第五章 人体力学

1、第第五五章章 人体力学人体力学第五章第五章 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统v5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统v5.2 静态肌肉施力静态肌肉施力v5.3 作业姿势作业姿势v5.4 人体的活动力量人体的活动力量5.1 5.1 人体的运动系统人体的运动系统人体的运动系统由骨骼、关节和肌肉三部分组成。人体的运动系统由骨骼、关节和肌肉三部分组成。一、肌肉一、肌肉 人体的肌肉主要分为骨骼肌、心肌和平滑肌三种类型。人体的肌肉主要分为骨骼肌、心肌和平滑肌三种类型。其中骨骼肌作为人体内数量最多的组织，约占体重的其中骨骼肌作为人体内数量最多的组织，约占体重的40%。 1、骨骼肌、骨骼肌 主要有肌腱和肌腹组成。主

2、要有肌腱和肌腹组成。 人体运动动作的主动力来源于骨骼肌。人体运动动作的主动力来源于骨骼肌。 5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统二、肌肉收缩的形式二、肌肉收缩的形式 根据肌肉收缩产生的张力和长度的变化，可以分为向心根据肌肉收缩产生的张力和长度的变化，可以分为向心收缩、离心收缩和等长收缩三种。收缩、离心收缩和等长收缩三种。1、向心收缩、向心收缩 肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力 外加阻力负荷，肌肉缩短。外加阻力负荷，肌肉缩短。 实现身体加速度的基础。实现身体加速度的基础。 肌肉做正功。肌肉做正功。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统2、离心收缩、离心收缩 肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力

3、 外加阻力负荷，肌肉拉长。外加阻力负荷，肌肉拉长。 实现制动、减速、克服重力的作用。实现制动、减速、克服重力的作用。 肌肉做负功。肌肉做负功。3、等长收缩、等长收缩 肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力 = 外加阻力负荷，肌肉长度不变。外加阻力负荷，肌肉长度不变。 实现支持、固定和保持某一姿势的作用。实现支持、固定和保持某一姿势的作用。 肌肉做功为零。肌肉做功为零。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统2、离心收缩、离心收缩 肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力 外加阻力负荷，肌肉拉长。外加阻力负荷，肌肉拉长。 实现制动、减速、克服重力的作用。实现制动、减速、克服重力的作用。 肌肉做负功。肌肉做负功。3

4、、等长收缩、等长收缩 肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力 = 外加阻力负荷，肌肉长度不变。外加阻力负荷，肌肉长度不变。 实现支持、固定和保持某一姿势的作用。实现支持、固定和保持某一姿势的作用。 肌肉做功为零。肌肉做功为零。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统4、负荷与肌肉收缩的关系（见、负荷与肌肉收缩的关系（见P93 图图5-4） 肌肉产生的张力和缩短速度之间呈反比关系。实践中，肌肉产生的张力和缩短速度之间呈反比关系。实践中，可用来确定最适合工作的最佳负荷或者是确定作业的最大爆可用来确定最适合工作的最佳负荷或者是确定作业的最大爆发力。发力。 其他条件不变情况下：其他条件不变情况下： 希望速度

5、较大，必须减少负荷；希望速度较大，必须减少负荷； 增加符合，必然降低作业速度；增加符合，必然降低作业速度；5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统二、骨骼二、骨骼 全身全身206块骨，约占体重的块骨，约占体重的20%。 1、骨骼的分类：、骨骼的分类： 所在部位：颅骨、躯干骨和四肢骨；所在部位：颅骨、躯干骨和四肢骨； 形态不同：长骨、短骨、扁骨和不规则骨。形态不同：长骨、短骨、扁骨和不规则骨。 2、骨的连接、骨的连接 分为分为直接连接直接连接和和间接连接间接连接两种形式。其中，间接连接又两种形式。其中，间接连接又叫关节。叫关节。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统3、关节、关节 关节

6、是骨和骨之间的功能性连接部分。关节是骨和骨之间的功能性连接部分。 分类：单轴关节、双轴关节和多轴关节。分类：单轴关节、双轴关节和多轴关节。 关节的运动形式：屈伸运动、内收外展、旋转运动和环转关节的运动形式：屈伸运动、内收外展、旋转运动和环转运动四种。运动四种。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统4、骨骼的受力形式、骨骼的受力形式 主要分为压缩负荷、弯曲负荷、拉伸负荷和扭转负荷主要分为压缩负荷、弯曲负荷、拉伸负荷和扭转负荷四种形式。四种形式。 骨骼承受压缩负荷的能力最强；骨骼承受压缩负荷的能力最强； 骨骼承受扭转负荷的能力最小。骨骼承受扭转负荷的能力最小。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌

