵握紧强度，手操纵握紧强度，N；年龄，周岁。年龄，周岁。表表5-2男女不同年龄段握力男女不同年龄段握力表表5-3应用手柄操纵时最合适的力应用手柄操纵时最合适的力手的操纵力与手动操纵器的布置手的操纵力与手动操纵器的布置由于手臂弯曲时，手在人的前方活动能发挥出较大由于手臂弯曲时，手在人的前方活动能发挥出较大的操纵力，所以操纵机构布置在操纵者的正前方可的操纵力，所以操纵机构布置在操纵者的正前方可以得到最好的操纵。以得到最好的操纵。操作者站时臂伸直的最大拉力产生在操作者站时臂伸直的最大拉力产生在180的位置上，的位置上，即产生在垂直向上拉的位置上。所以需要向上拉的即产生在垂直向上拉的位置上。所以需要向上拉的操纵机构布置在下面能得到最大操纵力，操作者站操纵机构布置在下面能得到最大操纵力，操作者站立时臂伸直的最大推力产生在立时臂伸直的最大推力产生在0的位置上，即垂直的位置上，即垂直向上推的位置上，但由于受空间、设备和人的习惯向上推的位置上，但由于受空间、设备和人的习惯所限，不在此方向布置操纵机构。所限，不在此方向布置操纵机构。手的操纵力与手动操纵器的布置手的操纵力与手动操纵器的布置人在伸直前臂时向前推较向侧面推所产生的力大人在伸直前臂时向前推较向侧面推所产生的力大一些，所以推力操纵的机构尽量布置在操作者的一些，所以推力操纵的机构尽量布置在操作者的前面（即最佳位置）前面（即最佳位置）一般人在平稳动作时，手臂所产生的最大操纵力一般人在平稳动作时，手臂所产生的最大操纵力可达可达800N，人在猛烈瞬间动作时，所产生的最大，人在猛烈瞬间动作时，所产生的最大操纵力可达操纵力可达10001100N。正常情况下用手操纵时，操纵机构所需要的操纵正常情况下用手操纵时，操纵机构所需要的操纵力不应大于力不应大于127150N，否则不能持久工作，且，否则不能持久工作，且极易出现疲劳，若在这种情况下，继续坚持劳动，极易出现疲劳，若在这种情况下，继续坚持劳动，则可能导致事故发生。则可能导致事故发生。（三）脚的操纵力（三）脚的操纵力在在生生产产中中，用用脚脚操操作作的的情情况况很很多多。最最常常见见的的是是汽汽车车的的离离合合器器踏踏板板和和刹刹车车踏踏板板，缝缝纫纫机机踏踏板板，加加工工机机械械（如冲床、蒸汽锤等）的脚踏控制装置等。（如冲床、蒸汽锤等）的脚踏控制装置等。脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。下下肢肢伸伸直直时时脚脚所所产产生生的的力力大大于于下下肢肢弯弯曲曲时时脚脚产产生生的的力。力。坐坐姿姿有有靠靠背背支支持持时时，脚脚可可产产生生最最大大的的力力；立立姿姿时时，脚的用力比坐姿时用力大。脚的用力比坐姿时用力大。（三）脚的操纵力（三）脚的操纵力一般坐姿时，右脚最大蹬力平均可达到一般坐姿时，右脚最大蹬力平均可达到2568N，左，左脚为脚为2362N。据测定膝部伸展角在据测定膝部伸展角在130150或在或在160180之之间时，腿的出力最大，脚产生的操纵力一般都是以间时，腿的出力最大，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对称线向外偏转的程度有关图图5-4为脚在各个角度时出力及其比值。为脚在各个角度时出力及其比值。不同体位下脚的蹬力及在各个角度时的压力比值不同体位下脚的蹬力及在各个角度时的压力比值一般地说，在坐姿的情况下，脚的伸展力大于屈曲一般地说，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。于女的脚力。表表3-4为脚的操纵力比较。为脚的操纵力比较。脚别脚别屈曲力屈曲力伸展力伸展力男男女女男男女女右脚右脚左脚左脚326326299299234234209209478478421421344344299299 二二 人体运动的速度与准确度人体运动的速度与准确度内容：内容：（一）肢体的动作速度（一）肢体的动作速度（二）人体运动的精度（二）人体运动的精度（一）（一）肢体的动作速度肢体的动作速度肢肢体体动动作作速速度度的的大大小小，基基本本上上取取决决于于肢肢体体肌肌肉肉收收缩缩的速度。