第五章人体生物力学与施力特征
人机知识点整理
⼈机知识点整理第⼀章⼈机⼯程学概论1. ⼈机⼯程学：是研究⼈、机械及其⼯作环境之间相互作⽤的学科。
2. ⼈机⼯程学名称：⼈类⼯效学、⼈间⼯学、⼈-机-环境系统⼯程、⼈体⼯程学、⼈类⼯程学、⼯程学⼼理学、宜⼈学、⼈的因素等。
3. ⼈机⼯程学的发展阶段：1）经验⼈机⼯程学【特点】：机械设计的主要着眼点在于⼒学、电学、热⼒学等⼯程技术⽅⾯的原理设计上，在⼈机关系上是以选择和培训操作者为主，使⼈适应于机器；2）科学⼈机⼯程学【特点】：重视⼯业与⼯程设计中“⼈的因素”，⼒求使机器适应于⼈；3）现代⼈机⼯程学【特点】：现代⼈机⼯程学着眼于机械装备的设计，使机器的操作不越出⼈类能⼒界限之外；密切与实际应⽤相结合，通过严密计划设定的⼴泛实验性研究，尽可能利⽤所掌握的基本原理，进⾏具体的机械装备设计；⼒求使实验⼼理学、⽣理学、功能解剖学等学科的专家与物理学、数学、⼯程学、⽅⾯的研究⼈员共同努⼒，密切合作。
4．现代⼈机⼯程学研究的⽅向是：把⼈-机-环境系统作为⼀个统⼀的整体来研究，以创造最适合于⼈操作的机械设备和作业环境，使⼈-机-环境系统相协调，从⽽获得系统的最⾼综合效能。
5.⼈机⼯程学科的研究⽅法：观察分析法、实测法、实验法、模拟和模型试验法、计算机数值仿真法。
第⼆章⼈体测量与数据应⽤1.⼈体测量：是通过测量⼈体各部位尺⼨来确定个体之间和群体之间在⼈体尺⼨上的差别，⽤以研究⼈的形态特征，从⽽为各种⼯业设计和⼯程设计提供⼈体测量数据。
2.⼈机⼯程学范围内的⼈体形态测量数据主要有两类：⼈体构造尺⼨：是指静态尺⼨功能尺⼨：是指动态尺⼨3.⼈体测量主要⽅法：普通测量法、摄像法、三维数字化⼈体测量法。
4.⼈体测量基准⾯：⽮状⾯、正中⽮状⾯、冠状⾯、横断⾯、眼⽿平⾯5.百分位：百分位由百分⽐表⽰，称为“第⼏百分位”。
例如，50%称为第50百分位。
6.百分位数：百分位数是百分位对应的数值。
例如，⾝⾼分布的第5百分位数为1543，则表⽰有5%的⼈的⾝⾼将低于这个⾼度。
第五章 运动生物力学应用2
第四节缓冲动作的生物力学原理（赵焕彬、王海涛）一、动作形式延长力的作用时间以减小冲力作用，在运动技术中叫缓冲作用。
以延长力的作用时间减小冲力作用为目的动作称为缓冲动作。
例如，接高速来球，当手接球后屈肘回收，可延长手和球的作用时间，减小球对手的冲力作用，在篮球技术中要领称“迎、引、握”。
又如各种落地的缓冲动作，一般要求前脚掌先着地，并迅速过度到全脚掌，同时拌有屈膝、屈髋和伸踝动作，以延长脚与地面相互作用的时间，进而减小冲力可能对人体造成的的伤害。
上述动作是靠人体本身的动作来达到缓冲目的的，另外，还可以利用器械设备达到缓冲的目的。
如撑竿跳高和跳高用的海绵垫、跳远的沙坑等，都是为了延长着地时力的作用时间以减小冲力。
拳击运动员带的手套，可减缓击打时的冲击力值。
从缓冲动作的目的分析，有些缓冲动作是作为动作的结束部分，掌握人体平衡是其主要任务，如体操、武术、技巧、舞蹈等结束部分的动作。
另外，有相当一部分缓冲动作是为后续动作作准备，如跑及各种跃的缓冲动作只是整个支撑动作中的一步分。
支撑腿落地一直到瞪离地面瞬间，一般经历3个阶段即落地、缓冲及蹬伸阶段。
缓冲动作是落地的必然又为蹬伸做好准备，使下收各关节处于适宜的发力状态。
短跑中蹬伸是产生水平加速度的重要要阶段，缓冲动作就要从这个前提出发而与之相适应，包括缓冲开始的落地方式，最大缓冲角以及在最大缓冲时人体重心与支撑点的互相联系。
缓冲动作是体育技术动作的重要组成部分，很多项目中缓冲动作是不可或缺的。
有些缓冲动作的作为技术动作的结果部分，但相当一部分缓冲动作是后继动作的准备。
(一)作为结果部分的缓冲动作这类缓冲动作作为体育动作的结果部分，掌握Array人体平衡是其主要任务。
例如体操各种下法、跳高跳远的落地动作等，如图1。
落地缓冲动作分为三种类型，即链型缓冲、弹性缓冲、刚性缓冲。
链型缓冲：是指落地阶段前期和中期膝、踝、髋关节彻底放松屈曲，不产生内力，而在后期(各关节屈至极限) 承受冲击，肌肉进行向心收缩，肌肉受力小于肌肉收缩力。
人体力学资料
人体力学介绍人体力学是研究人体力量、运动和力的行为的科学。
它涉及身体活动和力量的产生、传递和控制。
在人类学、生理学、运动科学和工程学等领域都有广泛的应用。
通过人体力学的研究，可以更好地理解人体结构和功能之间的关系，促进运动和生活方式的优化。
人体力学的重要性人体力学的研究对于许多领域都具有重要的意义。
在运动训练中，了解人体各部位的力量分配和协调可以帮助运动员优化动作，提高表现。
在医学领域，人体力学研究有助于理解和治疗各种运动系统疾病和损伤。
此外，在工程学领域，人体力学也被广泛应用于设计各种设备和工具，以提高工作效率和减少职业伤害。
人体力学的研究内容人体力学包括许多方面的研究内容，如： - 生物力学：研究人体各部位的结构和功能，以及它们在动作中承受的力量。
- 运动学：研究人体在空间中的运动，包括速度、加速度和轨迹。
- 力量学：研究人体产生和承受的力量，以及力量的传递和控制。
- 协调学：研究人体各关节和肌肉之间的协调性，以实现复杂的动作。
应用领域人体力学在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于： - 运动训练：通过人体力学分析和评估，帮助运动员改进动作技术，提高竞技表现。
- 临床医学：通过人体力学研究，理解人体运动系统的结构和功能，预防和治疗运动系统疾病和损伤。
- 人机工程学：通过人体力学研究，设计符合人体工程学原理的产品和工具，提高工作效率和减少职业伤害。
- 健康管理：通过人体力学知识，指导人们正确运动、合理饮食和科学生活，维护身体健康。
