安全课件人体生物力学

人机学基础

——人体生物力学特性

制作：孟现柱mengxz12@一、人体生物力学的一般知识

运动系统中的骨骼、关节和肌肉在神经系统支配下，使人体各部分完成一系列的运动。（一）骨骼

1）人体骨骼全图骨骼由颅骨、躯干骨、四肢骨三部分组成，是人体内部的支撑结构。人体全身约有206块骨，可分为头颅骨、上肢骨、下肢骨、躯干骨、脊椎骨等。（一）骨骼

2）人体骨骼强度1、在一定范围内，骨的应力一应变关系是线性的，服从虎克定律。2、骨的密度比钢小得多，其各方向的强度也不如钢的大，但比花岗岩和洋松要高得多，具有强度高、重量轻的特点。3、人体各部位骨的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗扭强度最小。这对人体负重、搬运的研究和受力设计具有特别意义。（一）骨骼

3）骨的功能(1)骨构成体腔的壁，如头颅腔、胸腔、腹腔、盆腔等，以保护大脑、心、肺、肝、胆、脾胃、肾、肠及生殖器官等人体内脏。(2)骨之间由关节连接构成骨骼，形成人体支架，支撑人体全身的重量，支撑人体的肌肉、皮肤、内脏一器官等软组织，骨骼与肌肉一块共同维持人体的外部形态。使人成为具有一定高度、宽度、厚度的实体。(3）骨骼的骨髓腔和松质的腔隙中充填着骨髓，骨髓除具备造血功能外还是体内脂肪、钙、磷的储备仓库。(4）肌肉在神经系统支配下产生收缩时，牵动着骨围绕着关节活动，使人体产生各种动作。因此，骨是人体活动的杠杆。（一）骨骼

4）骨杠杆在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是力源，肌肉一与骨的附着点称为力点，作用于骨上的阻力（如操纵力、体重等）的作用点称为重点（即阻力点）。（一）骨骼

4）骨杠杆人体活动中主要的骨杠杆形式：（1）平衡骨杠杆。人体支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调节头的姿势的运动。（一）骨骼

4）骨杠杆（2）速度骨杠杆，力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘的运动，此类杠杆的运动在人体中较常见。（一）骨骼

