骨科人体生物力学与施力特征分析.ppt

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,5.1 人体运动与骨杠杆,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）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。,1.骨的功能,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，必须考虑这一原理。,2. 骨杠杆,图5-1 人体骨杠杆 （a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆,返回,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。,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。,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,图5-2 抓捏物体时前臂和手的生物力学简化模型,∑（肘部受力）=0 （5-3）,∑（肘部总力矩）=0 （5-4）,5.2.3 举物时腰部生物力学模型,图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型,∑（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力达到5458N，大多数工人的腰骶间盘都无法承受这个压力水平。,主要因素：货物的重力和货物的位置到脊柱重心的距离。其它因素还有：躯体扭转的角度、货物的大小和形状、货物移动的距离等。,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。,5.3.1 主要关节的活动范围,5.3 人体的施力特征,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。,,表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围,10.下摆、上摆,,表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围,人体各部分的活动范围,人体上部及上肢固定姿势活动角度范围,主要关节活动范围在设计中的应用实例,开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置,（a）挖沟作业示意图,（b）开渠机驾驶舱（正视图）,（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势,（1）操作手柄的布置要使人在操作时的各个关节在舒适的调节范围内。,（2）在机器的纵向布置上，要方便操作者观察。减少颈部和腰部的疲劳。,5.3.2 肢体的出力范围,1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。人体肌肉的生理特征。见表5-2 2、操作力：在作业中，为了达到操作效果，操作者有关部位（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）,返回,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%。,（１）在直立姿势下弯臂时，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,图5-5 立姿弯臂时的力量分布,180°,可知大约在70°处可达最大值，即产生相当于体重的力量。这正是许多操纵机构（例如方向盘）至于人体正前上方的原因所在。,返回,,图5-6 立姿直臂时拉力和推力分布,拉力,推力,返回,最大拉力产生在180°位置上。,最大推力产生在0°位置上。,图T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位,返回,,表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）,返回,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。,图5-7 不同体位下的蹬力,返回,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,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 人体在不同姿势下的实力状态 （b）活动姿态,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T5 影响人体能的因素,补充材料,1：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。,