的速度。肌肉收缩的速度取决于肌肉收缩的速度取决于：1.中中枢枢神神经经系系统统（根根据据需需要要时时而而使使慢慢肌肌纤纤维维收收缩缩，时而使快肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度）时而使快肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度）2.肌肌肉肉收收缩缩时时所所发发挥挥的的力力量量和和阻阻力力的的大大小小（发发挥挥的的力量愈大，外部阻力愈小，则收缩速度愈快）力量愈大，外部阻力愈小，则收缩速度愈快）3.取取决决于于动动作作方方向向和和运运动动轨轨迹迹等等特特征征（不不同同的的动动作作特特点点对对运运动动速速度度影影响响十十分分显显著著，表表5-5至至5-7给给出出人人体不同部位运动速度与频率值体不同部位运动速度与频率值）表表3-5人体各部位运动速度与频率限度人体各部位运动速度与频率限度动动作速度或作速度或频频率率数数值值单单位位手的运手的运动动控制操控制操纵纵杆位移杆位移手指敲手指敲击击的最大的最大频频率率旋旋转转把手或把手或驾驶盘驾驶盘身体身体转动转动手控制的最大手控制的最大谐谐振截止振截止频频率率手的弯曲与伸直手的弯曲与伸直脚掌与脚的运脚掌与脚的运动动35358.88.8173 359.429.4229.460.720.721.620.80.81.01.01.20.360.360.72cmcms-1cmcms-1次次s-1r rs-1次次s-1HzHz次次s-1次次s-1 表表3-6动作速度表动作速度表动动作部位作部位动动作特点作特点动动作一次最少的平均作一次最少的平均时间时间/s手手 直直线线的的 抓取抓取动动作作 旋旋转动转动作作 曲曲线线的的 克服阻力克服阻力 不克服阻力不克服阻力0.070.070.220.220.720.720.220.22脚脚直直线线的的克服阻力的克服阻力的0.360.360.720.72腿腿直直线线的的脚向脚向侧侧面面0.360.360.720.721.45躯干躯干弯曲弯曲倾倾斜斜0.720.721.621.261.26表表3-7人体各部分的最大频率人体各部分的最大频率动动作部位作部位动动作最大作最大频频率率/(次次min-1)动动作部位作部位动动作最大作最大频频率率/(次次min-1)手手手指手指前臂前臂204204406360360431160160292臂臂腿腿脚脚9999344300300373330330400123456 人体躯人体躯干和肢干和肢体在水体在水平面的平面的运动比运动比在垂直在垂直面的运面的运动速度动速度快快。垂直方垂直方向的操向的操纵动作，纵动作，从上往从上往下的运下的运动速度动速度比从下比从下往上的往上的运动速运动速度快。度快。水平方水平方向的操向的操纵动作，纵动作，前后运前后运动速度动速度比左右比左右运动速运动速度快，度快，旋转运旋转运动比直动比直线运动线运动更灵活。更灵活。顺时针顺时针方向的方向的操作动操作动作比逆作比逆时针方时针方向的操向的操作动作，作动作，速度更速度更快，更快，更加习惯。加习惯。一般人一般人的手操的手操纵动作，纵动作，右手比右手比左手快，左手快，而右手而右手的动作，的动作，向右运向右运动比向动比向左运动左运动快。快。向身体向身体方向的方向的运动比运动比离开身离开身体方向体方向的运动，的运动，速度更速度更快，但快，但后者的后者的准确性准确性高。高。人体运动速度的规律人体运动速度的规律（二）二）人体运动的精度人体运动的精度通常，人体运动的精度比速度更为重要通常，人体运动的精度比速度更为重要人人体体运运动动精精度度主主要要考考虑虑两两方方面面的的内内容容，即即具具有有视视觉觉反馈的运动精度和没有视觉反馈的运动精度。反馈的运动精度和没有视觉反馈的运动精度。对对于于具具有有视视觉觉反反馈馈的的运运动动精精度度，主主要要与与运运动动时时间间有有关。如果给予足够的时间，运动精确性都会较高。关。如果给予足够的时间，运动精确性都会较高。对对于于没没有有视视觉觉反反馈馈的的运运动动精精度度的的问问题题就就要要复复杂杂一一些些，也也是是人人机机工工程程研研究究的的重重点点。