结语人体力学是一个综合性学科，它涉及生物力学、运动学、力量学和协调学等多方面的研究内容，对于运动训练、医学领域、工程学等应用领域都有重要意义。
通过深入研究人体力学，可以更好地理解人类的运动和生活行为，促进健康和生活质量的提升。
《工业设计工程基础》考试大纲
《工业设计工程基础》考试大纲一、产品设计工程知识1.融合——设计师与工程师的握手1.1 设计话语权1.2 工业设计的设计方法1.3 设计师的知识结构体系2.材料登场——被设计的材料2.1 产品设计常用材料集锦2.2 产品的外衣——材料解析2.3 喜新厌旧——新型材料的体验与运用2.4 典型成型工艺3.产品的骨骼一结构与机构设计3.1 产品结构大家族——产品结构形式集锦3.2 结构的本质——力的接力棒3.3 运动的载体——机构的组成3.4 通用零部件4.脱胎换骨——模具4.1 不装菜的篮子——模具的定义及功能4.2 从流动态到固定态的支架——模具设计的要点4.3 典型产品模具设计案例4.4 新技术在模具设计中的应用5.华丽面具——表面工程基础5.1 魔镜告诉我——美丽外表的必要性与重要性5.2 产品化妆间6.强大的内芯——声光电热常识6.1 无敌正能量——驱动产品的声光电热6.2 能源6.3 声学常识及声的利用6.4 光学常识及光的利用6.5 电学常识及电的利用6.6 热力学与传热学常识6.7 无形的能量场——空气动力学6.8 产品的造血机制——液压及气动装置6.9 超越与升级——新型能源二、人机工程学1.人机工程学概论2.人体测量与数据应用3.人体感知与信息处理4.人的心理与行为特征5.人体生物力学与施力特征6.人机的信息界面设计7.作业台椅与工具设计8.作业岗位与空间设计9.人与环境的界面设计10.人的可靠性与安全设计11.人机系统总体设计12.人机工程发展新趋势参考书：1.孙利等，《产品设计工程基础》，清华大学出版社,2014，ISBN：97873023716252.丁玉兰，《人机工程学》（第5版），北京理工大学出版社，2017，ISBN：9787568204194。
人机工程学复习提纲
⼈机⼯程学复习提纲⼈机⼯程学复习提纲（2014.4）题型：⼀、填空：30分⼆、选择：20分三、判断：10分四、简答：25分五、综合：15分第1章⼈机⼯程学概论1、⼈机⼯程学概念。
⼈机⼯程学是研究⼈在某种⼯作环境中的解剖学、⽣理学和⼼理学等⽅⾯的各种因素；研究⼈和机器及环境的相互作⽤；研究在⼯作中、家庭⽣活中和休假时怎样统⼀考虑⼯作效率、⼈的健康、安全和舒适等问题的学科。
1.⼈的特性的研究；2.机器特性的研究；3.环境特性的研究；4.⼈—机关系的研究；5.⼈—环境关系的研究；6.机—环境关系的研究；7.⼈—机—环境系统性能的研究。
研究⽅法：观察分析法、实测法、实验法、模拟和模型实验法、计算机数值仿真法。
4、⼈机⼯程学的学科体系。
它是以⼈体科学中的⼈体解剖学、劳动⽣理学、⼈体测量学、⼈体⼒学和劳动⼼理学等学科为“⼀上肢”；以环境科学中的环境保护学、环境医学、环境卫⽣学、环境⼼理学和环境监测学等学科为“另⼀上肢”；⽽以管理科学为“⼀下肢”；以⼈⽂科学为“另⼀下肢”；⽽以⼯程科学中的⼯业设计、⼯业⼯程、⼯程设计、安全⼯程、系统⼯程以及管理⼯程等学科为“躯⼲”，形象地构成了本学科体系。
1.为⼯业设计中考虑“⼈的因素”提供⼈体尺度参考2.为⼯业设计中“物”的功能合理性提供科学依据3.为⼯业设计中考虑“环境因素”提供设计准则4.为进⾏⼈—机—环境系统设计提供理论依据5.为坚持以“⼈”为核⼼的设计思想提供⼯作程序第2章⼈体测量与数据应⽤1、⼈体测量学的概念。
通过测量⼈体各部位尺⼨来确定个体之间和群体之间在⼈体尺⼨上的差别，⽤以研究⼈的形态特征，从⽽为各种⼯业设计和⼯程设计提供⼈体测量数据。
2、⼈体测量数据的分类。
主要分为两类，即⼈体构造尺⼨和功能尺⼨的测量数据。
⼈体构造尺⼨是指静态尺⼨；⼈体功能尺⼨是指动态尺⼨，包括⼈在⼯作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺⼨。
3、⼈体测量对产品设计的意义？（1）、通过测量⼈体各部位尺⼨来确定个体之间和群体之间在⼈体尺⼨上的差别，⽤以研究⼈的形态特征，从⽽为各种⼯业设计和⼯程设计提供⼈体测量数据。
第五章-人体生物力学与施力特征
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
主要解因得素腰：骶货间物盘的所重受力的和压货 物的力位达置到到54脊58柱N重，心大的多距数离工。 其它人因的素腰还骶有间：盘躯都体无扭法转承的受角 度、这货个物压的力大水小平和。形状、货物 移动的距离等。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
4.人的主体因素
习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生 理、心理状况。
年龄与反应时间的关系
年
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
龄
20
30
40
50
60
反应时间相对值
100
104
112
116
161
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表3-1 不同感觉器官的反应时间
❖ 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在20岁 之前是不断增长的，20岁左右达到顶峰，这种状态大约 可以保持10~15年，随后开始下降。
