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1、第5章人体运动的生物力学特性修改后第5章 人体运动的生物力学特性5.1人体运动系统人体运动系统由骨、骨连结和骨骼肌三部分构成，它们约占人体质量的58左右。肌肉附着在骨架上，受神经系统的支配，能产生各种不同方式的收缩，肌肉收缩时牵动着骨绕骨连结(尤其是骨关节)转动，使人体产生各种各样的运动和操作姿势。因此，骨是人体运动的杠杆，骨连结是支点，骨骼肌是动力。骨是人体内部最坚固的组织。骨与骨之间的连结方式有直接连结与间接连结两大类，直接连结的相对骨面间无间隙，不活动或仅有少许活动；间接连结称为关节，以相对骨面间具有间隙为特征，人体运动主要是骨绕关节的运动所形成的。5.1.1人体骨骼人体骨骼共有206块

2、，其中只有177块直接参与人体运动。人体骨骼分为两大部分：中轴骨和四肢骨。中轴骨包括颅骨29块(其中有6块听小骨和l块舌骨)、椎骨26块(颈椎7块、胸椎12块、腰椎5块、骶骨和尾骨各1块)、肋骨12对和胸骨1块。四肢骨分上肢骨和下肢骨：上肢骨64块，下肢骨62块。如图330所示，人体骨骼有下列功能：(1) 支撑人体 骨与骨相连结，构成人体支架，支持人体的软组织，承担全身重量。(2) 保护内脏 骨形成体腔，保护脑、心、肺等内脏器官。(3) 运动的杠杆 肌肉牵引着骨绕关节转动，使人体可产生各种各样的运动。(4) 造血 骨的红骨髓有造血的功能，黄骨髓有储藏脂肪的作用。(5) 储备矿物盐 主要储备钙和

3、磷，供应人体的需要。5.1.2关节1.关节的分类按其关节面的形态和运动形式，关节可分为下列三大类：(1) 单轴关节 只有一个运动轴，骨仅能沿该轴作一组运动。单轴关节又有屈戌关节和车轴关节之分：屈戌关节，又名滑车关节，凸的关节面呈滑车状，如手指关节。通常是绕冠状轴作屈、伸运动。车轴关节，关节头的关节面呈圆柱状，常以骨和韧带连成一环，围绕关节头，作为“关节窝”，如环枢正中关节、桡尺近侧关节等，可绕铅垂轴作旋转运动。(2) 双轴关节 有两个互为垂直的运动轴，可绕此二轴进行两组运动，也可作环转运动。双轴关节又有椭圆关节和鞍状关节之分：椭圆关节，关节头呈椭圆形凸面，关节窝呈椭圆形凹面，如手腕关节。可绕冠

4、状轴作屈、伸运动，并绕矢状轴作收、展运动。鞍状关节，相对两关节面都呈马鞍状，可作屈、伸、收、展及环转运动。如拇指腕掌关节。(3) 多轴关节 有三个互为垂直的运动轴，能作屈、伸、收、展及旋转等各种运动。多轴关节又有球窝关节和平面关节之分：球窝关节，球状的关节头较大，而关节窝浅小，如肩关节。杵臼关节与球窝关节相似，而关节窝特深，包绕关节头的12以上，因而运动幅度较小，如髋关节。平面关节，关节面接近平面，实际上是巨大的球窝关节的一小部分，如肩锁关节。两个或两个以上结构完全独立的关节，但必须同时进行活动，这种关节称为联合关节。关节的灵活性以其关节面的形态为主要依据，首先取决于关节的运动轴，轴越多，可能

5、进行的运动形式越多；其次取决于关节面的差，面差越大，活动范围越大，如肩关节和髋关节同样是三轴关节，肩关节的头大、窝小，所以面差大，而髋关节的髋臼大而深，面差小，故肩关节比髋关节更灵活。2关节的运动关节的运动主要有三种形式：(1) 角度运动 邻近两骨间产生角度改变的相对转动，称为角度运动。通常有屈、伸和收、展两种运动形态。关节绕额状轴转动时，同一关节的两骨互相接近，角度减小时谓之屈，反之谓之伸。关节绕矢状轴转动时，骨的末端向正中面靠近的谓之内收，远离正中面的谓之外展。 (2) 旋转运动 骨绕垂直轴的运动称为旋转运动，由前向内的旋转称为旋内，由前向外的旋转称之旋外。(3) 环转运动 整根骨头绕通过

