骨科人体生物力学与施力特征分析

1、v 骨骨运动的杠杆运动的杠杆v 关节关节运动的枢纽运动的枢纽v 肌肉肌肉运动的动力运动的动力 三者在三者在神经系统的神经系统的支配和调节支配和调节下协调一致下协调一致，随着人的，随着人的意志，共同意志，共同准确地完成准确地完成动作。动作。 （1 1）支撑人体）支撑人体 （2 2）保护内脏）保护内脏 （3 3）运动的杠杆）运动的杠杆 （4 4）造血）造血 （5 5）储备矿物盐：主要是磷）储备矿物盐：主要是磷 和钙等。和钙等。 根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点）根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点）三者不同的位置分布，分为：见图三者不同的位置分布，分为：见图5 5- -1 1（1 1）平衡

2、杠杆）平衡杠杆 （2 2）省力杠杆）省力杠杆（3 3）速度杠杆：用力大，但运动速度快）速度杠杆：用力大，但运动速度快v 由等功原理，得之于力则失之于幅度由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑这一原理。矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑这一原理。返回返回 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列统被

3、看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工作环境中的危险并尽量避免这些危险。作环境中的危险并尽量避免这些危险。生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上：生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上：（1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态；静止状态；（2）物体的加速度跟所受的合外

4、力大小成正比；）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比；（3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。相等，方向相反，作用在一条直线上。 当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的外力的力矩之和为零。外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型）单一部位的静止平面模型（又称为二维模型），通常指的是

5、在一个平面上分析身体的受力情况。，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动就处于静止状态。就处于静止状态。 单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。（肘部受力）（肘部受力）=0 （5-3） （肘部总力矩）（肘部总力矩）=0 （5-4）（L5/S1腰骶间盘力矩）腰骶间盘力矩）=0 （5-7）（L5/S1

6、腰骶间盘受力）腰骶间盘受力）=0 （5-8） 解得腰骶间盘所受的压解得腰骶间盘所受的压力达到力达到5458N，大多数工，大多数工人的腰骶间盘都无法承受人的腰骶间盘都无法承受这个压力水平。这个压力水平。 主要因素：主要因素：货物的重力货物的重力和和货货物的位置到脊柱重心的距离物的位置到脊柱重心的距离。其它因素还有：其它因素还有：躯体扭转的角躯体扭转的角度、货物的大小和形状、货物度、货物的大小和形状、货物移动的距离移动的距离等。等。 骨与骨之间除了由关节相连外，还由骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带肌肉和韧带联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增

7、加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成损伤。损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。表适调节范围内。表5-1为人体重要活动范围和身体各为人体重要活动范围和身体各部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考相应的示意图相应的示意图5-4。10.下摆、上摆下摆、上摆重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围重要活动范围和身体各部舒适姿

8、势的调节范围主要关节活动范围在设计中的应用实例主要关节活动范围在设计中的应用实例开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置（a）挖沟作业示意图）挖沟作业示意图（b）开渠机驾驶舱（正视图）开渠机驾驶舱（正视图）（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势）开挖沟渠作业时操作人员的姿势（1）操作手柄的布）操作手柄的布置要使人在操作时置要使人在操作时的各个关节在舒适的各个关节在舒适的调节范围内。的调节范围内。（2）在机器的纵向）在机器的纵向布置上，要方便操作布置上，要方便操作者观察。减少颈部和者观察。减少颈部和腰部的疲劳。腰部的疲劳。：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉的力量来自肌肉收

9、缩，肌肉收缩时产生肌肉收缩时产生的力称为肌肉力。的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为人的一条肌纤维所发挥的力量约为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。人体人体肌肉的生理特征。肌肉的生理特征。见见表表5-25-2：在作业中，为了达到操作效果，操作者有在作业中，为了达到操作效果，操作者有关部位（手、脚、躯干等）所施出的一定大小的力。关部位（手、脚、躯干等）所施出的一定大小的力。v 决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是只有在这

10、些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是操纵力设计的依据。操纵力设计的依据。表表5 52 2 身体主要部位肌肉所产生的力（单位：身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N N，20203030岁）岁）返回返回结论：女性的肌力比男性低结论：女性的肌力比男性低20%30%，右手比左手强，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，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6%7%。v（）（）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分布；如布；如图图5 5-5-5。v（）（）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉力和推力