❖ 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5-8表示人体在 不同姿势下的施力状态，图中（a）为常见的操作姿 态，其对应的施力数值见表5-4，施力时对应的移动 距离见表5-5.
3.1 反应时间
❖ 反应时间（ RT）:又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应
的时间间隔。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组
成。 即 RT=tz+td
人体工程学课程感悟
人体工程学课程感悟学习人体工程学，让我深刻理解人体工程学与室内设计的重要关系，学习人体工程学的总结。
人体工程学是一门应用科学，主要研究人与机器与环境的关系，为人们更好地实现各种目标提供科学的理论和定量依据。
室内设计是通过处理室内家具、家具、室内物理环境、视觉环境等来满足人们生产生活需求的实践活动。
这两门学科相辅相成，没有一门学科就不会有舒适的生活环境。
事实上，随着当今社会经济的快速发展，室内设计市场也随着经济的浪潮而迅速上升。
虽然有很多好的影响，但也有很多作品由于时间紧迫，任务繁重，没有时间进行科学的深入研究和仔细审查，是许多设计成品不仅有很多缺陷，而且造成了巨大的社会资源浪费。
说到原因，问题在于缺乏对人体工程学的理解和应用。
由此可见，人体工程学对室内设计的重要性*和经济效应。
生活在现代社会，我们可以说大部分时间都在室内度过，比如生活、学习、工作、旅行等等。
因此，室内环境对用户的身心健康和活动质量尤为重要。
现代生活实现了室内功能的复杂性，也使室内设计成为一个系统工程。
室内设计面临着健康、舒适、高效、环保、经济等多重要求。
这些要求使室内设计感到合理。
我认为现代文明、现代科技和现代建筑促进了室内设计的更加*化和科学化，使人体工程学与室内设计的关系更加密切。
通过一些图片和数据，我们也可以看到人体工程学在室内设计中的重要性*：从这几张图我们就可以看到，人机工程学的应用和重要*，因为人体工程学所影响的是我们生活中的各个方面，休息、学习、工作、行动等等。
如果没有很好的运用人机工程学，我们的生活就会出现各种各样的问题。
人体工程学为室内设计提供了大量的、科学的、量化的依据。
可以说，目前室内设计所参考的资料都与人机工程学有关。
人体工程学对于室内设计是基础、是平台，但它对室内设计的影响也绝非这一点，还表现在以下一些方面：人体工程学在室内设计中的运用实实在在的改善了室内环境，提高了生活质量。
因为它提供了科学的依据，促进了艺术与科学的结合，有效地提高了室内设计的质量。
生物力学 第五章 软组织力学
第二节 肌肉的力学性质
肌肉（骨骼肌）是 人体运动系统重要的组 成部分，是人体运动的 动力来源。可以说肌肉 在生物力学研究中是最 具吸引力、最有挑战性 的研究领域。肌肉的力 学性质十分复杂，它跟 组成肌肉各种成份的力 学特性有关，迄今为止 人们仍然在不断的研究 和探索之中。
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一、肌肉的基本知识：
（一）特点： 柔软易变形
（二）分类：骨骼肌、心肌、平滑肌
• 构造要素和收缩机理大致相同 • 结构、功能和力学性质不同 （三）组成： 肌纤维：肌内膜、细胞核、肌浆、肌原纤维 肌原纤维：特殊的收缩蛋白
（肌动蛋白、肌浆球蛋白）
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大
中
平滑肌 小
4、肌纤维有序度：
肌纤维排列 有序度高—— 平直规则
肌纤维排列 肌纤维排列 有序度中—— 有序度低—— 不弯曲缠绕 弯曲缠绕呈螺旋
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骨骼肌
心肌
5、肌纤维节：
平滑肌
肌节明显—— 肌节不够明显—— 无肌节——
工作范围大2~3.5 工作范围小2~2.6
收缩速度快
肌钙（原）蛋白分子
肌动蛋白：表面有与横桥结合的位点，静息 时被原肌球蛋白掩盖；
原肌球蛋白：静息时掩盖横桥结合位点； 肌钙蛋白：与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋
白位移，暴露出结合位点。
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细肌丝：
由肌纤蛋白、原肌凝蛋白、肌钙蛋白质组成
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肌原纤维
线粒体少— 线粒体多（大量）— 磷酸肌酸多 磷酸肌酸少 毛细管少— 毛细管多（每根都有）— 可以暂时性缺氧 不可以暂时性缺氧（不可须臾不足）
人体生物力学与施力特征
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 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，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
人机工程学_
人机工程学1、人机工程学的定义：人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人—机—环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。
因此，人机工程学可定义为：按照人的特性设计和改善人—机—环境系统的科学。
