第五章-人体生物力学与施力特征
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（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐：
主要是磷和钙等。
人机工程学 Ergonomics
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 由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
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 （2）物静体止的状加态速；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
相等，方向相反，作用在一条直线上。
人机工程学 Ergonomics
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。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
人机工程学 Ergonomics
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
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
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。
（2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。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。人体 肌肉的生理特征。见表5-2
180°
图5-5 立姿弯臂时的力量分布
返回
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
拉力
推力
最大拉力产生在180°位置上 最大推力产生在0°位置上
。
图5-6 立姿直臂时。拉力和推力分布 返回
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
图T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位 人机工程学 Ergonomics
图T5 影响人体能的因素
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
2： 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B-1。
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B-5
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表B—1 人体各部位动作速度与频率限度
人机工程学 Ergonomics
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。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
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
5.1 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
人机工程学 Ergonomics
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
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，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 6%～7%。
人机工程学 Ergonomics
返回
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。
以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表3-1。 （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。
人机工程学 Ergonomics
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3-2。
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3-3。
第五章 人体生物力学与施力特征
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 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。
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。
2、操作力：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。
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 操纵力设计的依据。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表5—2 身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
人机工程学 Ergonomics
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
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （a）操作姿态
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
（３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和 拉力；如图T1，如表5-3。
（４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。
注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 如图T3和图T4
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
可知大约在70°处 可达最大值，即产生相 当于体重的力量。这正 是许多操纵机构（例如 方向盘）至于人体正前 上方的原因所在。
返回
第五章 人体生物力学与施力特征
表B-2 人体各部分的最大运动频率
人机工程学 Ergonomics
返回
第五章 人体生物力学与施力特征
3：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。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征 3.1 反应时间
返回
第五章 人体生物力学与施力特征
表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
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。
人机工程学 Ergonomics
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第五章 人体生物力学与施力特征
最大蹬力 一般在膝部 屈曲160° 时产生。
图5-7 不同体位下的蹬力
人机工程学 Ergonomics
图5-8（b）为常见的活动姿态，其对应的 实力大小见表5-6，施力时相应的移动距离已标 注在该图中。
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （b）活动姿态
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第五章 人体生物力学与施力特征
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
补充材料
1：影响人体能的因素
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.
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
简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
影响反应时间的主要因素
1.不同的感觉器官（不同性质的刺激） （1）不同的感觉器官简单反应的时间不同；
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
人机工程学 Ergonomics
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。
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 。
第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
人体各部分的活动范围
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
“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。
人机工程学 Ergonomics
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3-4 （3）刺激的数目、颜色；表3-5 B （4）显示器及操纵器的设计。
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。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆 返回
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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
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
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
（a）挖沟作业示意图
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
（b）开渠机驾驶舱（正视图）
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
下肢来自百度文库外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
返回
第五章 人体生物力学与施力特征
图T3
图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％
，
不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。 人机工程学 Ergonomics
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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
主要是磷和钙等。
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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 由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦
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第五章 人体生物力学与施力特征
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 （2）物静体止的状加态速；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
相等，方向相反，作用在一条直线上。
人机工程学 Ergonomics
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。
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
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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
龄
20
30
40
50
60
反应时间相对值
100
104
112
116
161
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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
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。
（2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。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。人体 肌肉的生理特征。见表5-2
180°
图5-5 立姿弯臂时的力量分布
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第五章 人体生物力学与施力特征
拉力
推力
最大拉力产生在180°位置上 最大推力产生在0°位置上
。
图5-6 立姿直臂时。拉力和推力分布 返回
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图T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位 人机工程学 Ergonomics
图T5 影响人体能的因素
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第五章 人体生物力学与施力特征
2： 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B-1。
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B-5
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第五章 人体生物力学与施力特征
表B—1 人体各部位动作速度与频率限度
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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。
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
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
5.1 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
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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
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，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 6%～7%。
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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。
以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表3-1。 （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。
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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3-2。
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3-3。
第五章 人体生物力学与施力特征
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 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。
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。
2、操作力：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。
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 操纵力设计的依据。
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5—2 身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
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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。
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第五章 人体生物力学与施力特征
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （a）操作姿态
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第五章 人体生物力学与施力特征
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第五章 人体生物力学与施力特征
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第五章 人体生物力学与施力特征
（３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和 拉力；如图T1，如表5-3。
（４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。
注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 如图T3和图T4
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可知大约在70°处 可达最大值，即产生相 当于体重的力量。这正 是许多操纵机构（例如 方向盘）至于人体正前 上方的原因所在。
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表B-2 人体各部分的最大运动频率
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3：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。
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第五章 人体生物力学与施力特征 3.1 反应时间
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表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
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。
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最大蹬力 一般在膝部 屈曲160° 时产生。
图5-7 不同体位下的蹬力
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图5-8（b）为常见的活动姿态，其对应的 实力大小见表5-6，施力时相应的移动距离已标 注在该图中。
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （b）活动姿态
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补充材料
1：影响人体能的因素
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.
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
简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间
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第五章 人体生物力学与施力特征
影响反应时间的主要因素
1.不同的感觉器官（不同性质的刺激） （1）不同的感觉器官简单反应的时间不同；
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
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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。
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 。
第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
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第五章 人体生物力学与施力特征
人体各部分的活动范围
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人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
“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。
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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3-4 （3）刺激的数目、颜色；表3-5 B （4）显示器及操纵器的设计。
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。
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第五章 人体生物力学与施力特征
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆 返回
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5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理
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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
（a）挖沟作业示意图
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第五章 人体生物力学与施力特征
（b）开渠机驾驶舱（正视图）
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下肢来自百度文库外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
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图T3
图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％
，
不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。 人机工程学 Ergonomics
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5.3.3 人体不同姿势的施力