7、肉与骨骼系统三、骨骼杠杆原理三、骨骼杠杆原理 人体运动的骨骼杠杆基本有人体运动的骨骼杠杆基本有平衡杠杆、省力杠杆平衡杠杆、省力杠杆和和速速度杠杆度杠杆三种形式。三种形式。1、平衡杠杆、平衡杠杆 支点位于重心点和力点之间。如支点位于重心点和力点之间。如P97图图5-9 a所示。所示。2、省力杠杆、省力杠杆 这种杠杆力臂大于阻力臂，因此省力。这种杠杆力臂大于阻力臂，因此省力。 如如P97图图5-9 b所示。所示。5.1 5.1 肌肉与骨骼系统肌肉与骨骼系统三、骨骼杠杆原理三、骨骼杠杆原理3、速度杠杆、速度杠杆 力点位于支点和重心点之间，力臂阻力臂，因而费力点位于支点和重心点之间，力臂阻力臂，因而费

8、力。人体内特别是肢体内大多是速度杠杆。力。人体内特别是肢体内大多是速度杠杆。 主要以力的消耗换取一定的运动速度。主要以力的消耗换取一定的运动速度。5.2 5.2 静态肌肉施力静态肌肉施力 肌肉施力的类型主要包含两种：肌肉施力的类型主要包含两种：静态肌肉施力静态肌肉施力和和的动的动态肌肉施力。态肌肉施力。一、动态肌肉施力一、动态肌肉施力 利用肌肉有节奏的收缩和舒张对物体进行交替施力和放利用肌肉有节奏的收缩和舒张对物体进行交替施力和放松。松。 在动态肌肉施力状态下的工作称为在动态肌肉施力状态下的工作称为动态作业动态作业。 节奏选择合理，动态作业可维持较长时间而不易疲劳。节奏选择合理，动态作业可维持

9、较长时间而不易疲劳。5.2 5.2 静态肌肉施力静态肌肉施力二、静态肌肉施力二、静态肌肉施力 主要依靠肌肉等长收缩产生的静态力量，维持身体的某主要依靠肌肉等长收缩产生的静态力量，维持身体的某种姿势。长时间的姿势维持必然要求肌肉的长时间等长收缩。种姿势。长时间的姿势维持必然要求肌肉的长时间等长收缩。 在静态肌肉施力状态下的工作称为在静态肌肉施力状态下的工作称为静态作业静态作业。 v 其他条件基本相同时，与动态作业相比，其他条件基本相同时，与动态作业相比，静态作业能静态作业能量消耗更大、体力恢复需要更长时间量消耗更大、体力恢复需要更长时间。5.2 5.2 静态肌肉施力静态肌肉施力二、静态肌肉施力二

10、、静态肌肉施力 1、常见的静态施力作业方式、常见的静态施力作业方式 长时间反复地向前或向两侧弯腰长时间反复地向前或向两侧弯腰 长时间的手持或抓握物体长时间的手持或抓握物体 长时间的双手前伸或手臂悬空抬起长时间的双手前伸或手臂悬空抬起 长时间的站立一个位置长时间的站立一个位置 推拉重物推拉重物 长时间高频率地使用一组肌肉长时间高频率地使用一组肌肉5.2 5.2 静态肌肉施力静态肌肉施力 2、静态施力作业的改善、静态施力作业的改善 原因：原因： 不良的作业姿势；不良的作业姿势； 长时间维持一种姿势；长时间维持一种姿势； 改善的关键：协调人机关系，使操作者可以采取较改善的关键：协调人机关系，使操作者

