(醫(yī)學(xué)課件)骨科人體生物力學(xué)與施力特征分析ppt演示課件

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.,1,5.1.1 人體運動系統(tǒng),骨—運動的杠桿關(guān)節(jié)—運動的樞紐肌肉—運動的動力,5.1 人體運動與骨杠桿,三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)下協(xié)調(diào)一致，隨著人的意志，共同準(zhǔn)確地完成動作。,.,2,5.1.2 骨的功能和骨杠桿,（1）支撐人體（2）保護內(nèi)臟（3）運動的杠桿（4）造血（5）儲備礦物鹽：主要是磷 和鈣等。,1.骨的功能,.,3,根據(jù)支點，力點（動力點）、重點（阻力點） 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動范圍兩者是相矛盾的，在設(shè)計操縱動作時，必須考慮這一原理。,2. 骨杠桿,.,4,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,.,5,5.2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)表達式表示人體機械組成各部分之間的關(guān)系。在這個模型中，肌肉骨骼系統(tǒng)被看做機械系統(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)計者在設(shè)計時清楚工作環(huán)境中的危險并盡量避免這些危險。,.,6,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。,.,7,當(dāng)身體及身體的各個部位沒有運動時，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部分如果沒有運動就處于靜止?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基本模型上。,.,8,5.2.2 前臂和手的生物力學(xué)模型,圖5-2 抓捏物體時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）,.,9,5.2.3 舉物時腰部生物力學(xué)模型,圖5-3 舉物時腰部的生物力學(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到5458N，大多數(shù)工人的腰骶間盤都無法承受這個壓力水平。,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。,.,10,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，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。,.,11,,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,.,12,,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,.,13,人體各部分的活動范圍,.,14,人體上部及上肢固定姿勢活動角度范圍,.,15,主要關(guān)節(jié)活動范圍在設(shè)計中的應(yīng)用實例,開渠機挖溝作業(yè)中操作手柄和座椅的設(shè)置,（a）挖溝作業(yè)示意圖,.,16,（b）開渠機駕駛艙（正視圖）,.,17,（c）開挖溝渠作業(yè)時操作人員的姿勢,（1）操作手柄的布置要使人在操作時的各個關(guān)節(jié)在舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。,（2）在機器的縱向布置上，要方便操作者觀察。減少頸部和腰部的疲勞。,.,18,5.3.2 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5-2 2、操作力：在作業(yè)中，為了達到操作效果，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)計的依據(jù)。,.,19,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10%，而習(xí)慣有左手的人，其左手的肌力比右手強6%～7%。,.,20,（１）在直立姿勢下彎臂時，不同角度時的力量分布；如圖5-5。 （２）在直立姿勢下臂伸直時，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，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)時間有關(guān).如圖T3和圖T4,.,21,圖5-5 立姿彎臂時的力量分布,180°,可知大約在70°處可達最大值，即產(chǎn)生相當(dāng)于體重的力量。這正是許多操縱機構(gòu)（例如方向盤）至于人體正前上方的原因所在。,返回,.,22,,圖5-6 立姿直臂時拉力和推力分布,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。,.,23,圖T1 坐姿時手臂的操縱力的測試方位,返回,.,24,,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。,.,25,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°時產(chǎn)生。,下肢向外偏轉(zhuǎn)約10°時的蹬力最大。,.,26,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,.,27,5.3.3 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)計時，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，施力時對應(yīng)的移動距離見表5-5.,.,28,,圖5-8 人體在不同姿勢下的實力狀態(tài) （a）操作姿態(tài),.,29,.,30,.,31,,圖5-8 人體在不同姿勢下的實力狀態(tài) （b）活動姿態(tài),圖5-8（b）為常見的活動姿態(tài)，其對應(yīng)的實力大小見表5-6，施力時相應(yīng)的移動距離已標(biāo)注在該圖中。