机械工程与自动化学院人 机 工 程 学2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34.1 肌肉4.1.1 肌肉的生理特征1. 肌肉结构 44.1.1 肌肉的生理特征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。54.1.1 肌肉的生理特征3. 肌肉收缩的代谢过程 64.1.1 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 74.1.2 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。84.1.2 肌肉收缩的神经控制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95.1.2 肌肉收缩的神经控制2. 反射（2） 反射过程。刺激感受器神经冲动反射中枢运动指令效应器动作大脑皮层感受体验104.1.3 肌肉施力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。114.1.3 肌肉施力1. 动态肌肉施力和静态肌肉施力（2）区别肌肉施力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。 124.1.3 肌肉施力2. 肌肉施力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。134.1.3 肌肉施力2. 肌肉施力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。144.1.3 肌肉施力2. 肌肉施力静态施力的生理效应静态作业与人体症状如下：154.1.3 肌肉施力2. 肌肉施力静态施力的生理效应举例：铣工钻工164.1.3 肌肉施力3. 肌肉施力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，肌肉施力大小应该低于肌肉最大肌 力的15%。174.1.3 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。184.1.3 肌肉施力4. 减少静态施力的设计案例1：钳子的设计。194.1.3 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。204.1.3 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。214.1.3 肌肉施力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。224.2 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。234.2.1 骨的结构和功能244.2.1 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，使人体产生各种运动和操纵姿势。254.2.2 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1：264.2.2 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2：274.2.2 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。284.3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。294.3.1 人体运动的种类（1）角度运动：角度运动包括伸展和弯曲。304.3.1 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。31*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。32*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。33*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。34*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。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。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。37*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。38*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。39*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40*4.3.3 人体运动的时间2. 动作特点。动作部位动作特点/动作轨迹特征最少平均时间/s 手抓取直线的0.07 曲线的0.22 旋转克服阻力0.72 不克服阻力0.22 脚直线的0.36 克服阻力的0.72 腿直线的0.36 脚向侧面0.721.46 躯干弯曲0.721.62 倾斜1.2641*4.3.3 人体运动的时间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。42*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1.52倍左右；（4）圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活。（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。43*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。44*4.3.4 人体运动的精度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。45*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。46*4.3.4 人体运动的精度4. 操作方式与准确性。好不好47*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。48*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。49*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力的大小（N） 男女 手臂肌肉左370200 右390220 肱二头肌左280130 右290130 手臂弯曲时的肌肉左280200 右290210 手臂伸直时的肌肉左210170 右230180 拇指肌肉左10080 右12090 背部肌肉（躯干屈伸的肌肉）122071050*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3-7.51*2. 手的力量立姿弯臂时的力量分布52*2. 手的力量立姿直臂时的力量分布53*3. 脚的力量脚的力量与下肢的姿势、位置和方向有关。54*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。55*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动作速度与频率手的运动/（cms-1）35控制操纵杆位移/（cms-1）8.817手指敲击的最大频率/（次s-1）35旋转把手与驾驶盘/（rs-1）9.4229.46身体转动/（次s-1）0.721.62手控制的最大谐振截止频率/（Hz）0.8手的弯曲与伸直/（次s-1）11.2脚掌与脚的运动/（次s-1）0.360.7256*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。57*4.4.1 动作元素必须动作无效动作准备动作美国机械工程师学会（ASME）把人的动作分为18种。58*4.4.2 动作分析的方法动作分析主要有两种手段：目视动作分析和摄影分析。案例1：关于检查轴的长度，并把轴装入套筒的动素程序图。59*4.4.2 动作分析的方法动作分析主要有两种手段：目视动作分析和摄影分析。案例1：关于检查轴的长度，并把轴装入套筒的动素程序图。60*4.4.2 动作分析的方法案例2：咖啡店制作咖啡人员动作分析图。61*4.4.2 动作分析的方法案例2：咖啡店制作咖啡人员动作分析图。62*4.4.3 人的作业和动作效率提高人的作业和动作效率的原则：1）同时使用两手，避免一手操作一手空闲；2）力求减少动作数量，避免一切不必要的动作；3）尽可能减少动作距离，避免出现全身性动作；4）寻求舒适的工作环境，减少动作的难度，避免不合理的工作姿势或作业方法。63*4.5控制设计从控制的形式看，控制分为直接控制和间接控制两种方式。人体工程学对控制的基本要求是人能正确将信息传递给机器，保证信息顺利通过人机界面，同时，控制设计要符合人的生理心理特征，保证人操作时的安全、舒适和方便。64*4.5.1 控制设计的方法（1）要了解需要执行的控制任务的情况、控制的要素等。（2）选择合适的控制器。（如：控制任务、功能、场所）（3）对控制器进行设计。（如：识别性、反馈、人）（4）对控制器进行布置。65*4.5.2 控制器的编码控制器的编码方式要考虑以下几个因素：第一，在控制器在进行识别时候，用户的所有要求；第二，用户已经在使用的编码方式；第三，用户工作区域的照明情况；第四，用户识别时的速度和精确度要求；第五，控制器可以放置的空间；第六，需要编码的控制器的数量。66*4.5.2 控制器的编码1. 视觉编码视觉编码主要包括标识编码和色彩编码。67*4.5.2 控制器的编码（1）标识编码 标识控制器功能最简单的方法就是运用符号和标记进行编码。68*4.5.2 控制器的编码（1）标识编码 表示控制器功能最简单的方法就是运用符号和标记进行编码。69*4.