第四章人的运动系统及其设计
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3. 目标距离。 随着目标距离增加，定位运动时间增长；随着目标 宽度增加，定位运动时间缩短。
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41
4.3.3 人体运动的时间
4. 动作轨迹特征。 （1）连续改变和突然改变的曲线式动作，前者速度快，后 者速度慢； （2）水平动作比垂直动作的速度快； （3）一直向前的动作速度，比旋转式的动作速度快1.5~2倍 左右； （4）圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活。
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35
4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺
寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动
的角度来表现。
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36
4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
相似，叫做骨杠杆。
（1）示例2：
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26
4.2.2 骨杠杆
骨杠杆分类： 骨杠杆一般可以分为三类：平衡杠杆、省力杠杆和速度 杠杆。
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27
4.3人体运动特征
4.3.1 人体运动的种类 （1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。
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28
2. 盲目定位运动的准确性。
结论：正前方准确性最高，右方稍优于左方；同一方位下，下 和中优于上方。
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44
4.3.4 人体运动的精度
3. 运动方向与准确性。
结论：在垂直面上，手臂上下运动更稳定，颤抖方向上下。在 水平面上，手臂左右方向更稳定，颤抖方向也为左右方向。
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生各种运动和操纵姿势。
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24
4.2.2 骨杠杆
人体运动中，骨在肌肉拉力下绕关节转动，它的 原理、结构和功能与机械杠杆相似，叫做骨杠杆。 （1）示例1：
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25
4.2.2 骨杠杆
人体运动中，骨 在肌肉拉力下绕关节 转动，它的原理、结 构和功能与机械杠杆
2. 反射 （1） 反射（Reflex）就是在中枢神经系统的参与下， 机体对外界刺激所作的有规律的反应。
反射弧
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8
5.1.2 肌肉收缩的神经控制
2. 反射 （2） 反射过程。
Fra Baidu bibliotek
刺激
感受器
神经冲动
反射中枢
运动指令
感受体验
大脑皮层
动作
效应器
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4.1.3 肌肉施力
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13
4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 静态作业与人体症状如下：
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14
4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 举例：
铣工
钻工
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15
4.1.3 肌肉施力
3. 静态施力极限 在设计作业动作的 时候，首先应该尽量减少 静态施力产生，肌肉施力
4. 减少静态施力的设
计
案例2：避免长时 间地抬手作业，是减 少静态施力设计的重 要内容。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 实例3： 当手不得不在较高位 置作业时，应该使用支承
物来托住人的前臂、关节
或手。
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4.1.3 肌肉施力
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11
4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施 力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期 延长等现象。
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4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施 力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期 延长等现象。
4. 减少静态施力的设计 实例4： 如果会造成抬手作业，通常应该设计手臂、脚支撑， 避免静态施力。
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4.2 骨和关节运动
4.2.1 骨的结构和功能
骨是人体内部最坚固的组织。人体
共有206块骨，约占人体体重的1/10-1/5。 骨按其所在部位可以分为颅骨、躯干骨 和四肢骨。
佳匹配。
（2）微观：删除无效动作、减少等待、增加动作 节奏和提高工作效率。
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4.4.1 动作元素
人 机 工 程 学
教师：廖 敏
机械工程与自动化学院
第四章 人的运动系统及其设计
4.1 肌肉
4.2 骨和关节运动
4.3 人体运动特征 4.4 人的操作动作分析
4.5 控制设计
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2
4.1 肌肉
4.1.1 肌肉的生理特征 1. 肌肉结构
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3
4.1.1 肌肉的生理特征
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4.3.3 人体运动的时间
人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。 人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作
特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。
1. 运动方向。 研究的结果表明：
通过屈肘控制手臂的运
动，在左下方和右上方 能够运动更快。
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力的大小（N）
男 370 390 女 200 220
左
右 左 右
280
290 280 290
130
130 200 210
左
右 左 右
210
230 100 120
170
180 80 90
背部肌肉（躯干屈伸的肌肉）
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1220
710
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2. 手的力量
手的力量与运动方向、角度以及肘关节的角度等有 密切关系。表3-7.
