骨科人体生物力学与施力特征分析

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。
“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。
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；
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。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
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表3-3
不同强度刺激的反应时间
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表3-4 光刺激时间对反应时间的影响
光刺激持续 时间 反 应 时 间 3 191 6 189 12 187 24 184 48 184
表3-5 可选择的刺激数目对反应时间的影响
刺激选择数 目反应时间 （ms） 1 187 2 316 3 364 4 434 5 485 6 532 7 570 8 603 9 619 10 622
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5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （a）操作姿态
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
补充材料
1：影响人体能的因素
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
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。 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。
一般人 的手操 纵动作 ，右手 比左手 快，而 右手的 动作， 向右运 动比向 左运动 快。
其 他 功 能
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表3-6 人体各部位动作一次的最少平均时间
动作部位 抓取 手 旋转 脚 腿 躯干 直 线 的 克服阻力的 直 线 的 脚 向侧 面 弯 倾 曲 斜 动作特点 最少平均时间/s
直线的 曲线的
图T5 影响人体能的因素
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
4
5
6 向身体 方向的 运动比 离开身 体方向 的运动， 速度更 快，但 后者的 准确性 高。
人体躯 干和肢 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 。
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 。
要辨别 的刺激
1 0 和 1 2 mm 线段
1 0 和 11 . 5 mm 线段
1 0 和 1 1 mm 线段
1 0 和 10.5mm 线段
相 差 16Hz 纯 音
相 差 12Hz 纯 音
相 差 8 Hz 纯 音
相 差 4 Hz 纯 音
平均反 应时间 （ms）
305
313
324
345
290
299
311
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。
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）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐：主要是磷 和钙等。
成。 即 RT=tz+td
简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间
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；
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。
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 静止状态； （2）物体的加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。
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。
表B—1 人体各部位动作速度与频率限度
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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。
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
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。
表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
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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B 刺激的辨别难度对反应时间的影响
红和橙 （ 加 25%红） 红和橙 （ 加 50%红） 红和橙 （ 加 75%红） 1 0 和 1 3 mm 线段 1 0 和 12.5mm 线段
要辨别 的刺激
白和黑
红和绿
红和黄
红和橙
平均反 应时间 （ms）
197
208
217
246
252
260
271
296
298
克服阻力 不克服阻力
0.07 0.22
0.72 0.22 0.36 0.72 0.36 0.72～1.46 0.72～1.62 1.26 返回
反应动作距离与动作时间
出手距离（cm） 平均反应时间 （ms） 标准差（ms） 20 525 50 40 596 71
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆
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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 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。
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 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
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
解得腰骶间盘所受的压 主要因素：货物的重力和货 力达到5458N，大多数工 物的位置到脊柱重心的距离。 其它因素还有：躯体扭转的角 人的腰骶间盘都无法承受 度、货物的大小和形状、货物 这个压力水平。 移动的距离等。
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。
下肢向外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
图5-7 不同体位下的蹬力
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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。 返回
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。
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