第3-3人體生物力學(xué)特性

第3-3人體生物力學(xué)特性1圖

人體骨杠桿

人體活動范圍最有利范圍：是指可使人在既達到動作目的同時又保證了人的工作輕松、舒適、不疲勞的最佳效果的人體活動范圍，亦稱順手可及活動范圍。施加的操縱力不大的、使用頻率很高的、極重要的操作裝置應(yīng)安裝在此范圍內(nèi)。正常范圍：是指人體一般活動均在此活動范圍內(nèi)進行，如上肢相對于不動的肩膀在肘關(guān)節(jié)彎曲時外切弧的范圍。一般常用的又重要的操作裝置應(yīng)安裝在此范圍內(nèi)。

最大可及范圍：是指肢體長時間處于最大限度伸直狀態(tài)的活動范圍。不常用的費力很大的操作裝置應(yīng)安裝在此范圍內(nèi)。

圖

人體各部位活動范圍示意圖返回分析身體的各個部位能得出相關(guān)關(guān)節(jié)和肌肉的受力情況，如一個人前臂平舉、雙手拿起20Kg的物體，此狀態(tài)的受力情況如下圖所示：前臂和手的生物力學(xué)模型在舉起重物工作中，脊柱的作用力大小受很多因素的影響，主要考慮影響最顯著的兩個因素——貨物的重力和貨物的位置到脊柱重心的距離。舉物時腰部生物力學(xué)模型一、人體各部分的操縱力操縱力是指操作者在操作時為達到操作的目的所付出的一定數(shù)量的力。肢體的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時所產(chǎn)生的力稱為肌力。在操作活動中，肢體所能發(fā)揮的力量大小除了取決人體肌肉的生理特征外，還與施力姿勢、施力部位、施力方式和施力方向有密切關(guān)系。圖

立姿彎臂時的力量分布

2、手的操縱力(1)坐姿操縱力

坐姿時不同角度上臂力測試如圖3-9所示，其測量結(jié)果見表3-14。(2)立姿操縱力

立姿操作時，手臂在不同角度上的拉力和推力分布，如圖3-10所示(3)握力

男女不同年齡段握力，見表3-15

(4)拉力與推力(5)扭力和提力

應(yīng)用手柄操縱時最合適的力，見表3-16圖3-9坐姿操縱力側(cè)視圖（a）側(cè)視圖（b）俯視圖

表3-14坐姿時手臂在不同方向上的操縱力

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向內(nèi)側(cè)向外側(cè)60709070809090100809040405050606070707080圖3-10立姿操作時手臂在不同角度上的拉力和推力分布表3-15男女不同年齡段握力

性別年齡握力（N）最小值最大值標(biāo)準值男1618202325274324344373379480529556579585343～441392～460418～487442～510448～516女1618202325202211218226230314332330338343239～276248～285256～293264～301268～305表3-16應(yīng)用手柄操縱時最合適的力

手柄距地高度（mm）左手最適合的用力（N）右手最適合的用力（N）向上向下向側(cè)方向上向下向側(cè)方500～650140704012012030650～105012012060100100401050～14008080606060401400～16009014040406030圖

人體不同姿勢的施力3、腳的操縱力腳產(chǎn)生力的大小與下肢的位置、姿勢和方向有關(guān)。腳產(chǎn)生的操縱力一般都是以壓力的形式出現(xiàn)，壓力的大小隨著腳離開人體中心對稱線向外偏轉(zhuǎn)的程度有關(guān)。（見圖3-11）一般地說，在坐姿的情況下，腳的伸展力大于屈曲力；右腳的操縱力大于左腳的操縱力；男的腳力大于女的腳力。（見表3-17）

圖3-11

不同體位下腳的蹬力及在各個角度時的壓力比值

表3-17腳的操縱力比較腳別屈曲力/N伸展力/N男女男女右腳326234478344左腳299209421299二、人體活動的速度與準確度

1、肢體的動作速度

肢體動作速度的大小，基本上決定于肢體肌肉收縮的速度對于操作動作速度，還取決于動作方向和動作軌跡等特征人的無條件反應(yīng)時間為0.1～0.15s,聽覺反應(yīng)為0.1～0.2s,手指叩擊速度1.5～5次／s，判斷時間為1～5s。

動作頻率是指在一定時間內(nèi)動作所重復(fù)的次數(shù)。肢體的動作頻率也取決于動作部位和動作方式(見下表)表

人體各部位動作速度與頻率限度項目

動作速度或頻率數(shù)值單位手的運動35cm/s控制操縱桿位移8.8～17cm/s手指敲擊的最大頻率3～5次/s旋轉(zhuǎn)把手或駕駛盤9.42～29.46r/s身體轉(zhuǎn)動0.72～1.62次/s手控制的最大諧振截止頻率0.8Hz手的彎曲與伸直1.0～1.2次/s腳掌與腳的運動0.36～0.72次/s表3-19動作速度表