抓取 手 直线的 曲线的 克服阻力 不克服阻力
最少平均时间/s
0.07 0.22 0.72 0.22 0.36 0.72 0.36 0.72~1.46 0.72~1.62 1.26
旋转
脚 直线的 克服阻力的 直线的 脚向侧面 弯曲 倾斜
腿
躯干
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4.3.3 人体运动的时间
1. 动态肌肉施力和静态肌肉施力 （1）基本名词 肌肉收缩产生肌力，肌力可以作用于骨，然后通过 人体结构再作用于其他物体上，这个过程称为肌肉施力。
动态肌肉施力就是肌肉运动时收缩和舒张交替改变；
静态肌肉施力则是持续保持收缩状态的肌肉运动形 式。
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4.1.3 肌肉施力
1. 动态肌肉施力和静态肌肉施力 （2）区别 动态肌肉施力和静态肌肉施力区别：施力方式的根本区 别在于它们对血液流动的影响。
45
4.3.4 人体运动的精度
4. 操作方式与准确性。
好
不好
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4.3.5 人体力量
人体力量根据肌肉产生的位移的情况可以分为静态 力量和动态力量。 • 静态力量是人体保持特定姿势或固定位置需要的力量。 • 动态力量是人体位置或姿势发生变化时动作的力量。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
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1. 影响人体力量的个体因素
有很多因素会对人体力量有影响，比如基因、人的尺寸、训练、 动机、年龄、性别等。在这些因素中，年龄和性别的影响是比较显
著的两个因素。
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1. 影响人体力量的个体因素
身体主要部位肌肉所产生的力
肌肉的部位 手臂肌肉 肱二头肌 手臂弯曲时的肌肉 手臂伸直时的肌肉 拇指肌肉 左 右
（5）顺时针动作比逆时针动作灵活；
（6）手向着身体的动作比离开身体的动作灵活； （7）向前后的往复动作比向左右的往复动作速度快。
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4.3.4 人体运动的精度
与运动时间、运动种类、运动方向和操作方式等有关。 1. 运动速度与准确性。
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4.3.4 人体运动的精度
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4.2.1 骨的结构和功能
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4.2.1 骨的结构和功能
骨的功能主要包括四个方面：
第一，骨与骨连接组成骨骼，支持人体软组织和全
身重量； 第二，骨形成体腔壁，保护脑和心肺等组织； 第三，骨具有造血功能，并且是人体所需钙、磷物 质的贮备仓库；
第四，肌肉收缩时，牵引骨绕关节转动，使人体产
4.3.1 人体运动的种类
（1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。
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4.3.1 人体运动的种类
（2）旋转运动：骨绕垂直轴的运动叫做旋转运动。
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4.3.1 人体运动的种类
（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨 成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆 锥体的图形。
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4.3.1 人体运动的种类
（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨 成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆 锥体的图形。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
2. 肌肉收缩 粗微丝（肌球蛋白）和细微丝（肌动蛋白）和两端的 弹性成分构成一个收缩系统。 肌肉收缩产生肌力，其大小
与肌肉长度和肌肉横截面积
的大小有关。
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4.1.1 肌肉的生理特征
3. 肌肉收缩的代谢过程
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4.1.1 肌肉的生理特征
4. 肌肉活动强度的测量 通常采用肌电图（Electromyography，EMG）来对 肌肉活动进行测量。肌电图就是通过放大的肌肉电活动来 测量肌肉活动的记录。
运动单位电位
肌电图
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4.1.2 肌肉收缩的神经控制
1. 肌肉收缩与神经控制 • 肌肉收缩取决于肌纤维收缩，而肌纤维收缩是由神经 冲动引起的。 • 肌肉的神经控制是通过联系肌肉和中枢神经的运动神 经和感觉神经来实现的。
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4.1.2 肌肉收缩的神经控制
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2. 手的力量
立姿弯臂时的力量分布
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2. 手的力量
立姿直臂时的力量分布
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3. 脚的力量
脚的力量与下肢的姿势、位置和方向有关。
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4. 耐力
