第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件

第三章

第三節(jié)人體生物力學特性本節(jié)內容：一人體各部分的操縱力二人體運動的速度與準確度三

人體用力及其影響因素

第三章

第三節(jié)人體生物力學特性本節(jié)內容：一

人體各部分的操縱力內容：（一）人體操縱力特性（二）手的操縱力（三）腳的操縱力一

人體各部分的操縱力內容：（一）人體操縱力特性骨—運動的杠桿關節(jié)—運動的樞紐肌肉—運動的動力（一）人體操縱力特性骨—運動的杠桿1、肌力肌力：肌肉的力量來自肌肉收縮肌肉收縮時產生的力稱為肌力。人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為0.01～0.02N，肌力是多條肌纖維的收縮力總和。女性的肌力比男性低20%-30%；慣用右手者右手肌力比左手高約10%；慣用左手者左手肌力比右手高約6%-7%。1、肌力肌力：肌肉的力量來自肌肉收縮

2操縱力

在作業(yè)中，為了達到操作效果，操作者有關部位（手、腳、軀干等）所施出的一定大小的力叫操作力。工作的操縱力主要是臂力、握力、指力、腿力或腳力，有時也用到腰力、背力等。立姿彎臂時的力量分布

2操縱力

在作業(yè)中，為了達到操作效果，操作者有關部

3影響操縱力的因素

操縱力與施力的人體部位、施力方向和指向（轉向），施力時人的體位姿勢、施力的位置、施力時對速度、頻率、耐久性、準確性的要求等多種因素有關。決定操縱力的因素：肌力、施力的姿勢、部位、方式和方向。

3影響操縱力的因素

操縱力與施力的人體部位、施力方向（二）手的操縱力1坐姿操縱力手臂操縱力的一般規(guī)律：（1）左手力量小于右手；（2）手臂處于側面下方時，推拉力都較弱，但其向上和向下的力較大；（3）拉力略大于推力；（4）向下的力略大于向上的力；（5）向內的力大于向外的力。坐姿時手臂的操縱力的測試方位（二）手的操縱力1坐姿操縱力坐姿時手臂的操縱

表3-1坐姿時手臂在不同方向上的操縱力

2立姿操縱力立姿操縱時，手臂在不同角度上的拉力和推力分布如圖3-3所示。2立姿操縱力立姿操縱時，手臂在不同角度上的拉力和推圖3-3立姿操作時手臂在不同角度上

的拉力和推力分布拉力推力圖3-3立姿操作時手臂在不同角度上

的拉力和推力分布拉力推

2立姿操縱力由圖可知，最大拉力產生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力則產生在肩的上方0°方向上。所以，以推拉形式操縱的控制裝置，安裝在這兩個部位時操縱力最大。2立姿操縱力由圖可知，最大拉力產生在肩的下方180

3握力一般人右手的握力大于左手。一般青年男子右手平均瞬時最大握力約為550N，左手約為421N。保持1min后，右手平均握力降到274N，左手降至244N?？梢?，握力與手的姿勢和施力持續(xù)時間有關。人們在勞動過程中，要使用各種手持工具進行操作，如鉗子、鑷子、鋤頭、斧頭等等。手持工具把柄的外形、大小、長短、重量以及制造材料除應滿足操作的要求外，還要符合操縱者的生理特點和生物力學特點，以減輕勞動強度。3握力一般人右手的握力大于左手。一般青年男子右手平

3握力在人機系統(tǒng)設計時，要考慮操作者的握緊強度。握緊強度是人能夠施加在手柄上的最大握緊力（可用測力計測量）。在設計手工工具、夾具和操縱機構時，都需考慮握緊強度的數值。年齡在30歲以上時，可用下式（5-1）近似計算手操縱的握緊強度。