2、发展史（阶段和时间）：第一阶段，经验人机工程学（20世纪初—二战前，美国学者F.W.泰罗首创新管理方法和理论）；第二阶段，科学人机工程学（二战期间---20世纪50年代末）；第三阶段，现代人机工程学（20世纪60年代）3、人机工程学研究的内容：1）人的特性研究；2）机器特性研究；3）环境的特性研究；4）人—机关系的研究；5）人—环境的研究；6）机—环境的研究；7）人—机—环境系统性能的研究；对于工业设计师：1）人体特性的研究（对象：在工业设计中与人体有关的问题）；2）工作场所和信息传递装置的设计（包括：工作空间设计、座位设计、工作台或操作台设计、作业场所的总体布置）；3）环境控制（照明、微小气候、噪声、振动）和安全保护设计；4）人机系统的总体设计；4、目前常用的研究方法有：1）观察分析法（瞬间操作分析法、知觉与运动信息、动作负荷、频率、危象、相关）；2）实测法；3）实验法；4）模拟和模型实验法；5）计算机数值仿真法；第二章人体测量与数据应用1、人体测量的基本术语：（1）、被测者姿势：1）立姿2）坐姿；（2）、测量基准面：1）矢状面；2）正中矢状面（将人体分成左、右对称两面）；3）冠状面（分成前、后两面）；4）横断面（分成上、下两面）；5）眼耳平面。
（3）测量方向：1)在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。
2)在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。
3)在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。
4）对于上肢，将挠骨侧称为挠侧（前臂大拇指一侧），将尺骨侧称为尺侧（前臂小指一侧）。
第五章 人体运动系统的生物力学
复习：一、人体生物力学材料的分类人体生物力学材料的力学性质是多种多样的，依据其性能可分为弹性材料、粘性材料、塑性材料、粘弹性材料。
弹性材料的特点：应力与应变成正比，材料能保证固定的形状，在外力的作用下，外力功转变为弹性能。
外力消失或恢复原状。
如体育器材中的撑杆粘性材料：应力取决于应变率，粘性流体无固定形状，流动过程不可逆，在外力作用下，外力功转化为分子热消耗。
如运动高强度粘性绷带，塑料材料：应力与应变成非线性，在外力作用下外力功转变为变形能，外力消失后材料的变形不可修复。
如我们体育器械手柄中的塑性材料粘弹性材料：如果有一种材料，其力学性质既具有弹性材料的力学性质，又具有粘弹性材料的力学性质，那么这种材料就叫做粘弹性材料。
如我们玩的碰碰车，属于粘弹性材料，还有我们的血管、皮肤、韧带等等人体材料也属于粘弹性材料。
二、粘弹性材料的特点1）当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力随时间的增加而下降，这种现象叫应力松弛，从而导致变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐降低的现象。
打包带变松、橡皮筋变松。
2）若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象叫蠕变（缓慢变形）。
水滴石川。
3）对物体做周期性的加载和卸载，则加载时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合，这种现象称为滞后。
三、骨载荷的分类1.按照载荷作用的性质，我们可以将载荷分为静载荷和动载荷静载荷是逐渐加于物体上的，由零逐渐增至某一值以后不再改变，在这种载荷作用下，物体各部分不产生加速度或是加速度小得可以忽略不计。
例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷属于静载荷。
动载荷是物体在载荷的作用下，它的某些部分或各部分所引起的加速度相当显著，这种载荷称为动载荷。
动载荷又分为冲击载荷和交变载荷。
如排球的扣球属于冲击载荷，长途行军属于交变载荷2.骨骼受力的形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷拉伸载荷是自骨的表面向外施加大小相等而方向相反的载荷，例如人体各种悬垂动作时骨受到的载荷，骨在较大载荷的作用下会伸长同时变细。
人机工程学大纲
课程教学大纲编号：南京理工大学泰州科技学院课程教学大纲课 程 名 称： 人机工程学课 程 学 分：执 笔 人： 汪惠芬 周建中审 订 人： 龚光容修（制）订日期：一、课程的性质、地位与任务人机工程学是一门新兴的边缘学科，它与国民经济各部门都有密切关系。
人机工程学运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题的研究，研究如何正确处理人、机器及其工作环境之间的相互关系、相互作用，设计能使操作者发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适位置等。
二、课程的教学目标与基本要求通过本课程的学习，要求了解并掌握人机工程学的基本概念、基本原理，掌握人机系统设计的一般方法，在明确系统总体要求的前提下，分析和研究人、机、环境三个要素应具备的功能及其对系统总体性能的影响，寻求人机系统最优组合方案。
能应用人机工程学知识指导具体产品的设计，使人机系统工作安全、高效、可靠。
通过各个教学环节培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。
三、课程内容人机工程学概论人机工程学的命名及定义了解人机工程学的命名美国“ ” 西欧 ，我国：人体工程学、人机工程学等。
了解人机工程学的定义国际人类工效学 的定义，《辞海》的定义，美国 伍德森的定义人机工程学的起源与发展经验人机工程学泰罗。