在操作系統(tǒng)設(shè)計時，對操作速度和頻率的要求不得超出肢體動作速度和頻率的能力限度。(見表3-19，表3-20)

動作部位動作特點最少平均時間/s手抓取動作直線0.07曲線0.22旋轉(zhuǎn)動作克服阻力0.72不克服阻力0.22腳直線0.36克服阻力0.72腿直線0.36腳向側(cè)面0.72～1.45軀干彎曲0.72～1.62傾斜1.26表3-20人體各部分動作的最大頻率動作部位動作的最大頻率（次/min）手204～406手指360～431前臂160～292臂99～344腿300～373腳330～400人體動作的靈活性改變操縱方向時，圓形軌跡比直線軌跡靈活。手向著身體比離開身體的動作靈活而準確前后往復(fù)比左右往復(fù)動作的速度大。最大動作速度與被移的負載的重量成正比，而達到最大速度所需要的時間與被移動的負載成正比人體較短部位的動作比較長部位的動作靈活；人體較輕部位的動作比較重部位的動作靈活；人體體積較小部位動作比較大部位動作靈活。

進行安全人機系統(tǒng)設(shè)計時，為使動作速度、頻率和準確性、靈活性很好地結(jié)合，須遵循的規(guī)律：

⑴勞動時，不論連續(xù)動作時間長短，都應(yīng)在最有利的位置開始和結(jié)束。⑵沿曲線的、直線的或不規(guī)則軌跡的動作，都應(yīng)該讓操作者的動作從容不迫。⑶具有急劇改變方向的動作，應(yīng)盡量采用流暢而連續(xù)的動作。⑷手在水平內(nèi)動作比在垂直面內(nèi)的動作要準確。⑸工作時的動作次數(shù)應(yīng)盡量減少，頻率應(yīng)降低。⑹重要作業(yè)盡可能由一個人的動作完成。⑺最重要和常用的裝置或工具應(yīng)當(dāng)放在最有利范圍之內(nèi)。⑻操縱者的操縱動作，按適宜的半徑作圓周運動比沿直線運動好。⑼從一個操縱位置到另一個操縱位置的動作應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，不允許有跳躍式動作。⑽如果操作者不可避免地按不正確的軌跡動作時，應(yīng)當(dāng)考慮改變手的動作，這時采用直線形式的軌跡要靈活些。2人體運動的精度通常,人體運動的精度比速度更為重要人體運動的精度主要考慮2個方面的內(nèi)容(1)具有視覺反饋的運動精度(2)不具有視覺反饋的運動精度三、影響人體作用力的因素

1、體重

體重既有利于操縱，又有不利于操縱的，操作時應(yīng)盡量避免將力耗費在不合理的動作和身體的運動上。體重對操作既有好處也有壞處，應(yīng)該取其有利的一面，采取相應(yīng)姿勢盡量使體重發(fā)揮作用。（見圖3-13）圖3-13力的應(yīng)用（甲）圖3-13力的應(yīng)用（乙）

2、體位

操作者的體位（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對人的作用力也有一定的影響。立位作業(yè)可以經(jīng)常改變操作的姿勢，活動范圍大，易于用力，但單調(diào)作業(yè)會引起疲勞立位可適當(dāng)?shù)刈邉?，有助于維持工作能力，但立位不易進行精確而細致的工作，不易轉(zhuǎn)換操作，而且肌肉要作更多的功用以維持體重，易引起疲勞。坐位則可以進行較長時間地精確而細致的工作，可以手足并用，但是坐位作業(yè)則不易改變姿勢，用力受限制，工作范圍受局限，久坐會導(dǎo)致生理性疲勞躺位操作易疲勞，汽車修理工修理汽車時就有時必須仰躺著工作。3、個體因素不同人的力量相差很大，強壯的人的人體力量是虛弱的人的力量的6～8倍。影響人體力量的因素有基因、人的尺寸、訓(xùn)練、動機、年齡、性別等。人在25～35周歲時，力量達到最大值，在此以后，隨著年齡的增加人體力量開始下降。合理施力的設(shè)計思路

設(shè)計要點如下：避免彎腰及其它不自然的姿勢，見圖5-9（a）避免長時間抬手作業(yè)，見圖5-9（b）坐姿工作比立姿工作省力雙手作業(yè)時，手的運動方向相反或不對稱作業(yè)位置與視距的關(guān)系，見圖5-10常用工具、零件、材料