6、上端点并与骨成一角度的轴线的旋转运动，称为环转运动，运动的结果如同画一个圆锥体的图形。3关节的活动范围骨与骨之间除了通过关节相连外，还由肌肉和韧带连结在一起。韧带除了有连结两骨，增加关节稳固性的作用以外，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。人体处于各种舒适姿势时，关节也必然处在一定的舒适调节范围内。人体各主要关节的最大活动范围及舒适调节范围如图33l、332和表316所示。人体各主要关节的最大活动范围及其调节范围关节身体部位活动方式最大角度/（）最大活动范围/()舒适调节范围（）颈关节头至躯干低头、仰头做歪、右歪左转、右转+40-35+55-55

7、+55-5575110110+12-2500胸关节腰关节躯干前弯、后弯左弯、右弯左转、右转+100-50+50-50+50-50150100100000髋关节大腿至髋关节前弯、后弯外拐、内拐+120-50+3015135450（+80100）膝关节小腿到大腿前摆、后摆0-1351350（-95-120）脚关节脚至小腿上摆、下摆+110+5555+85+95髋关节小腿关节脚关节脚至躯干外转、内转+110-70180+0+15肩关节（锁骨）上臂至躯干外摆、内摆上摆、下摆前摆、后摆+18030+180-45+140-402102251800+15+35+40+90肘关节上臂至下臂弯曲、伸展+1450

8、145+85+110腕关节手至上臂外摆、内摆弯曲、伸展+30-20+75-605013500肩关节、下臂手至躯干左转、右转+130-120250-30-60表316中给出的最大角度适用于一般情况，年岁较高的人大多低于此值。穿厚衣服时，角度也要小些。有多个关节的一串骨骼中，若干角度相叠加会产生更大的总活动范围(例如低头、弯腰)。5.2骨骼肌的力学特性肌肉在人体上分布很广，根据其形态、构造、功能和位置等不同特点，可分为平滑肌、心肌和横纹肌三类。其中横纹肌大都跨越关节，附着在骨骼上，称为骨骼肌。因骨骼肌的收缩受人的意志支配，故又称随意肌。人机工程学中主要研究骨骼肌的特性，本书以后凡提到肌肉，均指骨赂

9、肌而言。人体全身共有骨骼肌434块。成年男子骨骼肌约占人体质量的40、女子为35左右。骨骼肌有收缩性、伸展性、弹性和粘滞性四种物理特性：(1) 收缩性 表现为肌肉纤维长度的缩短和张力的变化。处于静止状态的肌肉并不是完全休息放松的，其中少数运动部位的肌肉保持轻微的收缩(即保持一定的紧张度)，用以维持人体的一定姿势；处于运动状态的肌肉，肌纤维明显缩短，肌肉周径增大，肌肉收缩时肌纤维长度比静止时缩短1/3到l/2。(2) 伸展性 表现为肌肉受外力作用时被拉长，外力解除后，被拉长的肌纤维又可复原。(3) 弹性 表现为肌肉受压变形，外力解除即复原的线性特性。(4) 粘滞性 主要是由于其内部含有胶状物质的

10、缘故。气候寒冷时，肌肉的粘滞性增加；气温升高后，肌肉的粘滞性降低，这可保证人动作的灵活性，避免肌肉拉伤。5.2.1肌肉收缩的外部表现肌肉在体内的功能，就是它们在受到刺激时能产生张力或和缩短，藉以完成躯体的运动或对抗某些外力的作用。当肌肉克服某一外力而缩短，或肌肉因缩短而牵动某一负荷物时，肌肉完成了一定量的机械功，其数值等于所克服的阻力(或负荷)和肌肉缩短长度的乘积。但肌肉在收缩时究竟是以产生张力为主，还是以表现缩短为主，以及收缩时能作功多少，则要看肌肉本身的机能状态和肌肉所遇到的负荷条件。肌肉在体内或实验条件下可能遇到的负荷主要有两种：一种是在肌肉收缩前就加在肌肉上的负荷，例如，把肌肉一端固定