人在一定时间里保持某种用力水平的能力叫做耐力。 人体的耐力和瞬时的力量大小不存在比例关系。 肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。例如拉 力由最大值减到1/4时，只需要4分钟。
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4.3.3 人体运动的时间
人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。 人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作 特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。
1. 运动方向。
不同区域内手指敲击运动速度差异
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4.3.3 人体运动的时间
2. 动作特点。
动作部位 动作特点/动作轨迹特征
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4.3.6 肢体的动作速度与频率
决定于肢体肌肉收缩速度、运动方向和动作轨迹等。 表3-10 人体各部位动作速度与频率限度
动作部位 手的运动/（cm· s-1） 控制操纵杆位移/（cm· s-1） 手指敲击的最大频率/（次· s-1） 旋转把手与驾驶盘/（r· s-1） 身体转动/（次· s-1） 手控制的最大谐振截止频率/（Hz） 手的弯曲与伸直/（次· s-1） 脚掌与脚的运动/（次· s-1）
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动作速度与频率 35 8.8~17 3~5 9.42~29.46 0.72~1.62 0.8 1~1.2 0.36~0.72
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4.4人的操作动作分析
动作分析就是指作业或操作的动作组成、结构特点
及其相互关系的分析。
动作研究一般从宏观（生产过程：流程、工艺、人、 机器）和微观（操作动作）两个层次展开。 目的： （1）宏观：建立过程间、机器与人作业间等的最
大小应该低于肌肉最大肌
力的15%。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 减少静态施力最重要的就是要避免不“自然”的身 体姿势。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 案例1：钳子的设计。
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4.1.3 肌肉施力
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41
4.3.3 人体运动的时间
4. 动作轨迹特征。 （1）连续改变和突然改变的曲线式动作，前者速度快，后 者速度慢； （2）水平动作比垂直动作的速度快； （3）一直向前的动作速度，比旋转式的动作速度快1.5~2倍 左右； （4）圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺
寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动
的角度来表现。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
相似，叫做骨杠杆。
（1）示例2：
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4.2.2 骨杠杆
骨杠杆分类： 骨杠杆一般可以分为三类：平衡杠杆、省力杠杆和速度 杠杆。
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4.3人体运动特征
4.3.1 人体运动的种类 （1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。
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2. 盲目定位运动的准确性。
结论：正前方准确性最高，右方稍优于左方；同一方位下，下 和中优于上方。
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4.3.4 人体运动的精度
3. 运动方向与准确性。
结论：在垂直面上，手臂上下运动更稳定，颤抖方向上下。在 水平面上，手臂左右方向更稳定，颤抖方向也为左右方向。
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生各种运动和操纵姿势。
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4.2.2 骨杠杆
人体运动中，骨在肌肉拉力下绕关节转动，它的 原理、结构和功能与机械杠杆相似，叫做骨杠杆。 （1）示例1：
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4.2.2 骨杠杆
人体运动中，骨 在肌肉拉力下绕关节 转动，它的原理、结 构和功能与机械杠杆
2. 反射 （1） 反射（Reflex）就是在中枢神经系统的参与下， 机体对外界刺激所作的有规律的反应。
反射弧
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5.1.2 肌肉收缩的神经控制
2. 反射 （2） 反射过程。
Fra Baidu bibliotek
刺激
感受器
神经冲动
反射中枢
运动指令
感受体验
大脑皮层
动作
效应器
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4.1.3 肌肉施力
2014年6月26日星期四
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4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 静态作业与人体症状如下：
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4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 举例：
铣工
钻工
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15
4.1.3 肌肉施力