,.,32,.,33,,圖T5 影響人體能的因素,補充材料,1：影響人體能的因素,.,34,2： 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)計機器及其操縱裝置時，應(yīng)當(dāng)充分考慮人體動作靈活性的特點。參閱表B-5,.,35,,表B—1 人體各部位動作速度與頻率限度,返回,.,36,表B-2 人體各部分的最大運動頻率,返回,.,37,3：人的運動輸出,人的信息輸出方式：語言輸出、運動輸出。,,運動輸出的質(zhì)量指標(biāo)：反應(yīng)時間、運動速度和準(zhǔn)確性。,.,38,3.1 反應(yīng)時間,反應(yīng)時間（ RT）:又稱為反應(yīng)潛伏期，它是指刺激和反應(yīng)的時間間隔。它由反應(yīng)知覺時間（tz）和動作時間（td）組成。 即 RT=tz+td,簡單反應(yīng)時間、選擇反應(yīng)時間、析取反應(yīng)時間,,.,39,1.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)時間不同。,影響反應(yīng)時間的主要因素,.,40,人對各種不同性質(zhì)刺激的反應(yīng)時間是不同的，見表3-2。,2.刺激信號的性質(zhì)和強度,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)時間較長，刺激增加到中等強度與極強時，反應(yīng)時間短。刺激方式影響反應(yīng)時間。參閱表3-3。,“不可減的最少限”：反應(yīng)時間不再減少的刺激強度增量的上限值。,.,41,3.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，反應(yīng)時間越短； （2）刺激信號的刺激時間；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。,.,42,習(xí)俗、個體差異（性別、年齡）、疲勞等個人生理、心理狀況。,年齡與反應(yīng)時間的關(guān)系,4.人的主體因素,.,43,表3-1 不同感覺器官的反應(yīng)時間,返回,.,44,表3-2 對各種刺激的反應(yīng)時間,返回,.,45,表3-3 不同強度刺激的反應(yīng)時間,返回,.,46,表3-4 光刺激時間對反應(yīng)時間的影響,表3-5 可選擇的刺激數(shù)目對反應(yīng)時間的影響,返回,.,47,B 刺激的辨別難度對反應(yīng)時間的影響,返回,.,48,1. 動作特點 表3-62. 目標(biāo)距離：距離增加，Td增長，寬度增加，Td縮短。3. 運動方向 圖3-1 圖3-24. 動作軌跡特征5. 負(fù)荷重量：最大運動速度與負(fù)荷重量成反比。,,3.2 運動速度,用完成動作的時間來評定（Td）,.,49,1,,其他功能,2,3,4,5,6,,,,,,人體軀干和肢體在水平面的運動比在垂直面的運動速度快。,垂直方向的操縱動作，從上往下的運動速度比從下往上的運動速度快。,水平方向的操縱動作，前后運動速度比左右運動速度快，旋轉(zhuǎn)運動比直線運動更靈活。,順時針方向的操作動作比逆時針方向的操作動作，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，向右運動比向左運動快。,向身體方向的運動比離開身體方向的運動，速度更快，但后者的準(zhǔn)確性高。,返回,.,50,表3-6 人體各部位動作一次的最少平均時間,返回,.,51,反應(yīng)動作距離與動作時間,返回,.,52,圖3-1 手向各方向運動時間差異,返回,.,53,圖3-2 不同區(qū)域內(nèi)手指敲擊運動速度差異,返回,.,54,3.3 運動準(zhǔn)確性,,,,,1,2,3,4,運動時間、運動類型、運動方向、操作方式,速度越慢，準(zhǔn)確性越高 見圖3-3,正前方盲目定位準(zhǔn)確性最高；右方優(yōu)于左方；同一方位，下中方優(yōu)于上方。,水平方向，左右運動； 垂直方向，上下運動；,見圖3-6,運動速度與準(zhǔn)確性,見圖3-4,盲目定位 的準(zhǔn)確性,見圖3-5,運動方向 與準(zhǔn)確性,操作方式與準(zhǔn)確性,.,55,圖3-3 速度—準(zhǔn)確性特性曲線,返回,.,56,圖3-4 不同方位盲目定位運動準(zhǔn)確性,返回,.,57,圖3-5 手臂運動方向?qū)B續(xù)控制運動準(zhǔn)確性影響,返回,.,58,圖3-6 不同控制操作方式對準(zhǔn)確性影響,返回,.,59,5.4.1 避免靜態(tài)肌肉施力,5.4 合理施力的設(shè)計思路,提高人體作業(yè)的效率，一方面要合理使用肌力，降低肌肉的實際負(fù)荷；另一方面要避免靜態(tài)肌肉施力。無論是設(shè)計機器設(shè)備、儀器、工具，還是進行作業(yè)設(shè)計和工作空間設(shè)計，都應(yīng)遵循避免靜態(tài)肌肉施力這一人機工程學(xué)的基本設(shè)計原則。,例如，應(yīng)避免使操作者在控制機器時長時間地抓握物體。當(dāng)靜態(tài)施力無法避免時，肌肉施力的大小應(yīng)低于該肌肉最大肌力的15%。,.,60,（1）避免彎腰或其他不自然的身體姿勢。,（2）避免長時間抬手作業(yè)。,（3）坐著工作比立著工作省力。,（4）雙手工作時，手的運動方向應(yīng)相反或者對稱運動，單手作業(yè)本身就造成背部肌肉靜態(tài)施力,（5）作業(yè)位置高度應(yīng)按工作者眼睛和觀察時所需的距離來設(shè)計。,（6）常用工具按使用頻率或操作頻率放在人附近。,（7）手在高位置作業(yè)時，應(yīng)使用支撐物來托住肘關(guān)節(jié)、前臂或者手。,（8）利用重力作用。,避免靜態(tài)肌肉施力的幾個設(shè)計要點如下：,.,61,人們經(jīng)過長期的勞動實踐和科學(xué)研究總結(jié)了一套正確的提重方法，即直腰彎膝。,5.4.2 避免彎腰提起重物,5.4.3 設(shè)計合理的工作臺,.,62,Thank You !,,