式中

——手操縱握緊強度，N；——年齡，周歲。表5-2男女不同年齡段握力表5-3應用手柄操縱時最合適的力3握力在人機系統(tǒng)設計時，要考慮操作者的握緊強度。握手的操縱力與手動操縱器的布置由于手臂彎曲時，手在人的前方活動能發(fā)揮出較大的操縱力，所以操縱機構布置在操縱者的正前方可以得到最好的操縱。操作者站時臂伸直的最大拉力產生在180°的位置上，即產生在垂直向上拉的位置上。所以需要向上拉的操縱機構布置在下面能得到最大操縱力，操作者站立時臂伸直的最大推力產生在0°的位置上，即垂直向上推的位置上，但由于受空間、設備和人的習慣所限，不在此方向布置操縱機構。手的操縱力與手動操縱器的布置由于手臂彎曲時，手在人的前手的操縱力與手動操縱器的布置人在伸直前臂時向前推較向側面推所產生的力大一些，所以推力操縱的機構盡量布置在操作者的前面（即最佳位置）一般人在平穩(wěn)動作時，手臂所產生的最大操縱力可達800N，人在猛烈瞬間動作時，所產生的最大操縱力可達1000～1100N。正常情況下用手操縱時，操縱機構所需要的操縱力不應大于127～150N，否則不能持久工作，且極易出現(xiàn)疲勞，若在這種情況下，繼續(xù)堅持勞動，則可能導致事故發(fā)生。手的操縱力與手動操縱器的布置人在伸直前臂時向前推較向側（三）腳的操縱力在生產中，用腳操作的情況很多。最常見的是汽車的離合器踏板和剎車踏板，縫紉機踏板，加工機械（如沖床、蒸汽錘等）的腳踏控制裝置等。腳產生力的大小與下肢的位置、姿勢和方向有關。下肢伸直時腳所產生的力大于下肢彎曲時腳產生的力。坐姿有靠背支持時，腳可產生最大的力；立姿時，腳的用力比坐姿時用力大。（三）腳的操縱力在生產中，用腳操作的情況很多。最常（三）腳的操縱力一般坐姿時，右腳最大蹬力平均可達到2568N，左腳為2362N。據測定膝部伸展角在130°～150°或在160°～180°之間時，腿的出力最大，腳產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的程度有關圖5-4為腳在各個角度時出力及其比值。（三）腳的操縱力一般坐姿時，右腳最大蹬力平均可達到不同體位下腳的蹬力及在各個角度時的壓力比值不同體位下腳的蹬力及在各個角度時的壓力比值一般地說，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。表3-4為腳的操縱力比較。腳別屈曲力伸展力男女男女右腳左腳326299234209478421344299一般地說，在坐姿的情況下，腳的伸展力大于屈曲力，右腳的操縱力二人體運動的速度與準確度內容：（一）肢體的動作速度（二）人體運動的精度二人體運動的速度與準確度內容：

（一）肢體的動作速度肢體動作速度的大小，基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。肌肉收縮的速度取決于：1.中樞神經系統(tǒng)（根據需要時而使慢肌纖維收縮，時而使快肌纖維收縮，從而改變肌肉的收縮速度）2.肌肉收縮時所發(fā)揮的力量和阻力的大?。òl(fā)揮的力量愈大，外部阻力愈小，則收縮速度愈快）3.取決于動作方向和運動軌跡等特征（不同的動作特點對運動速度影響十分顯著，表5-5至5-7給出人體不同部位運動速度與頻率值）（一）肢體的動作速度肢體動作速度的大小，基本上取決于表3-5人體各部位運動速度與頻率限度動作速度或頻率數值單位手的運動控制操縱桿位移手指敲擊的最大頻率旋轉把手或駕駛盤身體轉動手控制的最大諧振截止頻率手的彎曲與伸直腳掌與腳的運動358.8～173～59.42～29.460.72～1.620.81.0～1.20.36～0.72cm·s-1cm·s-1次·s-1r·s-1次·s-1Hz次·s-1次·s-1表3-5人體各部位運動速度與頻率限度動作速度或頻率數值單

表3-6動作速度表動作部位動作特點動作一次最少的平均時間/s手

直線的

抓取動作

旋轉動作

曲線的

克服阻力

不克服阻力0.070.220.720.22腳直線的克服阻力的0.360.72腿直線的腳向側面0.360.72～1.45軀干彎曲傾斜0.72～1.621.26表3-6動作速度表動作部位動作特點動作一次最少的平表3-7人體各部分的最大頻率動作部位動作最大頻率/(次·min-1)動作部位動作最大頻率/(次·min-1)手手指前臂204～406360～431160～292臂腿腳99～344300～373330～400表3-7人體各部分的最大頻率動作部位動作最大頻率動作部位123456

人體軀干和肢體在水平面的運動比在垂直面的運動速度快。

垂直方向的操縱動作，從上往下的運動速度比從下往上的運動速度快。

水平方向的操縱動作，前后運動速度比左右運動速度快，旋轉運動比直線運動更靈活。順時針方向的操作動作比逆時針方向的操作動作，速度更快，更加習慣。一般人的手操縱動作，右手比左手快，而右手的動作，向右運動比向左運動快。向身體方向的運動比離開身體方向的運動，速度更快，但后者的準確性高。人體運動速度的規(guī)律123456人體軀干和肢體在水平面的運動比在垂直面的運動速（二）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精度主要考慮兩方面的內容，即具有視覺反饋的運動精度和沒有視覺反饋的運動精度。對于具有視覺反饋的運動精度，主要與運動時間有關。如果給予足夠的時間，運動精確性都會較高。對于沒有視覺反饋的運動精度的問題就要復雜一些，也是人機工程研究的重點。出現(xiàn)沒有視覺反饋的控制，可能是由于當時環(huán)境過于黑暗或者是由于當時人的關注點不在人的動作。還有一種情況是由于運動速度過快，無法利用視覺進行控制。（二）人體運動的精度通常，人體運動的精度比速度更為重要

