骨科人體生物力學(xué)與施力特征分析第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

根據(jù)支點(diǎn)，力點(diǎn)（動力點(diǎn)）、重點(diǎn)（阻力點(diǎn)）三者不同的位置分布，分為：見圖5-1（1）平衡杠桿（2）省力杠桿（3）速度杠桿：用力大，但運(yùn)動速度快由等功原理，得之于力則失之于幅度，反之亦然。因此，最大的力量與最大的運(yùn)動范圍兩者是相矛盾的，在設(shè)計(jì)操縱動作時(shí)，必須考慮這一原理。2.骨杠桿第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖5-1人體骨杠桿

（a）平衡杠桿（b）省力杠桿（c）速度杠桿返回第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二5.2人體生物力學(xué)模型5.2.1人體生物力學(xué)建模原理

生物力學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示人體機(jī)械組成各部分之間的關(guān)系。在這個(gè)模型中，肌肉骨骼系統(tǒng)被看做機(jī)械系統(tǒng)中的聯(lián)接，骨骼和肌肉是一系列功能不同的杠桿。生物力學(xué)模型可以采用物理學(xué)和人體工程學(xué)的方法來計(jì)算人體肌肉和骨骼所受的力，通過這樣的分析就能幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)清楚工作環(huán)境中的危險(xiǎn)并盡量避免這些危險(xiǎn)。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二生物力學(xué)模型的基本原理建立在牛頓的三大定律上：（1）物體在無外力作用下會保持勻速直線運(yùn)動或

靜止?fàn)顟B(tài)；（2）物體的加速度跟所受的合外力大小成正比；（3）兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小

相等，方向相反，作用在一條直線上。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二當(dāng)身體及身體的各個(gè)部位沒有運(yùn)動時(shí)，可認(rèn)為它們處于靜止?fàn)顟B(tài)。必須滿足以下條件：作用在這個(gè)物體上的外力大小之和為零；作用在該物體上的外力的力矩之和為零。單一部位的靜止平面模型（又稱為二維模型），通常指的是在一個(gè)平面上分析身體的受力情況。靜止模型認(rèn)為身體或身體的各個(gè)部分如果沒有運(yùn)動就處于靜止?fàn)顟B(tài)。單一物體的靜止平面模型是最基礎(chǔ)的模型，它體現(xiàn)了生物力學(xué)模型最基本的研究方法。復(fù)雜的三維模型和全身模型都建立在這個(gè)基本模型上。第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二5.2.2前臂和手的生物力學(xué)模型圖5-2抓捏物體時(shí)前臂和手的生物力學(xué)簡化模型∑（肘部受力）=0（5-3）∑（肘部總力矩）=0（5-4）第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二5.2.3舉物時(shí)腰部生物力學(xué)模型圖5-3舉物時(shí)腰部的生物力學(xué)靜止平面模型∑（L5/S1腰骶間盤力矩）=0

（5-7）∑（L5/S1腰骶間盤受力）=0

（5-8）解得腰骶間盤所受的壓力達(dá)到5458N，大多數(shù)工人的腰骶間盤都無法承受這個(gè)壓力水平。主要因素：貨物的重力和貨物的位置到脊柱重心的距離。其它因素還有：軀體扭轉(zhuǎn)的角度、貨物的大小和形狀、貨物移動的距離等。第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二骨與骨之間除了由關(guān)節(jié)相連外，還由肌肉和韌帶聯(lián)接在一起。因韌帶除了有聯(lián)接兩骨、增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性的作用外，還有限制關(guān)節(jié)運(yùn)動的作用。因此，人體各關(guān)節(jié)的活動有一定的限度，超過限度，將會造成損傷。5.3.1主要關(guān)節(jié)的活動范圍5.3人體的施力特征另外，人體處于舒適時(shí)，關(guān)節(jié)必然處在一定的舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。表5-1為人體重要活動范圍和身體各部姿勢調(diào)節(jié)范圍，表中的身體部位及關(guān)節(jié)名稱可參考相應(yīng)的示意圖5-4。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

表5-1重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍10.下擺、上擺第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

