單兵肩扛式火箭筒人機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

魏 蓉，史雪瑞，王晗宇

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710032)

單兵火箭筒是一種便攜式反坦克武器，隨著發(fā)射系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)及輕量化技術(shù)的成熟化，在單兵火箭筒的設(shè)計(jì)過程中，武器設(shè)備的人機(jī)設(shè)計(jì)逐漸得到了重視。單兵火箭筒工作狀態(tài)主要為肩扛使用，在士兵使用操作過程中，武器自重大，后坐力強(qiáng)，不科學(xué)的人機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)造成士兵肌肉負(fù)荷不均勻，從而導(dǎo)致肌肉疲勞，降低發(fā)射精度，甚至造成生命危險(xiǎn)[1-2]。因此，在火炮武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須充分考慮系統(tǒng)中人的因素，根據(jù)人的形態(tài)特征設(shè)計(jì)作業(yè)條件，盡可能滿足宜人的要求[3]。

目前,我國(guó)單兵肩扛式武器的設(shè)計(jì)，其人機(jī)關(guān)系設(shè)計(jì)尺寸多直接參照國(guó)內(nèi)外同類型武器，缺乏理論化計(jì)算依據(jù)，針對(duì)此問題，筆者提出了一種針對(duì)單兵肩扛式火箭筒前置握把和激發(fā)手柄位置設(shè)計(jì)的有效參數(shù)化方法。根據(jù)這種方法計(jì)算出左右手舒適區(qū)域，并且運(yùn)用JACK軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 人體操作狀態(tài)

火箭筒主體部分是發(fā)射筒，通常后側(cè)設(shè)有喇叭狀文氏管，發(fā)射筒下方設(shè)有激發(fā)手柄和前置握把。同時(shí)，發(fā)射筒下方設(shè)有墊肩托架和可拆卸或調(diào)節(jié)角度的小型兩腳架，為精確瞄準(zhǔn)提供支撐。激發(fā)手柄前方設(shè)有前置握把，用來改善不同姿態(tài)下的瞄準(zhǔn)條件，降低手臂疲勞，單兵肩扛式火箭筒的基本構(gòu)造如圖1所示。

單兵火箭筒發(fā)射時(shí)，士兵把火箭筒扛于肩部，肩墊托架緊貼前胸，右手握緊激發(fā)手柄，左手抓握前置握把，這種人機(jī)關(guān)系確定了士兵的基本操作姿勢(shì)。

在研究士兵操作姿勢(shì)時(shí)，通常將人體的骨骼模擬簡(jiǎn)化成由若干個(gè)關(guān)節(jié)連接成的二維桿狀人體側(cè)面上肢模型，如圖2所示。L1為肩寬，L2為左前臂長(zhǎng)，L3為左上臂長(zhǎng)，L4為右前臂長(zhǎng)，L5為右上臂長(zhǎng)。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

2.1 墊肩托架與發(fā)射筒末端位置關(guān)系

士兵在操作火箭炮時(shí)，火箭筒扛于右肩，前胸貼合于墊肩托架處，為準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)和穩(wěn)定操作提供支撐點(diǎn),如圖3所示。

在墊肩托架的設(shè)計(jì)中，操作人員前胸貼合于墊肩托架，后背部至發(fā)射筒末端。故墊肩托架與發(fā)射筒末端的距離為胸厚數(shù)據(jù)與著裝修正數(shù)據(jù)之和。選取成年男性的胸厚數(shù)據(jù)a為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]，同時(shí)添加著裝身材修正及專業(yè)作戰(zhàn)防彈衣著修正b，可以計(jì)算出肩墊托架距發(fā)射筒末端距離X0=a+b。

2.2 前置握把與肩部最高點(diǎn)位置關(guān)系

火箭筒作戰(zhàn)時(shí)采用肩扛操作方式，士兵左手抓握前置握把。在對(duì)前置握把與肩部最高點(diǎn)位置的相對(duì)位置計(jì)算中，為了便于求解，對(duì)左臂連桿模型進(jìn)行投影，從而將手臂的三維變化求解轉(zhuǎn)化為二維數(shù)學(xué)模型求解，建立左臂與身體的連桿模型，如圖4所示。肘關(guān)節(jié)彎曲角度為α1，軀干旋轉(zhuǎn)角度為αx，肩關(guān)節(jié)向身體外側(cè)旋轉(zhuǎn)角度為αy。在求解的過程中，將各連桿投影在垂直面進(jìn)行分析，將上肢左臂連桿在垂直面上投影，右肩最高點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則可通過幾何關(guān)系得到左手位置坐標(biāo)，即前置握把與肩部最高點(diǎn)距離X1。

在人手臂模型的建立中，人上臂和肩胛骨連接處關(guān)節(jié)可繞x、y、z3個(gè)方向旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，肘關(guān)節(jié)繞一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)活動(dòng)[5-6]。為保持一定的舒適狀態(tài)，關(guān)節(jié)上肢連桿變換角度值[7]滿足表1所示要求。

表1 上肢連桿變換角度值

士兵得到舒適的操作關(guān)節(jié)角度條件為：在側(cè)視圖上，手部與肩關(guān)節(jié)保持在一條直線，肘關(guān)節(jié)舒適調(diào)節(jié)角度范圍α1為85°～ 110°。在俯視圖上，為保持舒適操作姿勢(shì)，人體軀干會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的舒適角度，軀干旋轉(zhuǎn)角度αx為20°～40°[8]，肩關(guān)節(jié)向身體外側(cè)旋轉(zhuǎn)角度αy為0°～50°。

(1)

(2)

L1×sinαx

(3)

