第三章第三节人体生物力学特性=安全人机工程学=湖南工学院

第三章

第三节人体生物力学特性本节内容：一人体各部分的操纵力二人体运动的速度与准确度三

人体用力及其影响因素一

人体各部分的操纵力内容：（一）人体操纵力特性（二）手的操纵力（三）脚的操纵力（一）人体操纵力特性骨—运动的杠杆关节—运动的枢纽肌肉—运动的动力1、肌力肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩肌肉收缩时产生的力称为肌力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。女性的肌力比男性低20%-30%；惯用右手者右手肌力比左手高约10%；惯用左手者左手肌力比右手高约6%-7%。

2操纵力

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叫操作力。工作的操纵力主要是臂力、握力、指力、腿力或脚力，有时也用到腰力、背力等。立姿弯臂时的力量分布

3影响操纵力的因素

操纵力与施力的人体部位、施力方向和指向（转向），施力时人的体位姿势、施力的位置、施力时对速度、频率、耐久性、准确性的要求等多种因素有关。决定操纵力的因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。（二）手的操纵力1坐姿操纵力手臂操纵力的一般规律：（1）左手力量小于右手；（2）手臂处于侧面下方时，推拉力都较弱，但其向上和向下的力较大；（3）拉力略大于推力；（4）向下的力略大于向上的力；（5）向内的力大于向外的力。坐姿时手臂的操纵力的测试方位

表3-1坐姿时手臂在不同方向上的操纵力

2立姿操纵力立姿操纵时，手臂在不同角度上的拉力和推力分布如图3-3所示。图3-3立姿操作时手臂在不同角度上

的拉力和推力分布拉力推力

2立姿操纵力由图可知，最大拉力产生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力则产生在肩的上方0°方向上。所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时操纵力最大。

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时最大握力约为550N，左手约为421N。保持1min后，右手平均握力降到274N，左手降至244N。可见，握力与手的姿势和施力持续时间有关。人们在劳动过程中，要使用各种手持工具进行操作，如钳子、镊子、锄头、斧头等等。手持工具把柄的外形、大小、长短、重量以及制造材料除应满足操作的要求外，还要符合操纵者的生理特点和生物力学特点，以减轻劳动强度。

3握力在人机系统设计时，要考虑操作者的握紧强度。握紧强度是人能够施加在手柄上的最大握紧力（可用测力计测量）。在设计手工工具、夹具和操纵机构时，都需考虑握紧强度的数值。年龄在30岁以上时，可用下式（5-1）近似计算手操纵的握紧强度。

式中

——手操纵握紧强度，N；——年龄，周岁。表5-2男女不同年龄段握力表5-3应用手柄操纵时最合适的力手的操纵力与手动操纵器的布置由于手臂弯曲时，手在人的前方活动能发挥出较大的操纵力，所以操纵机构布置在操纵者的正前方可以得到最好的操纵。操作者站时臂伸直的最大拉力产生在180°的位置上，即产生在垂直向上拉的位置上。所以需要向上拉的操纵机构布置在下面能得到最大操纵力，操作者站立时臂伸直的最大推力产生在0°的位置上，即垂直向上推的位置上，但由于受空间、设备和人的习惯所限，不在此方向布置操纵机构。手的操纵力与手动操纵器的布置人在伸直前臂时向前推较向侧面推所产生的力大一些，所以推力操纵的机构尽量布置在操作者的前面（即最佳位置）一般人在平稳动作时，手臂所产生的最大操纵力可达800N，人在猛烈瞬间动作时，所产生的最大操纵力可达1000～1100N。正常情况下用手操纵时，操纵机构所需要的操纵力不应大于127～150N，否则不能持久工作，且极易出现疲劳，若在这种情况下，继续坚持劳动，则可能导致事故发生。（三）脚的操纵力在生产中，用脚操作的情况很多。最常见的是汽车的离合器踏板和刹车踏板，缝纫机踏板，加工机械（如冲床、蒸汽锤等）的脚踏控制装置等。脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。下肢伸直时脚所产生的力大于下肢弯曲时脚产生的力。坐姿有靠背支持时，脚可产生最大的力；立姿时，脚的用力比坐姿时用力大。（三）脚的操纵力一般坐姿时，右脚最大蹬力平均可达到2568N，左脚为2362N。据测定膝部伸展角在130°～150°或在160°～180°之间时，腿的出力最大，脚产生的操纵力一般都是以压力的形式出现，压力的大小随着脚离开人体中心对称线向外偏转的程度有关图5-4为脚在各个角度时出力及其比值。不同体位下脚的蹬力及在各个角度时的压力比值一般地说，在坐姿的情况下，脚的伸展力大于屈曲力，右脚的操纵力大于左脚的操纵力，男的脚力大于女的脚力。表3-4为脚的操纵力比较。脚别屈曲力伸展力男女男女右脚左脚326299234209478421344299二人体运动的速度与准确度内容：（一）肢体的动作速度（二）人体运动的精度