盲目定位的準確性正前方盲目定位準確性最高；右方優(yōu)于左方；同一方位，下中方優(yōu)于上方。盲目定位的準確性正前方盲目定位準確性最高；右方優(yōu)于左方；同手臂運動方向對連續(xù)控制運動準確性影響水平方向，左右運動的準確性高；垂直方向，上下運動的準確性高。手臂運動方向對連續(xù)控制運動準確性影響水平方向，左右運動的準確不同控制操作方式對準確性影響不同控制操作方式對準確性影響有利于快速、準確動作的安全人機工程設計在進行安全人機系統(tǒng)設計時，為了使動作速度、頻率和準確性、靈活性很好的結合，必須遵循下面的規(guī)律：(1)人體勞動時，不論長時間或短時間的連續(xù)動作，都應在最有利的位置開始和結束。(2)操作者沿曲線的、直線的或不規(guī)則軌跡的動作，都應該讓操作者的動作從容不迫。(3)具有急劇改變方向的曲線或直線的動作，應該盡量采用流暢而連續(xù)的動作。(4)手在水平內動作比在垂直面內的動作要準確有利于快速、準確動作的安全人機工程設計在進行安全人機系統(tǒng)設計(5)人在工作時動作的次數應盡量減少，頻率應降低(6)一些重要的作業(yè)盡可能由一個人的動作完成。(7)最重要的和常用的裝置或工具應當放在最有利范圍之內。(8)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。(9)從一個操縱位置到另一個操縱位置的動作應當平穩(wěn)，不允許有跳躍式動作。(10)如果操作者不可避免地按不正確的軌跡動作時，應當考慮改變手的動作，這時采用直線形式的軌跡要靈活些。(5)人在工作時動作的次數應盡量減少，頻率應降低三

人體各部分的操縱力內容：（一）人體用力的原則（二）影響人體作用力的因素三

人體各部分的操縱力內容：（一）人體用力的原則1、人用力的一般原則（1）所有動作應該是有節(jié)律的，各個關節(jié)要保持協(xié)調，則可減輕疲勞。（2）在操作時，各關節(jié)的協(xié)同肌群與拮抗肌群的活動要保持平衡，才能使動作獲得最大的準確性。（3）瞬時用力要充分利用人體的質量作盡可能快的運動。（4）大而穩(wěn)定的力量取決于肌體的穩(wěn)定性，而不是肌肉的收縮。（5）任何動作必須符合解剖學、生理學和力學的原理，以提高工效。（一）人體用力的原則1、人用力的一般原則2．人用力的特殊情況（1）肘關節(jié)肌肉群屈曲時所產生的力的大小，依賴于手的方向，當手掌面向肩部時，產生的力最大。（2）人體發(fā)出的力，以坐在帶固定靠背的椅子上，兩腳蹬踩時產生的力最大。（3）提取重物時，必須用體重與負荷作對抗性平衡。(4）坐姿作業(yè)難以向下用力。2．人用力的特殊情況（1）肘關節(jié)肌肉群屈曲時所產生的力的大小(5）頭部與脊柱上端在保持平衡的情況下進行操作最為有利。否則，易引起疲勞。(6）指、腕、肘、肩關節(jié)依次活動時，指關節(jié)力量最小，但精確性最高；肩關節(jié)力量最大，但精確性最低。(7）用腳施加壓力時，動作的精確性是通過踝關節(jié)而不是以足跟運動來控制的。(5）頭部與脊柱上端在保持平衡的情況下進行操作最為有利。否則第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件第三章第三節(jié)人體生物力學特性=安全人機工課件（二）影響人體作用力的因素1、體重體重對人體作用力的發(fā)揮存在著有利和不利的兩個方面。例如，在提取地上重物時，身體及頭部隨重物的被提起而向上移動(抗重力)，體重提高了力的使用效率，將物體放置在地面上(向下用力)，站姿比坐姿更好。操作時應盡量避免將力耗費在不合理的動作和身體的運動上。圖5-5就說明了這一點。（二）影響人體作用力的因素1、體重力的合理應用力的合理應用力的合理應用作業(yè)中動作要對稱，避免因用力過度而破壞身體的穩(wěn)定性；動作要有節(jié)奏，防止肢體過度減速而浪費能量；動作要自然，力求在最合適的肌肉和位置、最自然的關節(jié)，采取相應姿勢盡量使體重發(fā)揮作用有些工作要求人的各種動作必須連續(xù)、準確、有力、及時，并使動作協(xié)調才能安全地完成一次，而由于運動速度不適，力量不夠而造成事故是常有的事控制器應能承受靜止肢體的重量，這一點對防止意外啟動，保證安全和消除肢體靜態(tài)作業(yè)非常重要。力的合理應用作業(yè)中動作要對稱，避免因用力過度而破壞身體的

2、體位操作者的體位（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對人體的作用也有一定的影響。操作者立位作業(yè)的優(yōu)勢：

可以經常改變姿勢，活動范圍也大，站立時易用力；立位可適當地走動，有助于維持工作能力操作者立位作業(yè)的缺陷：單調作業(yè)會引起生理性和心理性疲勞，立位又不易進行精確而細致的工作，不易轉換操作，而且肌肉要做更