表5-1（續(xù)）重要活動范圍和身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

人體各部分的活動范圍第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二人體上部及上肢固定姿勢活動角度范圍第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例開渠機(jī)挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置（a）挖溝作業(yè)示意圖第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（b）開渠機(jī)駕駛艙（正視圖）第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（c）開挖溝渠作業(yè)時(shí)操作人員的姿勢（1）操作手柄的布置要使人在操作時(shí)的各個(gè)關(guān)節(jié)在舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。（2）在機(jī)器的縱向布置上，要方便操作者觀察。減少頸部和腰部的疲勞。第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二5.3.2肢體的出力范圍1、肌力：肌肉的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力稱為肌肉力。人的一條肌纖維所發(fā)揮的力量約為0.01～0.02N，肌力是多條肌纖維的收縮力總和。人體肌肉的生理特征。見表5-22、操作力：在作業(yè)中，為了達(dá)到操作效果，操作者有關(guān)部位（手、腳、軀干等）所施出的一定大小的力。決定因素：肌力、施力的姿勢、部位、方式和方向。只有在這些綜合條件下的肌肉出力的能力和限度才是操縱力設(shè)計(jì)的依據(jù)。第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表5—2身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力（單位：N，20～30歲）返回結(jié)論：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手強(qiáng)10%，而習(xí)慣有左手的人，其左手的肌力比右手強(qiáng)6%～7%。第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（１）在直立姿勢下彎臂時(shí)，不同角度時(shí)的力量分布；如圖5-5。（２）在直立姿勢下臂伸直時(shí)，不同角度位置上拉力和推力的分布；如圖5-6。（３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力；如圖T1，如表5-3。（４）坐姿時(shí)，下肢不同位置上的蹬力大小。如圖5—7(a)和5-7(b）。注:肢體所施力量的大小，與持續(xù)時(shí)間有關(guān).如圖T3和圖T4第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖5-5立姿彎臂時(shí)的力量分布180°

可知大約在70°處可達(dá)最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。這正是許多操縱機(jī)構(gòu)（例如方向盤）至于人體正前上方的原因所在。返回第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

圖5-6立姿直臂時(shí)拉力和推力分布拉力推力返回最大拉力產(chǎn)生在180°位置上。最大推力產(chǎn)生在0°位置上。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖T1坐姿時(shí)手臂的操縱力的測試方位返回第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

表5—3手臂在坐姿下對不同角度和方向的操縱力（單位：N）返回結(jié)論：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向內(nèi)用力大于向外用力。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖5-7不同體位下的蹬力返回

最大蹬力一般在膝部屈曲160°時(shí)產(chǎn)生。

下肢向外偏轉(zhuǎn)約10°時(shí)的蹬力最大。第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖T3圖T4結(jié)論：由最大值衰減到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％，不容易疲勞,操作力＝最大肌力的15％,操作可無限持續(xù)。返回第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二5.3.3人體不同姿勢的施力肌力的大小因人而異，男性的力量比女性平均大30%~35%。年齡是影響肌力的顯著因素，男性的力量在20歲之前是不斷增長的，20歲左右達(dá)到頂峰，這種狀態(tài)大約可以保持10~15年，隨后開始下降。此外，人體所處的姿勢是影響施力的重要因素，作業(yè)姿勢設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這一要素。圖5-8表示人體在不同姿勢下的施力狀態(tài)，圖中（a）為常見的操作姿態(tài)，其對應(yīng)的施力數(shù)值見表5-4，施力時(shí)對應(yīng)的移動距離見表5-5.第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖5-8人體在不同姿勢下的實(shí)力狀態(tài)（a）操作姿態(tài)第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二圖5-8人體在不同姿勢下的實(shí)力狀態(tài)（b）活動姿態(tài)圖5-8（b）為常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的實(shí)力大小見表5-6，施力時(shí)相應(yīng)的移動距離已標(biāo)注在該圖中。第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

圖T5影響人體能的因素補(bǔ)充材料1：影響人體能的因素第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二2：肢體的動作速度與頻率2.１、動作速度(1)肢體肌肉收縮的速度：不同的肌肉，肌力、阻力；(2)動作方向和動作軌跡等特征(動作特征）2.２、動作頻率

取決于動作部位和動作方式。參閱表B-1。2.3、人體動作的靈活性：是指操作時(shí)動作速度和頻率，由人體的生物力學(xué)特性所決定。人體重量輕的部位比重的部位、短的部位比長的部位、肢體末端比主干部位的動作更靈活。因此，設(shè)計(jì)機(jī)器及其操縱裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮人體動作靈活性的特點(diǎn)。參閱表B-5第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

表B—1人體各部位動作速度與頻率限度返回第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表B-2人體各部分的最大運(yùn)動頻率返回第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3：人的運(yùn)動輸出人的信息輸出方式：語言輸出、運(yùn)動輸出。運(yùn)動輸出的質(zhì)量指標(biāo)：反應(yīng)時(shí)間、運(yùn)動速度和準(zhǔn)確性。第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3.1反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間（RT）:又稱為反應(yīng)潛伏期，它是指刺激和反應(yīng)的時(shí)間間隔。它由反應(yīng)知覺時(shí)間（tz）和動作時(shí)間（td）組成。即RT=tz+td