11、的分布；如图力和推力的分布；如图5-65-6。v（）（）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力；如图拉力；如图T1T1，如表，如表5-35-3。v（）（）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图如图57(a)57(a)和和5-7(b5-7(b）。）。v注注: :肢体所施力量的大小，与持续时间有关肢体所施力量的大小，与持续时间有关. . 如图如图T3T3和图和图T4T4图5-5 立姿弯臂时的力量分布立姿弯臂时的力量分布180 可知大约在可知大约在7070处处可达最大值，即产生相可达最大值，即产生相当于体重的力量。这正当于

12、体重的力量。这正是许多操纵机构（例如是许多操纵机构（例如方向盘）至于人体正前方向盘）至于人体正前上方的原因所在。上方的原因所在。返回返回拉力拉力推力推力返回返回最大拉力产生在最大拉力产生在180位置上位置上。最大推力产生在最大推力产生在0位置上位置上。返回返回手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N N）返回返回结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力大于向外用力。大于向外用力。返回返回 最大蹬力最大蹬力一般在膝部一般在膝部屈曲屈曲160时时产生。产生。 下肢向外下肢向外偏转约偏转约1

13、0时的蹬力最时的蹬力最大。大。图图T3T3图图T4T4结论：由最大值衰减到结论：由最大值衰减到1/4，只需要，只需要min，操作力最大肌力的操作力最大肌力的20，不容易疲劳不容易疲劳,操作力最大肌力的操作力最大肌力的15,操作可无限持续。操作可无限持续。返回返回v肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% 30% 35%35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在2020岁岁之前是不断增长的，之前是不断增长的，2020岁左右达到顶峰，这种状态大约岁左右达到顶峰，这种状态大约可以保持可以保持10151015

14、年，随后开始下降。年，随后开始下降。v此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素，作业此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素，作业姿势设计时，必须考虑这一要素。图姿势设计时，必须考虑这一要素。图5-85-8表示人体在表示人体在不同姿势下的施力状态，图中（不同姿势下的施力状态，图中（a a）为常见的操作姿）为常见的操作姿态，其对应的施力数值见表态，其对应的施力数值见表5-45-4，施力时对应的移动，施力时对应的移动距离见表距离见表5-5.5-5. 图图5-8（b）为常见的活动姿态，其对应的）为常见的活动姿态，其对应的实力大小见表实力大小见表5-6，施力时相应的移动距离已标，施力时相应的移动距离已

15、标注在该图中。注在该图中。补充材料补充材料1：影响人体能的因素：影响人体能的因素2.2.、动作速度、动作速度 (1) (1)肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉，肌力、肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉，肌力、阻力；阻力； (2) (2)动作方向和动作轨迹等特征动作方向和动作轨迹等特征( (动作特征）动作特征）2.2.、动作频率、动作频率 取决于动作部位和动作方式。取决于动作部位和动作方式。参阅表参阅表B B- -1 1。2.32.3、人体动作的灵活性、人体动作的灵活性：是指操作时动作速度和频率，由人体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、短的部位比长的的生物

16、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。时，应当充分考虑人体动作灵活性的特点。参阅表参阅表B-5表表B B1 1 人体各部位动作速度与频率限度人体各部位动作速度与频率限度返回返回返回返回人的信息输出方式人的信息输出方式：语言输出、运动输出。语言输出、运动输出。运动输出的质量指标运动输出的质量指标：反应时间、运动速度和准确性反应时间、运动速度和准确性。v 反应时间（反应时间（ RTRT）: :又称为反应潜伏期，它是

17、指刺激和反应又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应的时间的时间间隔间隔。它由反应知觉时间（。它由反应知觉时间（t tz z）和动作时间（和动作时间（t td d）组组成。成。 即即 RT=tRT=tz z+t+td d简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间（1 1）不同的感觉器官简单反应的时间不同；）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。参阅表以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表3-3-1 1。（2 2）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间不同；）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间不同；（3 3）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部

18、位反应时）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部位反应时间不同。间不同。 人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的，人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的，见表见表3-23-2。 对于同一种性质的刺激来说，一般情况是对弱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。参阅表时，反应时间短。刺激方式影响反应时间。参阅表3-3-3 3。 “不可减的最少限不可减的最少限”：反应时间不再减少的刺激强：反应时间不再减少的刺激强度增量的上限值。度增量的上限值。（1 1）信号与背景的亮度、颜色、信