（一）肢体的动作速度肢体动作速度的大小，基本上取决于肢体肌肉收缩的速度。肌肉收缩的速度取决于：1.中枢神经系统（根据需要时而使慢肌纤维收缩，时而使快肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度）2.肌肉收缩时所发挥的力量和阻力的大小（发挥的力量愈大，外部阻力愈小，则收缩速度愈快）3.取决于动作方向和运动轨迹等特征（不同的动作特点对运动速度影响十分显著，表5-5至5-7给出人体不同部位运动速度与频率值）表3-5人体各部位运动速度与频率限度动作速度或频率数值单位手的运动控制操纵杆位移手指敲击的最大频率旋转把手或驾驶盘身体转动手控制的最大谐振截止频率手的弯曲与伸直脚掌与脚的运动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3-6动作速度表动作部位动作特点动作一次最少的平均时间/s手

直线的

抓取动作

旋转动作

曲线的

克服阻力

不克服阻力0.070.220.720.22脚直线的克服阻力的0.360.72腿直线的脚向侧面0.360.72～1.45躯干弯曲倾斜0.72～1.621.26表3-7人体各部分的最大频率动作部位动作最大频率/(次·min-1)动作部位动作最大频率/(次·min-1)手手指前臂204～406360～431160～292臂腿脚99～344300～373330～400123456

人体躯干和肢体在水平面的运动比在垂直面的运动速度快。

垂直方向的操纵动作，从上往下的运动速度比从下往上的运动速度快。

水平方向的操纵动作，前后运动速度比左右运动速度快，旋转运动比直线运动更灵活。顺时针方向的操作动作比逆时针方向的操作动作，速度更快，更加习惯。一般人的手操纵动作，右手比左手快，而右手的动作，向右运动比向左运动快。向身体方向的运动比离开身体方向的运动，速度更快，但后者的准确性高。人体运动速度的规律（二）人体运动的精度通常，人体运动的精度比速度更为重要人体运动精度主要考虑两方面的内容，即具有视觉反馈的运动精度和没有视觉反馈的运动精度。对于具有视觉反馈的运动精度，主要与运动时间有关。如果给予足够的时间，运动精确性都会较高。对于没有视觉反馈的运动精度的问题就要复杂一些，也是人机工程研究的重点。出现没有视觉反馈的控制，可能是由于当时环境过于黑暗或者是由于当时人的关注点不在人的动作。还有一种情况是由于运动速度过快，无法利用视觉进行控制。