使人适应于机器科学人机工程学重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器适应于人现代人机工程学使人 机 环境系统相协调，从而获得系统的最高综合效能人机工程学的研究内容与方法了解人机工程学的研究内容七个分支，四个主要方面△了解人机工程学的研究方法实验法和非实验法及其内容人机工程学体系△了解人机工程学的学科体系人体科学、环境科学为上肢，管理科学、人文科学为下肢，工程技术科学为驱干，系统论、模型论、优化论为支撑。
人机工程学与工业设计了解人机工程学与工业设计的区别和联系学科的应用学科研究的课题主要讲授应用于工业设计的 各方面主要应用领域主要讲授与工业设计相关的领域， 表应用领域举例人机工程学常用软件介绍软件软件人机工程学的学习方法人机工程学是一门实践科学 ，在实践中学习。
人体运动的生物力学分析
人体运动的生物力学分析生物力学是研究机械原理在生物系统中的应用的学科，通过运动学和动力学的分析，可以深入研究人体运动的机制和效果。
在本文中，将通过对人体运动的生物力学分析来探讨其原理和应用。
一、运动学分析1.1 关节运动轨迹关节是人体运动的重要组成部分，通过对关节运动轨迹的分析，可以了解人体肢体的运动规律和特点。
例如，当手臂做抛物线运动时，肩关节和手肘关节的轨迹会呈现出相应的曲线形状。
1.2 运动节律人体运动的节律性是运动学分析的重要内容之一。
通过对身体各部位运动的节律进行观察和测量，可以了解运动的协调性和优化效果。
例如，跑步时的双腿和手臂的协调运动，呈现出一定的节律性。
1.3 力的分析力的大小和方向对人体运动的影响至关重要。
通过力的分析，可以了解人体受力的来源和作用点，从而有效地调整和优化运动方式。
例如，踢足球时，腿部肌肉施加的力对足球的加速和运动方向具有重要影响。
二、动力学分析2.1 力的产生和传递力在人体运动中的传递可分为内力和外力。
内力是肌肉的收缩张力，通过骨骼和关节传递给外界。
外力包括重力和外界物体施加的力，通过身体的支撑面传递给骨骼系统。
通过对力的产生和传递的动力学分析，可以了解人体在运动中的力学特性。
2.2 动力学参数的测量动力学参数主要包括力、力矩、加速度和速度等。
通过测量和分析这些参数，可以了解人体在不同动作中受到的力量和力矩大小，从而评估和改善运动的效果。
2.3 运动的稳定性人体运动的稳定性是指在运动过程中保持平衡和稳定的能力。
通过动力学分析，可以了解人体在不同外力作用下的平衡调节和控制机制，并通过调整姿势和运动方式来提高运动的稳定性。
三、应用生物力学分析在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些应用领域的例子：3.1 运动损伤预防通过生物力学分析，可以了解运动的力学特性和受力情况，有效地识别和预防运动损伤的风险。
例如，在篮球比赛中，通过分析运动员跳跃动作的力学参数，可以判断其受伤的潜在风险。
第5章 人体生物力学与施力特征
第5章人体生物力学与施力特征5.1 人体运动与骨杠杆5.1.1 人体运动系统运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。
有以下三部分组成：◆骨—运动的杠杆◆关节—运动的枢纽◆肌肉—运动的动力5.1.2 骨的功能和骨杠杆1.骨的功能2.骨杠杆，见图5-1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：◆平衡杠杆，见图5-1（a）◆省力杠杆，见图5-1（b）◆速度杠杆：用力大，但运动速度快，，见图5-1（c）由等功原理，得之于力则失之于速度，反之亦然。
因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。
5.2 人体生物力学模型5.2.1 人体生物力学建模原理生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律基础上：◆物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或静止状态；◆物体的加速度跟所受到的合外力的大小成正比；◆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，作用在同一条直线上，5.2.2 前臂和手的生物力学模型分析身体的各个部位能得出相关关节和肌肉的受力情况，如一个人前臂平举、双手拿起20Kg的物体，此状态的受力情况如图5-2所示：5.2.3 举物时腰部生物力学模型在举起重物工作中，脊柱的作用力大小受很多因素的影响，主要考虑影响最显著的两个因素——货物的重力和货物的位置到脊柱重心的距离。
如图5-3所示：5.3 人体的施力特征5.3.1 主要关节的活动范围关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。
见图5-4，其数值范围见表5-1.5.3.2 肢体的出力范围肌体所能发挥的力量大小取决于：◆人体肌肉的生理特征◆施力的姿势、部位、方式和方向，分别见图5-5、5-6、5-7。
5.3.3 人体不同姿势的施力人体所处的姿势是影响施力的重要因素，在不同姿势下的施力状态如图5-8所示。
5.4 合理施力的设计思路5.4.1 避免静态肌肉施力设计要点如下：1.避免弯腰及其它不自然的姿势，见图5-9（a）2.避免长时间抬手作业，见图5-9（b）3.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不对称5.作业位置与视距的关系，见图5-106.常用工具、零件、材料与操作者的位置关系7.手在较高位置作业时，应增设支承物8.利用重力作用，见图5-115.4.2 避免弯腰提起重物用不同的方法来提起重物，对腰部负重的影响不同，如图5-12。