出出现现没没有有视视觉觉反反馈馈的的控控制制，可可能能是是由由于于当当时时环环境境过过于于黑黑暗暗或或者者是是由由于于当当时时人人的的关关注注点点不不在在人人的的动动作作。还还有有一一种种情情况况是是由由于于运运动速度过快，无法利用视觉进行控制。动速度过快，无法利用视觉进行控制。盲目定位的准确性盲目定位的准确性正前方盲目定位准确性最高；右方优于左方；正前方盲目定位准确性最高；右方优于左方；同一方位，下中方优于上方。同一方位，下中方优于上方。手臂运动方向对连续控制运动准确性影响手臂运动方向对连续控制运动准确性影响水平方向，左右运动的准确性高；水平方向，左右运动的准确性高；垂直方向，上下运动的准确性高。垂直方向，上下运动的准确性高。不同控制操作方式对准确性影响有利于快速、准确动作的安全人机工程设计有利于快速、准确动作的安全人机工程设计在在进进行行安安全全人人机机系系统统设设计计时时，为为了了使使动动作作速速度度、频频率率和和准准确确性性、灵灵活活性性很很好好的的结结合合，必必须须遵遵循循下下面的规律：面的规律：(1)人人体体劳劳动动时时，不不论论长长时时间间或或短短时时间间的的连连续续动动作，都应在最有利的位置开始和结束。作，都应在最有利的位置开始和结束。(2)操操作作者者沿沿曲曲线线的的、直直线线的的或或不不规规则则轨轨迹迹的的动动作，都应该让操作者的动作从容不迫。作，都应该让操作者的动作从容不迫。(3)具具有有急急剧剧改改变变方方向向的的曲曲线线或或直直线线的的动动作作，应应该尽量采用流畅而连续的动作。该尽量采用流畅而连续的动作。(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，不允许有跳跃式动作。(10)如果操作者不可避免地按不正确的轨迹动作时，应当考虑改变手的动作，这时采用直线形式的轨迹要灵活些。三三人体各部分的操纵力人体各部分的操纵力内容：内容：（一）人体用力的原则（一）人体用力的原则（二）影响人体作用力的因素（二）影响人体作用力的因素（一）人体用力的原则（一）人体用力的原则1、人用力的一般原则、人用力的一般原则（1）所有动作应该是有节律的，各个关节要保持协）所有动作应该是有节律的，各个关节要保持协调，则可减轻疲劳。调，则可减轻疲劳。（2）在操作时，各关节的协同肌群与拮抗肌群的活）在操作时，各关节的协同肌群与拮抗肌群的活动要保持平衡，才能使动作获得最大的准确性。动要保持平衡，才能使动作获得最大的准确性。（3）瞬时用力要充分利用人体的质量作尽可能快的）瞬时用力要充分利用人体的质量作尽可能快的运动。运动。（4）大而稳定的力量取决于肌体的稳定性，而不是）大而稳定的力量取决于肌体的稳定性，而不是肌肉的收缩。肌肉的收缩。（5）任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原）任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原理，以提高工效。理，以提高工效。2人用力的特殊情况人用力的特殊情况（1）肘关节肌肉群屈曲时所产生的力的大小，）肘关节肌肉群屈曲时所产生的力的大小，依赖于手的方向，当手掌面向肩部时，产生的力依赖于手的方向，当手掌面向肩部时，产生的力最大。最大。（2）人体发出的力，以坐在带固定靠背的椅子）人体发出的力，以坐在带固定靠背的椅子上，两脚蹬踩时产生的力最大。上，两脚蹬踩时产生的力最大。（3）提取重物时，必须用体重与负荷作对抗性）提取重物时，必须用体重与负荷作对抗性平衡。平衡。(4）坐姿作业难以向下用力。）坐姿作业难以向下用力。(5）头部与脊柱上端在保持平衡的情况下进）头部与脊柱上端在保持平衡的情况下进行操作最为有利。否则，易引起疲劳。行操作最为有利。否则，易引起疲劳。(6）指、腕、肘、肩关节依次活动时，指关）指、腕、肘、肩关节依次活动时，指关节力量最小，但精确性最高；肩关节力量节力量最小，但精确性最高；肩关节力量最大，但精确性最低。最大，但精确性最低。(7）用脚施加压力时，动作的精确性是通过）用脚施加压力时，动作的精确性是通过踝关节而不是以足跟运动来控制的。