4）骨杠杆(3)省力骨杠杆。此类骨杠杆的重点位于力点与支点之间，例如足跟踩关节的运动。由于杠杆中力与运动速度（或幅度范围）是矛盾的。因此，在人机系统操纵设计时，应充分考虑这一原理。（二）关节关节起骨间连接且能活动的作用。根据关节的活动范围，关节分为：球窝关节（可一个方向旋转，如肩关节和髋关节），滑车关节（只能向前或向后旋转，肘关节和指关节），微动关节（只能允许平面间或往返的运动，脊椎骨间关节）。（二））关节节关节的的连接接（1））直接接连接接：骨骨与骨骨直接接借助助于结结缔组组织、、软骨骨或骨骨连接接，活活动范范围小小或不不能活活动。。（2））间接接连接接：骨骨与骨骨借助助于膜膜性囊囊连接接，有有较大大的活活动范范围。。（三三））人人体体肌肌肉肉人体体的的各各种种动动作作，，都都是是在在神神经经系系统统的的调调控控下下，，由由肌肌肉肉的的收收缩缩和和舒舒张张带带动动骨骨、、关关节节运运动动而而实实现现的的。。全身身肌肌肉肉分分平平滑滑肌肌、、心心肌肌和和骨骨骼骼肌肌(横横纹纹肌肌，，有有639块块，，可可分分为为慢慢缩缩红红肌肌、、快快缩缩红红肌肌与与快快缩缩白白肌肌三三大大类类。。如如果果用用力力较较为为轻轻微微，，则则仅仅有有慢慢缩缩红红肌肌参参与与收收缩缩；；随随着着骨骨胳胳肌肌用用力力强强度度的的增增加加，，快快缩缩红红肌肌与与快快缩缩白白肌肌才才分分别别参参与与收收缩缩。。)。。肌肉肉内内分分布布着着血血管管和和神神经经，，负负责责调调节节肌肌肉肉的的收收缩缩和和舒舒张张供供给给肌肌肉肉营营养养，，促促进进代代谢谢和和发发育育。。（三三））人人体体肌肌肉肉肌肉肉拉拉伤伤指指肌肌肉肉主主动动强强烈烈的的收收缩缩或或被被动动过过度度的的拉拉长长所所造造成成的的肌肌肉肉细细微微损损伤伤或或部部分分撕撕裂裂或或完完全全断断裂裂。。肌肉萎缩缩指骨骼骼肌体积积的缩小小，可由由于肌纤纤维变细细或消失失，是许许多神经经肌肉疾疾病的重重要症状状和体征征。二、人体体各部分分的操纵纵力（（一））手的操操纵力手操纵力力的大小小与人体体姿势、、着力部部位、用用力方向向和用力力方式都都有关系系。（一）手手的操纵纵力(1)坐坐势操纵纵时的手手操纵力力手手臂臂操纵力力的一般般规律是是：左手手的力量量小于右右手；拉拉力大于于推力；；手臂处处于侧下下方时，，推、拉拉力量都都较弱；；手臂处处于正下下方时，，其向上上和向下下的力量量都较大大，且向向下的力力量大于于向上的的力量。。手臂的角度拉力推力左手右手左手右手向后向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向内侧向外侧180609040601507090407012090100507090708050706080906080不同角度度和方向向的操纵纵力数值值（一）手手的操纵纵力(2)站站姿操作作时的手手操纵力力站站立立操作姿姿势时，，手臂的的最大拉拉力产生生在肩的的下方1800和肩的上上方00的方向上上。同样样，推力力最大的的方向是是产生在在肩的上上方00方向上。。所以，，以推拉拉形式操操纵的控控制装置置，安装装在这两两个部位位时将得得到最大大的操纵纵力。（一）手手的操纵纵力(3)握握力一一般人的的右手握握力约380N，左手手握力约约350N。但但是，一一般青年年男子右右手瞬时时最大握握力有560N，左手手有430N。。握力与与手的姿姿势和持持续时间间有关，，当持续续一段时时间后，，握力显显著下降降，如保保持1min后后，右手手平均握握力约280N，左手手约250N。。（一）手手的操纵纵力(4)拉拉力和推推力在在站姿姿手臂水水平向前前自然伸伸直的情情况下，，男子平平均瞬时时拉力为为703N，女女子平均均瞬时拉拉力为386N。当手手作前后后运动时时，拉力力(向后后)要比比推力(向前)大。瞬瞬时最大大拉力可可达1100N，连续续操作的的拉力最最大约300N。当手手作左右右方向运运动，则则推力大大于拉力力，最大大的推力力约400N。。（一）手手的操纵纵力(5)扭扭力双双臂作扭扭转有三三种不同同操作姿姿势，直直立操作作时平均均扭力男男子为389±±130N，女女子为204±±80N。屈身身操作时时平均扭扭力男子子为555±249N，女子子为272±141N；弯腰腰操作时时平均扭扭力男子子为962±342N，女子子为425±200N。