第三章第三节人体生物力学特性.ppt=安全人机工程学=湖南工学院

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
（ 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。
第三章 第三节 人体生物力学特性
本节内容：
一
二 三
人体各部分的操纵力
人体运动的速度与准确度 人体用力及其影响因素
一
内容：
人体各部分的操纵力
• （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
（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。
屈曲力 脚别 伸展力
男 326 299
女 234 209
男 478 421
女 344 299
右脚 左脚
二 人体运动的速度与准确度
三
内容：
人体各部分的操纵力
• （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。
• (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。
• 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。
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3-1 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。
• 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。
表3-6 动作速度表
动作部位 动作特点 直线的 手 抓取动作 旋转动作 曲线的 克服阻力 不克服阻力 直线的 克服阻力的 直线的 脚向侧面 弯曲 倾斜 动作一次最少的平均时间/s 0.07 0.22 0.72 0.22 0.36 0.72 0.36 0.72～1.45 0.72～1.62 1.26
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。
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
• 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。
• (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。
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。
TS 608 2.94 A
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。
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。