簡單反應(yīng)時(shí)間、選擇反應(yīng)時(shí)間、析取反應(yīng)時(shí)間第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二1.不同的感覺器官（不同性質(zhì)的刺激）（1）不同的感覺器官簡單反應(yīng)的時(shí)間不同；以觸覺與聽覺最優(yōu)，視覺次之。參閱表3-1。（2）同一感覺器官接受的刺激不同，反應(yīng)時(shí)間不同；（3）相同感覺器官接受相同的刺激，不同部位反應(yīng)時(shí)間不同。

影響反應(yīng)時(shí)間的主要因素第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時(shí)間是不同的，見表3-2。

2.刺激信號的性質(zhì)和強(qiáng)度

對于同一種性質(zhì)的刺激來說，一般情況是對弱刺激的反應(yīng)時(shí)間較長，刺激增加到中等強(qiáng)度與極強(qiáng)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短。刺激方式影響反應(yīng)時(shí)間。參閱表3-3。

“不可減的最少限”：反應(yīng)時(shí)間不再減少的刺激強(qiáng)度增量的上限值。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3.刺激的清晰度和可辯性（環(huán)境影響）（1）信號與背景的亮度、顏色、信噪比及頻率的對比程度越強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間越短；（2）刺激信號的刺激時(shí)間；參閱表3-4

（3）刺激的數(shù)目、顏色；表3-5

B

（4）顯示器及操縱器的設(shè)計(jì)。第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

習(xí)俗、個(gè)體差異（性別、年齡）、疲勞等個(gè)人生理、心理狀況。

年齡2030405060反應(yīng)時(shí)間相對值100104112116161年齡與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

4.人的主體因素第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表3-1不同感覺器官的反應(yīng)時(shí)間感覺器官反應(yīng)時(shí)間（ms）觸覺110-160聽覺120-160視覺150-200冷覺150-230溫覺180-240嗅覺210-390痛覺400-1000味覺330-1100返回第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二刺激反應(yīng)時(shí)間（ms）光電擊聲音光和電擊光和聲音聲音和電擊光、聲和電擊176143142142142131127表3-2對各種刺激的反應(yīng)時(shí)間返回第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表3-3不同強(qiáng)度刺激的反應(yīng)時(shí)間返回第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表3-4光刺激時(shí)間對反應(yīng)時(shí)間的影響表3-5可選擇的刺激數(shù)目對反應(yīng)時(shí)間的影響光刺激持續(xù)時(shí)間36122448反應(yīng)時(shí)間191189187184184刺激選擇數(shù)目反應(yīng)時(shí)間（ms）11872316336444345485653275708603961910622返回第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二要辨別的刺激白和黑紅和綠紅和黃紅和橙紅和橙（加25%紅）紅和橙（加50%紅）紅和橙（加75%紅）10和13mm線段10和12.5mm線段平均反應(yīng)時(shí)間（ms）197208217246252260271296298要辨別的刺激10和12mm線段10和11.5mm線段10和11mm線段10和10.5mm線段相差16Hz純音相差12Hz純音相差8Hz純音相差4Hz純音

平均反應(yīng)時(shí)間（ms）305313324345290299311334

B刺激的辨別難度對反應(yīng)時(shí)間的影響返回第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

1.動作特點(diǎn)

表3-6

2.目標(biāo)距離：距離增加，Td增長，寬度增加，

Td縮短。

3.運(yùn)動方向

圖3-1

圖3-24.動作軌跡特征

5.負(fù)荷重量：最大運(yùn)動速度與負(fù)荷重量成反比。

3.2運(yùn)動速度用完成動作的時(shí)間來評定（Td）第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二1其他功能23456人體軀干和肢體在水平面的運(yùn)動比在垂直面的運(yùn)動速度快。垂直方向的操縱動作，從上往下的運(yùn)動速度比從下往上的運(yùn)動速度快。水平方向的操縱動作，前后運(yùn)動速度比左右運(yùn)動速度快，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動比直線運(yùn)動更靈活。順時(shí)針方向的操作動作比逆時(shí)針方向的操作動作，速度更快，更加習(xí)慣。一般人的手操縱動作，右手比左手快，而右手的動作，向右運(yùn)動比向左運(yùn)動快。向身體方向的運(yùn)動比離開身體方向的運(yùn)動，速度更快，但后者的準(zhǔn)確性高。

返回第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二表3-6人體各部位動作一次的最少平均時(shí)間動作部位動作特點(diǎn)最少平均時(shí)間/s手抓取直線的曲線的0.070.22旋轉(zhuǎn)克服阻力不克服阻力0.720.22腳直線的克服阻力的0.360.72腿直線的腳向側(cè)面0.360.72～1.46軀干彎曲傾斜0.72～1.621.26返回第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二出手距離（cm）204060平均反應(yīng)時(shí)間（ms）525596670標(biāo)準(zhǔn)差（ms）507174反應(yīng)動作距離與動作時(shí)間返回第50頁，共58頁