11、可以采取较随意的、可自由改变体态的作业方式。随意的、可自由改变体态的作业方式。 改善不合理的工具、设备和作业空间设计；改善不合理的工具、设备和作业空间设计； 保证操作者可自由变换体位；保证操作者可自由变换体位；5.3 5.3 作业姿势作业姿势 一、影响作业姿势的因素一、影响作业姿势的因素 与作业空间有关的条件；与作业空间有关的条件； 与工具设备有关的条件；与工具设备有关的条件； 与作业方法有关的条件；与作业方法有关的条件； 与作业区域有关的条件；与作业区域有关的条件； 与作业负荷的大小及用力方向相关的条件等；与作业负荷的大小及用力方向相关的条件等； 5.3 5.3 作业姿势作业姿势 二、人的肢

12、体活动范围二、人的肢体活动范围图图5-14 5-14 不同姿势的相对氧耗量不同姿势的相对氧耗量(a)仰卧100 (b)坐姿103105 (c)立姿108110 (d)跪姿130140 (e)弯腰150160 三、人体不同姿势的能耗三、人体不同姿势的能耗 如图所示：仰卧如图所示：仰卧-坐着坐着-站着站着-跪着跪着-弯腰弯腰 5.3 5.3 作业姿势作业姿势 四、作业姿势的设计原则四、作业姿势的设计原则 坐姿最好，坐坐姿最好，坐-立交替次之，立姿不得已而为之；立交替次之，立姿不得已而为之； 平衡姿势；平衡姿势； 可自由变换体位，保证舒适、自然，适当借用支撑物；可自由变换体位，保证舒适、自然，适当借

13、用支撑物； 电路板固定夹具改善前改善前改善后改善后图图5-8 5-8 插件作业（双手同时操作）插件作业（双手同时操作）改善前改善前改善后改善后图图8-9 8-9 带尾垫圈弯曲作业带尾垫圈弯曲作业返回工件焊丝电烙铁电烙铁工件焊丝固定操作台改善前改善前改善后改善后图图5-12 5-12 锡焊作业的改善锡焊作业的改善返回五、作业姿势的分析五、作业姿势的分析（1）立姿作业）立姿作业下列情况下应采用立姿操作：下列情况下应采用立姿操作： 需经常改变体位的操作；需经常改变体位的操作； 常用控制器分布在较大的区域；常用控制器分布在较大的区域； 没有容膝空间；没有容膝空间； 需要用力较大；需要用力较大； 单调易

14、引起疲劳的作业。单调易引起疲劳的作业。5.3 5.3 作业姿势作业姿势五、作业姿势的分析五、作业姿势的分析（1）立姿作业）立姿作业立姿操作的缺点：立姿操作的缺点：不易进行精确而细致的工作；不易进行精确而细致的工作；不易转换操纵；不易转换操纵；肌肉要做更多的功以维持体重，易引起疲劳；肌肉要做更多的功以维持体重，易引起疲劳；长期站立易引起下肢静脉曲张。长期站立易引起下肢静脉曲张。5.3 5.3 作业姿势作业姿势（2）坐姿作业）坐姿作业下列情况下应采用坐姿操作：下列情况下应采用坐姿操作： 持续时间较长的工作；持续时间较长的工作； 精确而细致的操作；精确而细致的操作； 需要手足并用的操作；需要手足并用

15、的操作；5.3 5.3 作业姿势作业姿势（2）坐姿作业）坐姿作业坐姿操作的缺点：坐姿操作的缺点： 作业过程中不易改变体位；作业过程中不易改变体位； 施力受到限制；施力受到限制； 工作范围有局限性；工作范围有局限性； 长期坐姿操作易引起脊柱弯曲等职业损伤。长期坐姿操作易引起脊柱弯曲等职业损伤。5.3 5.3 作业姿势作业姿势（3）坐）坐-立姿交替作业立姿交替作业优点：优点： 既可以解除立姿造成的下肢肌肉紧张，也可以放松坐着既可以解除立姿造成的下肢肌肉紧张，也可以放松坐着的腰部肌肉紧张；的腰部肌肉紧张； 比坐姿的工作范围大；比坐姿的工作范围大；缺点：缺点： 影响工作效率。影响工作效率。5.3 5.