盲目定位的准确性正前方盲目定位准确性最高；右方优于左方；同一方位，下中方优于上方。手臂运动方向对连续控制运动准确性影响水平方向，左右运动的准确性高；垂直方向，上下运动的准确性高。不同控制操作方式对准确性影响有利于快速、准确动作的安全人机工程设计在进行安全人机系统设计时，为了使动作速度、频率和准确性、灵活性很好的结合，必须遵循下面的规律：(1)人体劳动时，不论长时间或短时间的连续动作，都应在最有利的位置开始和结束。(2)操作者沿曲线的、直线的或不规则轨迹的动作，都应该让操作者的动作从容不迫。(3)具有急剧改变方向的曲线或直线的动作，应该尽量采用流畅而连续的动作。(4)手在水平内动作比在垂直面内的动作要准确(5)人在工作时动作的次数应尽量减少，频率应降低(6)一些重要的作业尽可能由一个人的动作完成。(7)最重要的和常用的装置或工具应当放在最有利范围之内。(8)操纵者的操纵动作，按适宜的半径作圆周运动比沿直线运动好。(9)从一个操纵位置到另一个操纵位置的动作应当平稳，不允许有跳跃式动作。(10)如果操作者不可避免地按不正确的轨迹动作时，应当考虑改变手的动作，这时采用直线形式的轨迹要灵活些。三

人体各部分的操纵力内容：（一）人体用力的原则（二）影响人体作用力的因素（一）人体用力的原则1、人用力的一般原则（1）所有动作应该是有节律的，各个关节要保持协调，则可减轻疲劳。（2）在操作时，各关节的协同肌群与拮抗肌群的活动要保持平衡，才能使动作获得最大的准确性。（3）瞬时用力要充分利用人体的质量作尽可能快的运动。（4）大而稳定的力量取决于肌体的稳定性，而不是肌肉的收缩。（5）任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原理，以提高工效。2．人用力的特殊情况（1）肘关节肌肉群屈曲时所产生的力的大小，依赖于手的方向，当手掌面向肩部时，产生的力最大。（2）人体发出的力，以坐在带固定靠背的椅子上，两脚蹬踩时产生的力最大。（3）提取重物时，必须用体重与负荷作对抗性平衡。(4）坐姿作业难以向下用力。(5）头部与脊柱上端在保持平衡的情况下进行操作最为有利。否则，易引起疲劳。(6）指、腕、肘、肩关节依次活动时，指关节力量最小，但精确性最高；肩关节力量最大，但精确性最低。(7）用脚施加压力时，动作的精确性是通过踝关节而不是以足跟运动来控制的。（二）影响人体作用力的因素1、体重体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个方面。例如，在提取地上重物时，身体及头部随重物的被提起而向上移动(抗重力)，体重提高了力的使用效率，将物体放置在地面上(向下用力)，站姿比坐姿更好。操作时应尽量避免将力耗费在不合理的动作和身体的运动上。图5-5就说明了这一点。力的合理应用力的合理应用作业中动作要对称，避免因用力过度而破坏身体的稳定性；动作要有节奏，防止肢体过度减速而浪费能量；动作要自然，力求在最合适的肌肉和位置、最自然的关节，采取相应姿势尽量使体重发挥作用有些工作要求人的各种动作必须连续、准确、有力、及时，并使动作协调才能安全地完成一次，而由于运动速度不适，力量不够而造成事故是常有的事控制器应能承受静止肢体的重量，这一点对防止意外启动，保证安全和消除肢体静态作业非常重要。

2、体位操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定性对人体的作用也有一定的影响。操作者立位作业的优势：

可以经常改变姿势，活动范围也大，站立时易用力；立位可适当地走动，有助于维持工作能力操作者立位作业的缺陷：单调作业会引起生理性和心理性疲劳，立位又不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且肌肉要做更多的功来维持体重，易引起疲劳。坐位则可以进行较长时间的精确而细致的工作，可以手足并用，但是坐位作业则不易改变姿势，用力受限制，工作范围受局限，久坐会导致生理性疲劳躺位操作易疲劳，汽车修理工修理汽车时就有时必须仰躺着工作。在设计人机系统时，应综合考虑操作的工作体位、姿势的改变等。体位正确可减少静态疲劳，有利于身体健康和保证工作质量，提高劳动生产效率和保证安全。

3、个体因素不同人的力量相差很大，强壮的人的人体力量是虚弱的人的人力力量的6～8倍。影响人体力量因素，如基因、人的尺寸、训练、动机、年龄和