11、，在另一端悬挂一定数量的重物，这种负荷称为前负荷(preload)，前负荷使肌肉在收缩前即处于某种被拉长的状态，使它在一定的初长度(initial length)的情况下进入收缩。另一种负荷称为后负荷(after load)，是肌肉在开始收缩时才能遇到的负荷或阻力，它不能增加肌肉收缩前的初长度，但能阻碍收缩时的短缩。5.2.2肌肉的三元件仿真模型肌肉收缩的力学特性可用三元件简化仿真模型 (图333)加以描述，图中cc表示收缩元件；sc表示串联顺应元件，相当于串联的无阻尼弹性元件；p，巳表示并联顺应元件，相当于并联的无阻尼弹性元件。三个元件的性质共同决定肌肉的力学特性。5.2.3肌肉的速度张力曲

12、线后负荷不能增加肌肉收缩前的初长度，但能阻碍肌肉收缩时的短缩。当肌肉在有后负荷的条件下进入收缩时，开始阶段由于肌肉遇到负荷的阻碍而不能缩短其长度，于是只表现为张力的增加，而当肌肉张力发展到与负荷相等的程度时(负荷和张力用相同的物理单位度量)，负荷不再能阻止肌肉的缩短，于是肌肉开始以一定的速度缩短，负荷也被提起一定距离，并且肌肉缩短一旦开始，张力就不再增加，直到收缩完了，以后舒张出现，使被拉起的负荷回到原来的位置，张力也下降到原来的水平。由此可见，肌肉在有后负荷的条件下收缩时，总是张力产生在前，缩短出现在后；而且后负荷越大，肌肉产生的张力越大，但肌肉缩短开始却越晚，缩短的初速度和肌肉缩短的总长度

13、也越小。如果把同一肌肉在不同后负荷条件下所产生的张力和当它出现缩短时的缩短初速度(相当于缩短曲线开始时的斜率)画成座标曲线。则可得到如图334所示的速度张力曲线。该关系曲线说明：在中等程度的后负荷作用下，肌肉所能产生的张力和它收缩时的初速度大致呈反比的关系，并且当后负荷增加到某一数值时，肌肉产生的张力可达到它的最大限度，但这时肌肉将不再出现缩短，初速度也成为零。肌肉产生最大张力而收缩速度为零的这一点，在曲线上相当于P0的位置，P0称为肌肉的最大张力，由于这时肌肉的收缩实际上并不出现肌肉的缩短，故把这种收缩形式称为等长收缩(isometric contraction)。在P0位置左侧所有张力小于

14、几而不为零的情况下，肌肉收缩时既产生张力，又出现缩短；而且每次收缩一旦出现，张力就不再增加，故这类收缩形式称为等张收缩(isotonic contraction)。速度张力曲线也说明，肌肉后负荷变小时，等张收缩所表现的张力将越来越小，而缩短的速度将越来越大，因此理论上当负荷为零时，肌肉收缩将不需克服阻力，而速度将达到它的最大值，这相当于曲线左侧vmax的位置，称为肌肉的最大缩短速度。显然，P0和vmax值都是评价肌肉收缩能力大小的有用指标。肌肉收缩速度v与张力P之间的关系，可由著名的希尔(A V Hili)方程加以描述：式中P为肌肉张力；V为肌肉收缩速度；Po为肌肉的初张力；a、b为常数。在正

15、常人体内，不同肌肉在收缩时遇到的阻力或后负荷不同，它们所表现的收缩形式也不同。一些与维持身体固定姿势和反抗外力有关的肌肉，收缩时以产生张力为主，接近于等长收缩，而一些与肢体的运动和屈曲有关的肌肉，则随负荷的不同而表现为不同程度的等张收缩。肌肉的等长收缩有肌动觉反馈功能，活动者可获得反馈信息以调节动作的准确性，故广泛用于维持身体平衡。肌肉的等张收缩可促进血液流动而增加氧的供应和加速废物排除，故便于输出最大力量和使疲劳延缓发生。524肌肉的张力长度曲线速度张力曲线是在前负荷固定于某一数值而改变后负荷时，肌肉所表现的收缩形式和速度、张力变化的情况。如果改变肌肉的前负荷，使肌肉在不同前负荷即不同初长度