16、3 作业姿势作业姿势六、作业姿势的设计要点：六、作业姿势的设计要点： 避免静态肌肉施力；避免静态肌肉施力； 避免弯腰提起重物；避免弯腰提起重物；5.3 5.3 作业姿势作业姿势避免静态施力的设计要点如下：避免静态施力的设计要点如下： 1.避免弯腰及其它不自然的姿势，见避免弯腰及其它不自然的姿势，见图图5-21图图5-23。2.避免长时间抬手作业，见避免长时间抬手作业，见图图5-24。3.坐姿工作比立姿工作省力。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对称。双手作业时，手的运动方向相反或对称。5.作业位置与视距的关系，见作业位置与视距的关系，见图图5-25。6.常用工具、零件、

17、材料应按使用频率安放在操作者附近。常用工具、零件、材料应按使用频率安放在操作者附近。7.手在较高位置作业时，应增设支承物。手在较高位置作业时，应增设支承物。8.利用重力作用，见利用重力作用，见图图5-26。9.通过产品设计减少静态施力（改善搬运工效的示例，见通过产品设计减少静态施力（改善搬运工效的示例，见图图5-27，图图5-28）。）。5.3 5.3 作业姿势作业姿势避免弯腰提重物：避免弯腰提重物： 脊柱形态，如脊柱形态，如图图5-29。脊柱承受的重量负荷由上至。脊柱承受的重量负荷由上至下逐渐增大，第下逐渐增大，第5块腰椎处负荷最大。块腰椎处负荷最大。 直腰弯膝和弯腰直膝两种不同姿势提起重物

18、时，对直腰弯膝和弯腰直膝两种不同姿势提起重物时，对腰部负荷的影响不同，如腰部负荷的影响不同，如图图5-30。5.3 5.3 作业姿势作业姿势一、手部力量一、手部力量1、握力、握力2、手的操纵力、手的操纵力坐姿坐姿立姿立姿卧姿卧姿常见手部操作动作及力量极限常见手部操作动作及力量极限3、脚的力量、脚的力量5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量 握力的大小反映手的用力大小，握力的大小反映手的用力大小，常用握力大小的测量来挑选操作者常用握力大小的测量来挑选操作者或对操作者的用力状况加以评定。或对操作者的用力状况加以评定。图图1 1 自行车的刹车自行车的刹车5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动

19、力量（2 2）手的操纵力）手的操纵力坐姿手操纵力坐姿手操纵力规律：规律： 右手力量大于左手；右手力量大于左手； 拉力大于推力；拉力大于推力； 向下的力略大于向上的力；向下的力略大于向上的力； 向内的力略大于向外的力。向内的力略大于向外的力。图图 坐姿工作时不同角度的臂力测定坐姿工作时不同角度的臂力测定5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量立姿手操纵力立姿手操纵力规律：手臂的规律：手臂的最大拉力最大拉力产生在肩的下方产生在肩的下方180180的方位上，手的方位上，手臂臂 的的最大推力最大推力则产生在肩的上方则产生在肩的上方0 0方向上。方向上。 a a、最大拉力、最大拉力 b b、最大推力

20、、最大推力5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量卧姿手操纵力卧姿手操纵力 下图不同肘角伸臂的臂力测定。下图不同肘角伸臂的臂力测定。图图5 5 卧姿时不同肘角伸臂的臂力测定卧姿时不同肘角伸臂的臂力测定5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量图图4 4 立姿弯臂时的力量分布立姿弯臂时的力量分布 5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量常见手部操纵动作及其力量极限常见手部操纵动作及其力量极限图图6 6 常见手部操作动作及其力量极限推荐值（单位常见手部操作动作及其力量极限推荐值（单位 9.8N9.8N）5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量 2 2、脚部力量、脚部力量 一般坐姿时，

21、右脚最大蹬力平均可达一般坐姿时，右脚最大蹬力平均可达2568N,2568N,左脚为左脚为2362N2362N；膝部伸展角度在膝部伸展角度在130130150150或或160160180180之间时，脚蹬力最大。之间时，脚蹬力最大。 脚力控制器的操纵力最大不应超过脚力控制器的操纵力最大不应超过264264N N。 操作频繁的作业应考虑操作频繁的作业应考虑 双脚交叉作业双脚交叉作业。图图7 7 蹬力较大的脚操纵器作业蹬力较大的脚操纵器作业5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量图图8 8 坐姿的蹬力及在各个角度时的压力比值坐姿的蹬力及在各个角度时的压力比值 5.4 5.4 人体的活动力量人体的活动力量图图5-29 5-29 脊柱的形状及组成脊柱的形状及组成返回图图5-30 5-30 直腰与弯腰提起重物示意图