3. 静态施力极限 在设计作业动作的 时候，首先应该尽量减少 静态施力产生，肌肉施力
4. 减少静态施力的设
计
案例2：避免长时 间地抬手作业，是减 少静态施力设计的重 要内容。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 实例3： 当手不得不在较高位 置作业时，应该使用支承
物来托住人的前臂、关节
或手。
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20
4.1.3 肌肉施力
2014年6月26日星期四
11
4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施 力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期 延长等现象。
2014年6月26日星期四
12
4.1.3 肌肉施力
2. 静态施力的生理效应 在静态作业的情况下，与动态施力相比较，静态施 力会造成能量消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期 延长等现象。
4. 减少静态施力的设计 实例4： 如果会造成抬手作业，通常应该设计手臂、脚支撑， 避免静态施力。
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4.2 骨和关节运动
4.2.1 骨的结构和功能
骨是人体内部最坚固的组织。人体
共有206块骨，约占人体体重的1/10-1/5。 骨按其所在部位可以分为颅骨、躯干骨 和四肢骨。
佳匹配。
（2）微观：删除无效动作、减少等待、增加动作 节奏和提高工作效率。
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4.4.1 动作元素
人 机 工 程 学
教师：廖 敏
机械工程与自动化学院
第四章 人的运动系统及其设计
4.1 肌肉
4.2 骨和关节运动
4.3 人体运动特征 4.4 人的操作动作分析
4.5 控制设计
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2
4.1 肌肉
4.1.1 肌肉的生理特征 1. 肌肉结构
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4.1.1 肌肉的生理特征
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4.3.3 人体运动的时间
人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。 人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作
特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。
1. 运动方向。 研究的结果表明：
通过屈肘控制手臂的运
动，在左下方和右上方 能够运动更快。
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力的大小（N）
男 370 390 女 200 220
左
右 左 右
280
290 280 290
130
130 200 210
左
右 左 右
210
230 100 120
170
180 80 90
背部肌肉（躯干屈伸的肌肉）
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710
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2. 手的力量
手的力量与运动方向、角度以及肘关节的角度等有 密切关系。表3-7.
抓取 手 直线的 曲线的 克服阻力 不克服阻力
最少平均时间/s
0.07 0.22 0.72 0.22 0.36 0.72 0.36 0.72~1.46 0.72~1.62 1.26
旋转
脚 直线的 克服阻力的 直线的 脚向侧面 弯曲 倾斜
腿
躯干
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4.3.3 人体运动的时间
1. 动态肌肉施力和静态肌肉施力 （1）基本名词 肌肉收缩产生肌力，肌力可以作用于骨，然后通过 人体结构再作用于其他物体上，这个过程称为肌肉施力。
动态肌肉施力就是肌肉运动时收缩和舒张交替改变；
静态肌肉施力则是持续保持收缩状态的肌肉运动形 式。
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4.1.3 肌肉施力
1. 动态肌肉施力和静态肌肉施力 （2）区别 动态肌肉施力和静态肌肉施力区别：施力方式的根本区 别在于它们对血液流动的影响。
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4.3.4 人体运动的精度
4. 操作方式与准确性。
好
不好
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4.3.5 人体力量
人体力量根据肌肉产生的位移的情况可以分为静态 力量和动态力量。 • 静态力量是人体保持特定姿势或固定位置需要的力量。 • 动态力量是人体位置或姿势发生变化时动作的力量。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
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1. 影响人体力量的个体因素
有很多因素会对人体力量有影响，比如基因、人的尺寸、训练、 动机、年龄、性别等。在这些因素中，年龄和性别的影响是比较显
著的两个因素。
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1. 影响人体力量的个体因素
身体主要部位肌肉所产生的力
肌肉的部位 手臂肌肉 肱二头肌 手臂弯曲时的肌肉 手臂伸直时的肌肉 拇指肌肉 左 右
（5）顺时针动作比逆时针动作灵活；
（6）手向着身体的动作比离开身体的动作灵活； （7）向前后的往复动作比向左右的往复动作速度快。
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4.3.4 人体运动的精度
与运动时间、运动种类、运动方向和操作方式等有关。 1. 运动速度与准确性。
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4.3.4 人体运动的精度