16、的情况下重复上述改变后负荷的实验，则对应于每一具体前负荷或初长度，都能得到一条速度-张力曲线，把不同前负荷情况下得到的速度张力曲线按顺序排列起来，就可得到一个立体坐标系统，全面地说明前负荷及后负荷对肌肉收缩的影响，如图335所示。图中最有意义的一点是，在不同大小的前负荷中，可以找出一个最适前负荷，肌肉在这一前负荷条件下工作时，可以产生最佳的收缩效果，与它对应的那条张力速度关系曲线(相当于图中用粗线画出的那一条)在坐标中的位置最高，所包含的面积也最大。如果这时让肌肉进行等长收缩，它所产生的P0值最大，如果让肌肉进行无负荷的收缩，它的Vmax也最大，而且它在每一具体的后负荷下收缩时，收缩速度都要较

17、前负荷取任何其它值时为大。最适前一-负荷的存在说明肌肉有一个最适初长度，当肌肉在这一静止长度的情况下进入收缩时，收缩效果最好，初长度大于或小于此值，皆非所宜。为了说明上述现象，可以只把前负荷或初长度改变如何影响肌肉的最大张力P0的情况，表示为图336所示的张力长度关系曲线，这一关系实际已包含在图335的立体坐标图中(相当于立体图底面的那个坐标面)，由图336可以看出，当前负荷逐渐增大时，P0值也随着增大，但当增大到一定值后，再增加前负荷则会引起P0值减小，这个临界值就相当于最佳前负荷。肌肉在体内所处的自然长度，大致相当于它的最适长度，至于最适长度何以能产生最佳的收缩效果，可从肌小节的结构和收缩

18、原理的角度得以说明。实验证明，所谓最适前负荷和由此决定的最适初长度，正好是能使肌小节的静长度保持在2-2.2微m的前负荷或初长度，这时粗、细肌丝处于最理想的重叠状态，因而出现最好的收缩效果。525肌肉的功率速度曲线(图337)肌肉的输出功率由张力与缩短速度的乘积决定。在最大张力P和最大缩短速度vmax。两个极限工况下，输出功率等于零。通常，当肌肉缩短速度为(0203)Vmax。时，其输出功率最大。由图334所示的速度张力曲线可以清楚说明肌肉在不同后负荷作用下功率输出的情况。人体所能产生的最大功率主要与人的性别、年龄、身高、体重、人体表面积、运动或劳动的强度及其持续时间等因素有关。有的研究者用人

19、体运动的最大耗氧量(QO2max)和最大氧债(运动或作业开始后，因呼吸、循环机能跟不上氧的需要量，肌肉在短时缺氧条件下工作而形成氧债)等参数，近似计算人体运动所产生的功率，其计算公式如下：式中PW为人体运动所产生的功率(kW)；t为运动时间(min)；O2max为最大耗氧量(Lmin)；VQo2：为超过最大耗氧量的氧需量，称为氧债(L)；A为人的年龄；M为人的体重(kg)。人体在不同工作时间内产生的最大功率的测定结果列于表317中。5.2.6肌肉收缩的能量和机械效率肌肉收缩时消耗的能量转变为功和热。肌肉作等长收缩时机械功为零，因而其化学反应能量全部转变为热；肌肉作非等长收缩时能量的一部分消耗于