踝关节而不是以足跟运动来控制的。（二）影响人体作用力的因素（二）影响人体作用力的因素1、体重、体重体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个方面。方面。例如，在提取地上重物时，身体及头部随重物的被例如，在提取地上重物时，身体及头部随重物的被提起而向上移动提起而向上移动(抗重力抗重力)，体重提高了力的使用效，体重提高了力的使用效率，将物体放置在地面上率，将物体放置在地面上(向下用力向下用力)，站姿比坐姿，站姿比坐姿更好。更好。操作时应尽量避免将力耗费在不合理的动作和身体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。的运动上。图图5-5就说明了这一点。就说明了这一点。力的合理应用力的合理应用力的合理应用力的合理应用作业中动作要对称，避免因用力过度而破坏身体的稳定性；动作要有节奏，防止肢体过度减速而浪费能量；动作要自然，力求在最合适的肌肉和位置、最自然的关节，采取相应姿势尽量使体重发挥作用有些工作要求人的各种动作必须连续、准确、有力、及时，并使动作协调才能安全地完成一次，而由于运动速度不适，力量不够而造成事故是常有的事控制器应能承受静止肢体的重量，这一点对防止意外启动，保证安全和消除肢体静态作业非常重要。2、体位、体位操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定性对人体的作用也有一定的影响。性对人体的作用也有一定的影响。操作者立位作业的优势：操作者立位作业的优势：可以经常改变姿势，活动范围也大，站立时易用力；可以经常改变姿势，活动范围也大，站立时易用力；立位可适当地走动，有助于维持工作能力立位可适当地走动，有助于维持工作能力操作者立位作业的缺陷：操作者立位作业的缺陷：单调作业会引起生理性和心理性疲劳，立位又不易单调作业会引起生理性和心理性疲劳，立位又不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且肌肉进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且肌肉要做更多的功来维持体重，易引起疲劳。要做更多的功来维持体重，易引起疲劳。坐位则可以进行较长时间的精确而细致的工作，可坐位则可以进行较长时间的精确而细致的工作，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。须仰躺着工作。在设计人机系统时，应综合考虑操作的工作体位、在设计人机系统时，应综合考虑操作的工作体位、姿势的改变等。体位正确可减少静态疲劳，有利于姿势的改变等。体位正确可减少静态疲劳，有利于身体健康和保证工作质量，提高劳动生产效率和保身体健康和保证工作质量，提高劳动生产效率和保证安全。证安全。3、个体因素、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人力力量的弱的人的人力力量的68倍。倍。影响人体力量因素，如基因、人的尺寸、训练、动影响人体力量因素，如基因、人的尺寸、训练、动机、年龄和性别等。机、年龄和性别等。人在人在2535周岁时，力量达到最大值，在此以后，周岁时，力量达到最大值，在此以后，随着年龄的增长人体力量开始下降。随着年龄的增长人体力量开始下降。本节小结本节小结本章主要研究人体的力学特征，介绍人体各部分的力量、活动范围和速度和人体组织对于不同阻力所发挥出力量的数值，进而避免做无用功，确保人身安全和提高工作效率。人体操纵力特性和手、脚的操纵力肢体的动作速度与运动的准确度人体用力的原则及其影响因素 作业题作业题 在进行安全人机系统设计时，为了使动作速在进行安全人机系统设计时，为了使动作速度、频率和准确性、灵活性很好的结合，必度、频率和准确性、灵活性很好的结合，必须遵循哪些规律？须遵循哪些规律？影响人体作用力的因素有哪些？影响人体作用力的因素有哪些？举例说明不当的人体用力及其改进方法。举例说明不当的人体用力及其改进方法。