（二）脚脚的操纵纵力脚出力的的大小，，与人的的姿势、、脚位置置和方向向有关。。下肢伸伸直时的的脚力大大于弯曲曲时的脚脚力。坐坐姿有靠靠背支撑撑时，脚脚出力最最大。立立姿时脚脚的出力力比坐姿姿时的出出力大。。一般坐坐姿时，，右腿最最大蹬力力平均可可达2620N，左腿腿为2410N。据测测定，膝膝部伸展展角度在在130°-150°°或160°-180°之间间时，腿腿的蹬力力为最大大。在坐坐姿的情情况下，，脚的伸伸出力大大于屈曲曲力。脚处于不不同位置置上的蹬蹬力脚别屈曲率（N)伸出率（N)男女男女右脚338239488351左脚305213430305（三）控制器的操纵力力在设计控控制器时时，操纵纵力所依依据的指指标应当当低于一一般人的的力量水水平，而而按照力力量较弱弱的人的的水平进进行设计计。当然也不不是用力力越小越越好。如如果操纵纵杆丝毫毫没有阻阻力，就就很容易易被碰移移，而且且操纵时时，操作作者不能能从动作作中感觉觉出操纵纵量的大大小，从从而影响响操作的的准确性性。三、人体体活动的的速度和和准确度度1、动作作速度和和动作频频率在操纵控控制装置置设计中中，根据据人体动动作选择择不同的的运动轨轨迹，对对于准确确灵活的的操作具具有重要要意义。。确定动作的的运动轨迹迹时应综合合考虑动作速度和和动作频率率这两个基本本因素。操作者各部部位每动作作一次所需需的平均时时间，可用用这些数据据说明动作作速度的大大小。动作部位动作特点最少平均时间（s/次）手抓取直线的0.07曲线的0.22旋转克服阻力0.72不克服阻力0.22脚直线的0.36克服阻力的0.72腿直线的0.36脚向侧面的0.72～1.45躯干弯曲0.72～1.62倾斜1.26人体各部位位动作的最最大频率，，它以每分分钟最多动动作的次数数来计算。。动作部位最大频率（次/min)手指204～406手360～430前臂190～392臂99～344脚300～378腿330～406两只手不同同动作时，，每秒钟所所能达到的的最大频率率。动作种类最大频率右手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5～146.5最大转动频频率和手柄柄长度间的的关系操作者的操操作速度和和频率还与与操纵机构构的形状、、大小、以以及持续操操作时间等等因素有关关，由表中中可看出，，手柄长度度为60mm时，最最大转动频频率可达到到最高。除除此以外，，手柄越长长，则转动动频率越低低。手柄长度（mm）最大转动频率（r/min)302640276027.510025.514023.524018.558014手操作时合合理的轨迹迹范围考虑动作速度和和动作频率率这两个基本本因素，当当一只手操操作时，应应在水平面面内向外600的直线方向向；两只手手同时操作作时，应在在水平面内内两侧分别别约300的直线方向向；若用于于精确调整整，则以沿沿中轴线方方向为好。。2、人体动动作的灵活活性在操纵时产产生突然或或平稳的改改变方向时时，圆形轨轨迹比直线线轨迹灵活活。手向着身体体动作比离离开身体的的动作灵活活而准确，，向前后往往复动作比比向左右往往复动作的的速度大。。最大动作速速度与被移移的负载的的重量成正正比，而达达到最大速速度所需要要的时间与与被移动的的负载成正正比，动作作的方向和和轨迹应当当满足工作作动作准确确性的要求求。人体较短部部位的动作作比较长部部位的动作作灵活；人人体较轻部部位的动作作比较重部部位的动作作灵活；人人体体积较较小部位的的动作比较较大部位的的动作灵活活。3、人体体动作设计计应该遵循循的规律为了使动作作速度、频频率、准确确性和灵活活性很好地地结合，人人体动作设设计须遵循循：1)劳动时时的连续动动作，不论论时间长短短，应在最最有利的位位置开始和和结束。2)沿曲线线、直线或或不规则轨轨迹的动作作，应该使使操作者的的动作从容容不迫。3)具有急急剧改变方方向的曲线线或直线的的动作，应应该尽量采采用流畅连连续的动作作。4)手在水水平内动作作比在垂直直面内的动动作要准确确。5)人在工工作时动作作的次数应应尽量减少少，频率应应降低。6)一些重重要的作业业应该尽可可能由一个个人的动作作完成。7)最重要要的和常用用的装置