20、对外做机械功，另一部分转变为热能。肌肉做功所消耗的总能量和机械效率可分别按下面两个公式计算：式中E为肌肉做功所消耗的总能量；W为肌肉对外所做的机械功；Q为转变为热能的能量n为肌肉的机械效率。人的机械效率一般为25一30。人的机械效率不是常数，而是随肌肉活动条件的不同而变化的，其大小取决于肌肉活动时的负荷和收缩速度。适宜的负荷和适宜的收缩速度(约等于最大速度的20)所获得的机械效率最高。527肌肉的力矩角度曲线(图338、图339)图338所示为绕踝关节运动的力矩角度曲线，四条曲线分别对应于四种不同的膝关节角度位置。图339所示为前臂作旋外、旋内运动的转矩角度曲线，前臂角度以掌心向后下为00，掌

21、心向前上为1800。旋后肌的转矩为正转矩，旋前肌的转矩为负转矩。528耐疲劳度负荷曲线(图340)肌肉的耐疲劳度以承受静态负荷时肌肉随意运动的最长持续时间(单位为min)表示，负荷以等长收缩情况下的最大负荷的百分比来表示，图中四条曲线分别是四组不同肌肉的静态特性。529肌电图肌肉收缩是由肌肉的动作电位引起的，记录肌肉动作电位变化的曲线称为肌电图(简称EMG-Electromyograms)。肌电图的形状可反映肌肉本身机能的变化。图341所示为右手前臂不同姿势时的EMG转矩关系图线，加载方式都是通过T形手柄施加旋外方向的转矩。由图可见，前臂姿势的改变对肌电图随转矩变化的关系图线有显著的影响。图3

22、42所示为肱二头肌的肌肉疲劳与肌电图的关系，试验时上臂垂直，前臂水平，掌心向上，举重物9kg，负荷对称，最后因肌肉疲劳而丢掉重物。试验表明，疲劳的肌肉与“新鲜”的肌肉相比，其肌电图功率谱曲线，低频增强，高频减弱。动态情况下肌电图时间历程的定量描述，目前在人机工程学中的应用还不多。动态肌电图与静态肌电图相比，其主要特点是EMG将超前于机械力的作用，人体肌肉对于一次动作电位的响应过程，约有20一50ms的时间滞后。影响时间滞后的主要因素是关节运动的方向、肌肉的初始状态和紧张程度、所用快肌纤维与慢肌纤维的比例以及系统的松弛程度。53人体的出力人体出力来源于肌肉的收缩，肌肉收缩时所产生的力，称为肌力。

23、肌力的大小取决于单个肌纤维的收缩力、肌肉中肌纤维的数量与体积、肌肉收缩前的初长度、中枢神经系统的机能状态、肌肉对发生作用的机械条件等生理因素。研究表明，一条肌纤维能产生098196mN的力量，因而有些肌肉群产生的肌力可达上千牛顿。表318所列为我国中等体力的2030岁的青年男、女工作时，身体主要部位的肌肉所产生的力。一般，女性的肌力比男性约低20一35：右手的肌力比左手约强10%：而习惯左手的人，其左手肌力比右手约强6%一7。在生产劳动中，为了达到操作效果，操作者身体有关部位(手、脚及躯干等)所施出的一定量的力，称为操纵力。人的操纵力有一定的数值范围，是设计机械设备的操纵系统所必需的基础数据。

24、人体所能发挥的操纵力的大小，除了取决于上述人体肌肉的生理特性外，还取决于人的操作姿势、施力部位、施力方向、施力方式以及施力的持续时间等因素。只有在一定的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。531坐姿时手臂的操纵力对图343所示的坐姿时手臂的操纵力进行测试，得出手臂在各种不同角度上的操纵力，其数值列于表319中。由表319中的数据可知，坐姿时手臂的操纵力，右手大于左手，向上用力大于向下用力，向内侧用力大于向外侧用力。5.32立姿时手臂的操纵力直立姿势手臂伸直操作时，在不同方向、角度位置上拉力和推力的分布情况如图344所示。由图可知，手臂在肩下方1800位置上产生最大拉力，在肩