第五章 人体力学ppt课件
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5.3 作业姿势
① 五、作业姿势的分析 ② （1）立姿作业 ③ 立姿操作的缺点： ④ 不易进行精确而细致的工作； ⑤ 不易转换操纵； ⑥ 肌肉要做更多的功以维持体重，易引起疲劳； ⑦ 长期站立易引起下肢静脉曲张。
26
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5.3 作业姿势
（2）坐姿作业 下列情况下应采用坐姿操作： ① 持续时间较长的工作； ② 精确而细致的操作； ③ 需要手足并用的操作；
图 坐姿工作时不同角度的臂力测定
35
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5.4 人体的活动力量
立姿手操纵力 规律：手臂的最大拉力产生在肩的下方180°的方位上，手
臂 的最大推力则产生在肩的上方0°方向上。
a、最大36拉力 b、最大推力 精选ppt课件2021
5.4 人体的活动力量
卧姿手操纵力 下图不同肘角伸臂的臂力测定。
5.3 作业姿势
避免弯腰提重物： 脊柱形态，如图5-29。脊柱承受的重量负荷由上至
下逐渐增大，第5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时，对
腰部负荷的影响不同，如图5-30。
32
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5.4 人体的活动力量
一、手部力量 1、握力 2、手的操纵力 ① 坐姿 ② 立姿 ③ 卧姿 ④ 常见手部操作动作及力量极限
；膝部伸展角度在130～150°或160～180°之间时，脚蹬力 最大。 脚力控制器的操纵力最大不应超过264N。 操作频繁的作业应考虑 双脚交叉作业。
图7
蹬力较大的脚操纵器作业
40
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5.4 人体的活动力量
图8 坐姿的蹬力及在各个角度时的压力比值
国家级精品课程定量生理学第五章生物组织与细胞力学特性PPT课件
F k u du
dt
蠕变分析，位移函数表达式：
u(t)
F0 k
(1
exp(
t tR
)),
t
R
/k
蠕变曲线没有起始的偏差。
Voigt模型和实验相符合的情况要好些：
可求出k和值， 可关联生物组织宏观的力学行为和微观行为
标准线性粘弹性固体模型（SLS)
应力和应变的关系式：
F
dF dt
k1u
du dt
全模量定义：
Gˆ (, k1,k 2,)
F0 ()
u0
(cos
i sin )
储存模量： G' F0 () cos u0
损失模量： G' F0 () sin
应力-应变曲线
➢ 低的相对湿度时几乎是线性的
➢ UTS约为1.8MPa
➢ 模量在120MPa左右。
结构的关联
➢ 这一结果所观察到的UTS值和 模量比胶原蛋白三螺旋结构和 片状结构要低是相符的，因为 螺旋结构中的每个残基的螺距 只有0.15nm。
多肽链三种基本结构的的力学性质表明UTS和 模量与螺旋的轴向螺距有关联 ： 螺旋>：材料单位面积所承受的力 σ = 力F/横截面积A （帕）
应变：伸长后长度和原始长度之比 ε= (ΔL)/原始长度 L
材料的应力-应变曲线：
材料受力后的受力状态和变形特征
材料应力-应变曲线示意图
弹性区：
应力和应变呈线性关系 服从胡克定律σ=Eε
塑性区：
屈服点以上 应变不随应力成线性比例变化
空间上多肽链结构越伸展，它就越硬，抗张强度越高
推测：任何引起链伸展的过程会使蛋白质变强变硬
随机的多肽链：弹性蛋白的行为
人体平衡的生物力学分析
R
F2
A
即： R F F 1 2
它是力系简化的基础。
20
推 论 二
三 力 平 衡 汇 交 定 理
当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何 两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线 亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。
F2
A2
A3
F3
F1
A1
说明不平行三力平衡的 必要条件。 即：三力平衡必汇交。 三力汇交不一定平衡。
④ 连接关节点构成人体棍图。
⑤ 开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环 节长度一栏内。
⑥ 把各环节重心至近侧端距离占环节长度的百分比填入 ％一栏内。见表4—1中具体的布拉温—菲舍尔环节 相对重心位置数据。
5
⑦ 环节长度乘以环节相对重心位置百分比，填入环节质 近侧端实长一栏内。 ⑧ 按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据，在照片上 的环节上点出环节质心位置。头手的位置不必计算， 可以直接点出。 ⑨ 从照片上测量各环节质心的坐标。 ⑩ 把人体模型中已知的环节相对重量数据添入表内（P）。
不稳定平衡（单臂倒立）
随遇平衡（球的平衡）
8
（二）人体平衡的分类
1. 根据支点相对于人体重心的位 置不同，将人体平衡分为以下3种：
（1）上支撑平衡：当人体 处于平衡，且支点在人体重心 的上方，这种平衡状态称为上 支撑平衡。如体操中的各种悬 垂动作。
