适合人的生理特点的结构设计优化方案

人在对机械的操作中通过肌肉发力对机械做功，通过正确的结构设计使操作者在操作中不容易疲劳，是其连续正确操作的重要前提条件。

1.减少疲劳的设计

人体在操作中靠肌肉的收缩对外做功，做功所需的能量物质（糖和氧）要依靠血液输送到肌肉。如果血液不能输送足够的氧，则糖会在无氧或缺氧的状态下进行不完全分解，不但释放出的能量少，而且会产生代谢中间产物——乳酸。乳酸不易排泄，乳酸在肌肉中的积累会引起肌肉疲劳、肿痛、反应迟钝。长期使某些肌肉处于这种工作状态会对肌肉、肌腱、关节及相邻组织造成永久性损害，机械设计应避免使操作者在这样的状态下工作。

当操作人员长时间保持某一种姿势时，身体的某些肌肉长期处于收缩状态，肌肉压迫血管使血液流通受阻，血液不能为肌肉输送足够的氧，肌肉的这种工作状态称为静态肌肉施力状态。设计与操作有关的结构时应考虑操作者的肌肉受力状态，尽力避免使肌肉处于静态肌肉施力状态。表4-1所示的几种常用工具改进前的形状因为使某些肌肉处于静态施力状态，不适宜长时间使用，改进后使操作者的手更趋于自然状态，减少或消除了肌肉的静态施力状况，使得长时间使用不易疲劳。例如曾有人对图中所示的两种钳子对操作者造成的疲劳程度做过对比试验。试验中两组各40人分别使用两种钳子进行为期12周的操作，试验结果是使用直把钳的一组先后有25人出现腱鞘炎等症状，而使用弯把铅的一组中只有4人出现类似症状，试验结果如图4-55所示。

表4-1 工具的改进

试验证明人在静态施力状态下能够持续工作的时间与施力大小有关。当以最大能力施力时肌肉的供血几乎中断，施力只能持续几秒钟。随着施力的减小能够持续工作的时间加长。当施力大小等于最大施力值的15%时血液流通基本正常，施力时间可持续很长而不疲劳，等于最大施力值15%的施力称为静态施力极限，试验结果如图4-56所示。当某些操作中静态施力状态不可避免时，应限制静态施力值不超过静态施力极限。

图4-55 使用不同钳子试验结果

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图4-56 施力大小与持续时间的关系

2.容易发力的设计

操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不同方向用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是右手发力大于左手，向下发力大于向上发力，向内发力大于向外发力，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。

人以站立姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显大于坐姿，但是长时间站立容易疲劳，站立操作的动作精度比坐姿操作的精度低。

图4-57显示了人脚在不同方向上的操纵力分布。脚能提供的操纵力远大于手臂的操纵力，脚所能产生的最大操纵力与脚的位置、姿势和施力方向有关，脚的施力方向通常为压力，脚不适于做频率高或精度高的操作。

图4-57 脚的操纵力分布

综合以上分析，在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿势，一般优先选择坐姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需要手脚并用的操作。当需要施加较大的操纵力，或需要的操作动作范围较大，或因操作空间狭小，无容膝空间时可以选择立姿。操纵力的施加方向应选择人容易发力的方向。施力的方式应避免使操作者长时间保持一种姿势，当操作者必须以不平衡姿势进行操作时应为操作者设置辅助支撑物。