19、噪比及频率）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；的对比程度越强，反应时间越短；（2 2）刺激信号的刺激时间；参阅表）刺激信号的刺激时间；参阅表3-3-4 4 （3 3）刺激的数目、颜色；）刺激的数目、颜色；表表3-3-5 5 B B （4 4）显示器及操纵器的设计。）显示器及操纵器的设计。 习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生理、心理状况。理、心理状况。 年年 龄龄202030304040505060反应时间相对值反应时间相对值100100104104112112116116161161感觉器官感觉器官反应时间（反应

20、时间（ms）触觉触觉110-160听觉听觉120-160视觉视觉150-200冷觉冷觉150-230温觉温觉180-240嗅觉嗅觉210-390痛觉痛觉400-1000味觉味觉330-1100返回返回刺 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返回返回表表3-3-3 3 不同强度刺激的反应时间不同强度刺激的反应时间返回返回光刺激持续时间36122448反 应 时 间191189187184184刺激选择数目反应时间（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回返回要

21、辨 别要 辨 别的刺激的刺激白和黑白和黑红和绿红和绿红和黄红和黄红和橙红和橙红 和 橙红 和 橙（加（加25%25%红）红）红 和 橙红 和 橙（加（加50%红）红）红 和 橙红 和 橙（加（加75%红）红）1 0 和和1 3 m m线段线段1 0 和和12.5mm线段线段平 均 反平 均 反应 时 间应 时 间（ms）197208217246252260271296298要 辨 别要 辨 别的刺激的刺激1 0 和和12mm线段线段10和和11.5mm线段线段1 0 和和1 1 m m线段线段1 0 和和10.5mm线段线段相差相差16Hz纯纯音音相差相差12Hz纯纯音音相差相差8 H z 纯

22、纯音音相差相差4 H z 纯纯音音平 均 反平 均 反应 时 间应 时 间（ms）305313324345290299311334 返回返回 1. 1. 动作特点动作特点 表表3-3-6 6 2. 2. 目标距离目标距离：距离增加距离增加，T Td d增长，宽度增加，增长，宽度增加， T Td d缩短。缩短。 3. 3. 运动方向运动方向 图图3-3-1 1 图图3-23-2 4. 4. 动作轨迹特征动作轨迹特征 5. 5. 负荷重量负荷重量：最大运动速度与负荷重量成反比。：最大运动速度与负荷重量成反比。 用完成动作的时间来评定（用完成动作的时间来评定（T Td d）1其其他他功功能能2345

23、6 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，从上往下的往下的运动速运动速度比从度比从下往上下往上的运动的运动速度快速度快。 水平方水平方向的操向的操纵动作纵动作，前后，前后运动速运动速度比左度比左右运动右运动速度快速度快，旋转，旋转运动比运动比直线运直线运动更灵动更灵活。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，速度更快，更快，更加习更加习惯。惯。一般人一般人的手操的手操纵动作纵动作，右手，右手比左手比左手快，而快，而右手的右手的动作

24、，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。返回返回动作部位动作特点最少平均时间/s手抓取直线的曲线的0.070.070.220.22旋转克服阻力不克服阻力0.720.720.220.22脚直 线 的克服阻力的0.360.360.720.72腿直 线 的脚 向侧 面0.360.360.720.721.461.46躯干弯 曲倾 斜0.720.721.621.621.261.26返回返回出手距离（cm）204060平 均 反 应 时 间（ms）52559667

25、0标准差（ms）507174返回返回图图3 3- -1 1 返回返回图图3-3-2 2 返回返回1234运动时间、运动类型、运动方向、操作方式运动时间、运动类型、运动方向、操作方式速度越慢，速度越慢，准确性越高准确性越高 见见图图3-3正前方盲目定位正前方盲目定位准确性最高；右准确性最高；右方优于左方；同方优于左方；同一方位，下中方一方位，下中方优于上方。优于上方。水平方向，左水平方向，左右运动；右运动；垂直方向，上垂直方向，上下运动；下运动；见图见图3-6见图见图3-4见图见图3-5图图3 3- -3 3 返回返回图图3 3- -4 4 返回返回返回返回图图3 3- -6 6 返回返回v5.4.1 避免静态肌肉施力避免静态