（2）下支撑平衡：当人体处于平 衡，且支点在人体重心的下方，这种 平衡状态称为下支撑平衡。例如，站 立、平衡木上的平衡动作及田径、游 泳、举重等各类平衡动作。 （3）混合支撑平衡：是一种多 支撑点的平衡状态，这时有的支撑点 在人体重心上方，有的支撑点在人体 重心的下方。例如，肋木侧身平衡。
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.4 合理施力的设计思路
5.4.1 避免静态肌肉施力 提高人体作业的效率，一方面要合理使用肌力，
降低肌肉的实际负荷；另一方面要避免静态肌肉施力 。无论是设计机器设备、仪器、工具，还是进行作业 设计和工作空间设计，都应遵循避免静态肌肉施力这 一人机工程学的基本设计原则。
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 ∑（肘部总力矩）=0
图5-2 抓捏物体时前臂和手的生物力学简化模型
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 ∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0
主要解因得素腰：骶货间物盘的所重受力的和压货 物的力位达置到到54躯59干N，重大点多的数距工离。 其度它、人因货的素物腰还的骶有大间： 小盘躯和都体形无扭状法转、承的货受角物 移动这的个距压离力等水。平。
第五章 人体生物力学与施力特征
5.1 人体运动与骨杠杆
5.1.1 人体 运动系统
骨——运动的杠杆 关节——运动的枢纽 肌肉——运动的动力
三者在 神经系统的 支配和调节 下协调一致 ，随着人的 意志，共同 准确地完成 动作。
第五章 人体生物力学与施力特征
5.1.2 骨的功能和骨杠杆 1.骨的功能
（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）造血、储备矿物盐 （4）运动的杠杆
596
670
标准差（ms）
50
71
74
第五章 人体生物力学与施力特征
3.3 运动准确性
运动时间、运动类型、运动方向、操作方式
1
2
3
4
运动速 度与准 确性
速度越慢， 准确性越高 见图5-15
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。
见图5-16
运动方向 与准确性
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理
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 统被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 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 作环境中的危险并尽量避免这些危险。
图5-9
第五章 人体生物力学与施力特征
补充材料
一、影响人体能的因素
图5-12 影响人体能的因素
第五章 人体生物力学与施力特征
二、肢体的动作速度与频率
2.１、动作速度 (1)肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉，肌力、
阻力； (2)动作方向和动作轨迹等特征(动作特征）
2.２、动作频率 取决于动作部位和动作方式。参阅表5-7。
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5-1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 相应的示意图5-4。
第五章 人体生物力学与施力特征
图5-4 人体各部位活动范围示意图
第五章 人体生物力学与施力特征
人体各部分的活动范围
第五章 人体生物力学与施力特征
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围
骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳 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 损伤。
第五章 人体生物力学与施力特征
2. 骨杠杆
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5-1 （1）平衡杠杆 （2）省力杠杆 （3）速度杠杆：用力大，但运动速度快
由机械学中的等功原理可知，利用杠杆省力不省 功，得之于力则失之于速度（或幅度），即产生的运 动力量大而范围就小；反之亦然。因此，最大的力量 和最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操作动作 时，必须考虑这一原理。
如图5-9和图5-10
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.3 人体不同姿势的施力
肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在20 岁之前是不断增长的，20岁左右达到顶峰，这种状态大 约可以保持10~15年，随后开始下降。
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。
第五章 人体生物力学与施力特征
4.人的主体因素