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4.2.1 骨的结构和功能
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4.2.1 骨的结构和功能
骨的功能主要包括四个方面：
第一，骨与骨连接组成骨骼，支持人体软组织和全
身重量； 第二，骨形成体腔壁，保护脑和心肺等组织； 第三，骨具有造血功能，并且是人体所需钙、磷物 质的贮备仓库；
第四，肌肉收缩时，牵引骨绕关节转动，使人体产
4.3.1 人体运动的种类
（1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。
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4.3.1 人体运动的种类
（2）旋转运动：骨绕垂直轴的运动叫做旋转运动。
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4.3.1 人体运动的种类
（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨 成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆 锥体的图形。
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4.3.1 人体运动的种类
（3）环转运动：指整根骨头绕骨的一个端点，并与骨 成一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点象一个圆 锥体的图形。
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4.3.2 人体运动的范围
人体运动的范围通常受到两个因素的影响：人的尺 寸和关节活动的范围。关节活动的范围通常用关节运动 的角度来表现。
2. 肌肉收缩 粗微丝（肌球蛋白）和细微丝（肌动蛋白）和两端的 弹性成分构成一个收缩系统。 肌肉收缩产生肌力，其大小
与肌肉长度和肌肉横截面积
的大小有关。
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4.1.1 肌肉的生理特征
3. 肌肉收缩的代谢过程
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4.1.1 肌肉的生理特征
4. 肌肉活动强度的测量 通常采用肌电图（Electromyography，EMG）来对 肌肉活动进行测量。肌电图就是通过放大的肌肉电活动来 测量肌肉活动的记录。
运动单位电位
肌电图
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4.1.2 肌肉收缩的神经控制
1. 肌肉收缩与神经控制 • 肌肉收缩取决于肌纤维收缩，而肌纤维收缩是由神经 冲动引起的。 • 肌肉的神经控制是通过联系肌肉和中枢神经的运动神 经和感觉神经来实现的。
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4.1.2 肌肉收缩的神经控制
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2. 手的力量
立姿弯臂时的力量分布
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2. 手的力量
立姿直臂时的力量分布
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3. 脚的力量
脚的力量与下肢的姿势、位置和方向有关。
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4. 耐力
人在一定时间里保持某种用力水平的能力叫做耐力。 人体的耐力和瞬时的力量大小不存在比例关系。 肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。例如拉 力由最大值减到1/4时，只需要4分钟。
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4.3.3 人体运动的时间
人体运动的时间是从运动开始到运动结束的时间。 人体运动的时间主要依赖于运动方向、运动距离、动作 特点、动作轨迹特征、负荷重量和运动精确性。
1. 运动方向。
不同区域内手指敲击运动速度差异
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4.3.3 人体运动的时间
2. 动作特点。
动作部位 动作特点/动作轨迹特征
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4.3.6 肢体的动作速度与频率
决定于肢体肌肉收缩速度、运动方向和动作轨迹等。 表3-10 人体各部位动作速度与频率限度
动作部位 手的运动/（cm· s-1） 控制操纵杆位移/（cm· s-1） 手指敲击的最大频率/（次· s-1） 旋转把手与驾驶盘/（r· s-1） 身体转动/（次· s-1） 手控制的最大谐振截止频率/（Hz） 手的弯曲与伸直/（次· s-1） 脚掌与脚的运动/（次· s-1）
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动作速度与频率 35 8.8~17 3~5 9.42~29.46 0.72~1.62 0.8 1~1.2 0.36~0.72
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4.4人的操作动作分析
动作分析就是指作业或操作的动作组成、结构特点
及其相互关系的分析。
动作研究一般从宏观（生产过程：流程、工艺、人、 机器）和微观（操作动作）两个层次展开。 目的： （1）宏观：建立过程间、机器与人作业间等的最
大小应该低于肌肉最大肌
力的15%。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 减少静态施力最重要的就是要避免不“自然”的身 体姿势。
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4.1.3 肌肉施力
4. 减少静态施力的设计 案例1：钳子的设计。
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4.1.3 肌肉施力