25、上方00位置产生最大推力。因此，推拉形式的操纵装置应尽量安装在上述能产生最大推、拉力的位置上。直立姿势手臂弯曲操作时，在不同方向、角度位置上的力量分布情况如图345所示。由图可知，前臂在自垂直朝上位置绕肘关节向下方转动大约700位置上产生最大操纵力，这正是许多操纵装置(例如车辆的方向盘)安装在人体正前上方的根据所在。图3-44 立姿直臂时手臂操纵里的分布情况（a）拉力；（b）推力图3-45 立姿弯臂时手臂操纵力的分布情况 图3-46 坐姿不同体位下的足蹬力分布情况533坐姿时的足蹬力坐姿时的足蹬力大小在各个不同位置上的分布情况如图346所示，图中的外围曲线表示足蹬力的界限，箭头表示施力方向。可

26、见最大足蹬力通常在膝部弯曲1600位置上产生。534手的握力一般青年人右手平均瞬时最大握力为556N(330755N)，左手平均瞬时最大握力为421N。右手能保持1分钟的握力平均为275N，左手为244N。握力大小还与手的姿势有关，手掌向上时的握力最大，手掌朝向侧面时次之，手掌向下时的握力最小。应当注意到，人体的所有出力的大小，都与持续时间有关。随着施力持续时间的延长，人的力量将很快减小。例如，拉力由最大值衰减到四分之一数值，只需要4min。此外，任何人的出力衰减到最大值的二分之一时的持续时间，大体相同。54人体动作的灵活性与准确性541人体动作的灵活性人体动作的灵活性指的是操作时动作速度和频

27、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。(1) 动作速度 动作速度指的是肢体在单位时间内移动的距离。肢体动作速度的大小，在很大程度上取决于肢体肌肉收缩的速度。不同的肌肉，收缩速度不同，慢肌纤维的收缩速度慢，快肌纤维的收缩速度快。通常二块肌肉中既有慢肌纤维，也有快肌纤维，中枢神经系统可能时而使慢肌纤维收缩，时而使快肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度。肌肉收缩速度还取决于肌肉收缩时所发挥的力量与阻力的大小，发挥的力量越大，外部的阻力越小，则收缩速度越快。操纵动作的

28、速度还取决于动作的方向和动作的轨迹。人的肢体运动速度，可以从每秒几毫米到每秒800毫米。在一般情况下，手臂的动作速度平均为50500mms，手的动作速度以350mms为高限，控制操纵杆位移的动作速度以90170mms为宜。人体的动作速度有以下规律： 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。 水平方向的操纵动作，前后运动速度比左右运动速度快，旋转运动比直线运动更灵活。 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。 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。 向身体方向的运动

29、比离开身体方向的运动，速度更快，但后者的准确性高。(2) 动作频率 动作频率指的是单位时间内动作重复的次数。操纵动作的频率与操作方式、动作部位、受控机构的形状和种类、受控部件的尺寸和质量等因素有关。人体各部位的最大动作频率参见表320。转动手柄的最大动作频率与手柄长度有关。手柄长度为30一580mm的最大转动频率列于表321。 表32l转动手柄的最大动作频率5. 42人体动作的准确性人体动作的准确性可根据动作方向、动作量、动作速度和动作的力量四个要素的量值及其相互之间的配合是否恰当来评价。首先，动作的方向必须正确，动作量必须适当，才能产生准确的操纵动作。动作的速度平稳柔和，容易产生准确的操纵动

30、作；急剧粗猛的动作，往往速度发生突变，结果导致操纵动作不准确。动作的力量指的是肢体运动遇到阻力时所能提供出来的力量。按照动作力量的大小，可分为有力动作和无力动作两种情况。有力动作是指有足够的均匀增长的力量和速度的动作，能克服强大的阻力，操纵动作容易准确控制；而无力动作则是指没有足够的力量和速度的动作，这种动作常常是不准确的。手臂伸出和收回的动作的准确性与动作量有关，动作量小(100mm以内)时，容易有运动过多的倾向，动作误差较大；动作量较大(100400mm)时，则容易有运动过小的倾向，动作误差显著减小。另外，向外伸出要比向内收回更准确。动作的方向定位，最准确的方位是正前方手臂部水平的下侧，最不准确的方位是侧面；一般，右侧比左侧准确，下部比中部准确，中部比上部准确。用双手同时均匀地操作时，双手直接在身前活动的定位准确性最高。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）