习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生 理、心理状况。
年龄
年龄与反应时间的关系
20
30
40
50
60
反应时间相对值
100
104
112
116
161
反应随年龄变化曲线
第五章 人体生物力学与施力特征
3.2 运动速度
用完成动作的时间来评定（Td）
1. 动作特点 表5-14 2. 目标距离：距离增加，Td增长，宽度增加，
第五章 人体生物力学与施力特征
（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分布； 如图5-5。 （２）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉力 和推力的分布；如图5-6。 （３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉 力；如图5-7，如表5-3。 （４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。
如图5-8(a)和5-8(b）。 注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关.
第五章 人体生物力学与施力特征
人体在常见的操作姿态下的施力状态，其对应的施力数 值见表5-4，施力时对应的移动距离见表5-5.
图5-11 （a） 人体在不同姿势下的施力状态
第五章 人体生物力学与施力特征
人体常见的活动姿态，其对应的施力大小见表 5-6，施力时相应的移动距离已标注在该图中。
图5-11 （b） 人体在不同姿势下的活动姿态
2.3、人体动作的灵活性：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 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。参阅表5-8
第五章 人体生物力学与施力特征
三、人的运动输出
人的信息输出方式：语言输出、运动输出。 运动输出的质量指标：反应时间、运动速度和准确性。
例如，应避免使操作者在控制机器时长时间地抓 握物体。当静态施力无法避免时，肌肉施力的大小 应低于该肌肉最大肌力的15%。
第五章 人体生物力学与施力特征
避免静态肌肉施力的几个设计要点如下：
（1）避免弯腰或其他不自然的身体姿势。 （2）避免长时间抬手作业。
（3）坐着工作比立着工作省力。 （4）双手工作时，手的运动方向应相反或者对称 运动，单手作业本身就造成背部肌肉静态施力 （5）作业位置高度应按工作者眼睛和观察时所需的 距离来设计。 （6）常用工具按使用频率或操作频率放在人附近。 （7）手在高位置作业时，应使用支撑物来托住肘 关节、前臂或者手。 （8）利用重力作用。
单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，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 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 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。
第五章 人体生物力学与施力特征
1
2
3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。
“不可减的最少限”：反应时间不再减少的刺激强 度增量的上限值。
第五章 人体生物力学与施力特征
3.刺激的清晰度和可辩性（环境影响） （1）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； （2）刺激信号的刺激时间；参阅表5-12 （3）刺激的数目、颜色；表5-13（b） （4）显示器及操纵器的设计。
向身体
一般人 方向的
其 的手操 运动比
纵动作
他 ，右手
比左手
功 快，而
右手的
能 动作，
离开身 体方向 的运动， 速度更 快，但
向右运 后者的
动比向 准确性
左运动 高。
快。
图5-14动作轨迹特征
第五章 人体生物力学与施力特征
反应动作距离与动作时间
出手距离（cm）
20
40
60
平均反应时间 （ms）
525
Td缩短。 3. 运动方向 图5-12 图5-13 4. 动作轨迹特征 图5-14 5. 负荷重量：最大运动速度与负荷重量成反比。
第五章 人体生物力学与施力特征
图5-12 手向各方向运动时间差异
第五章 人体生物力学与施力特征
图5-13 不同区域内手指敲击运动速度差异
第五章 人体生物力学与施力特征
以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表5-9。 （2）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间不同； （3）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部位反应时
间不同。
第五章 人体生物力学与施力特征
2.刺激信号的性质和强度 人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的，
见表5-10。
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时， 反应时间短。刺激方式影响反应时间。参阅表5-11。
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围