2.3 肩部最高點(diǎn)與激發(fā)手柄位置關(guān)系

操作者在使用時(shí)，火箭筒扛于右肩，右手抓握激發(fā)手柄，以右肩最高點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，右手前臂長(zhǎng)為L(zhǎng)4，上臂長(zhǎng)為L(zhǎng)5,右臂的連桿模型如圖5所示，肘關(guān)節(jié)彎曲舒適角度α1調(diào)節(jié)范圍為85°～110°。

對(duì)激發(fā)手柄與肩關(guān)節(jié)最高點(diǎn)位置關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)幾何關(guān)系可得:

(4)

根據(jù)人的上肢線性尺寸以及不同關(guān)節(jié)的舒適角度，選取α1為舒適角度時(shí)，就可以由式(4)計(jì)算出激發(fā)手柄舒適位置區(qū)間。

3 計(jì)算與實(shí)例驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)上文中提到的參數(shù)化計(jì)算方法，選取GJB/Z 131—2002[4]中國(guó)成年男子P50人體上肢線性尺寸為設(shè)計(jì)依據(jù)。分別選取人體肩寬，上臂長(zhǎng)，前臂加手功能動(dòng)態(tài)尺寸數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 中國(guó)成年男子上肢線性尺寸

根據(jù)表1、2中的上肢各部位舒適角度及上肢線性尺寸數(shù)據(jù)，就可以由式(3)計(jì)算出前置握把舒適位置區(qū)間，從而為前置握把的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。根據(jù)式(3)，將算法寫入MATLAB中，對(duì)前置握把距右肩最高點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算[9]?？紤]到人體側(cè)身角度區(qū)間變化范圍較小，所以先取舒適的αx值為30°。αy以步長(zhǎng)10°為區(qū)間，分別取0°，10°，20°，30°，40°，50° 6個(gè)值，肘關(guān)節(jié)彎曲角度α1取85°～110°步長(zhǎng)為1°的區(qū)間，計(jì)算得到6條舒適線。0°和50°兩條曲線形成的區(qū)域?yàn)閷?duì)應(yīng)X1的舒適域。將計(jì)算值在EXCEL中作圖，橫軸為肘關(guān)節(jié)彎曲角度α1，縱軸為前置握把與肩部最高點(diǎn)位置時(shí)距離X1，如圖6所示，圖中0°與50°，20°與40°曲線幾乎重合。

由圖6可以得到結(jié)論：對(duì)于P50我國(guó)男子左手舒適域內(nèi)，前置握把與肩部最高點(diǎn)位置舒適調(diào)節(jié)距離為519～678 mm。

根據(jù)式(4)，將算法寫入MATLAB中，對(duì)激發(fā)手柄距肩部最高點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算。取舒適的α1值85°～110°。代入式(4)中，得到一條舒適線。將計(jì)算值在EXCEL中作圖,如圖7所示。

由圖7可以得出結(jié)論：對(duì)于P50我國(guó)男子右手舒適域內(nèi)，激發(fā)手柄與肩部最高點(diǎn)位置距離為381～489 mm。

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

某型號(hào)單兵肩扛式火箭筒原結(jié)構(gòu)尺寸為：火箭筒全長(zhǎng)965 mm,發(fā)射筒直徑87 mm，長(zhǎng)795 mm。

通過計(jì)算和數(shù)據(jù)優(yōu)化，前置握把與肩部最高點(diǎn)位置，選擇舒適域的中間值599 mm，激發(fā)手柄至肩部最高點(diǎn)的位置，選擇舒適域中的中間值435 mm。墊肩托架距發(fā)射筒末端的距離為307 mm。

3.3 計(jì)算機(jī)建模仿真

運(yùn)用JACK軟件進(jìn)行某型號(hào)單兵手持火箭筒的激發(fā)手柄與前置握把進(jìn)行了人機(jī)工效學(xué)評(píng)估。依據(jù)已知原始數(shù)據(jù)，使用Pro/E軟件對(duì)火箭筒進(jìn)行建模，保存成IGES格式并導(dǎo)入JACK中，再利用JACK人體模型建立模塊，生成我國(guó)P50我國(guó)地面部隊(duì)尺寸人體模型[10]。然后對(duì)虛擬人進(jìn)行手部抓握，使右手抓握激發(fā)手柄，左手抓握前置握把,如圖8所示。

利用JACK中的舒適度分析模塊對(duì)上肢舒適度進(jìn)行評(píng)估，分析結(jié)果如表3所示，在表3中加黑項(xiàng)表示各部位處于操作舒適區(qū)域中。

表3 舒適度模塊分析結(jié)果

從表3分析結(jié)果可以看出：各關(guān)節(jié)舒適度的各項(xiàng)數(shù)值均保持在較低水平，且均在舒適范圍內(nèi)，舒適度良好，在該姿勢(shì)下進(jìn)行火箭彈發(fā)射，士兵不易疲勞。

4 結(jié)論

采用筆者提出的人機(jī)參數(shù)化計(jì)算方法，對(duì)某型號(hào)單兵健康式火箭筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用JACK軟件進(jìn)行人機(jī)功效評(píng)估后，可得出以下結(jié)論：

1) 利用該方法可以計(jì)算出單兵肩扛式火箭筒在人體舒適度內(nèi)的激發(fā)手柄和前置握把的相對(duì)位置尺寸范圍區(qū)間。利用該計(jì)算方法可以對(duì)單兵肩扛式火箭筒的激發(fā)手柄、前置握把和墊肩托架的位置尺寸范圍進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。

2)通過實(shí)例和計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該參數(shù)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的激發(fā)手柄和前置握把的相對(duì)距離合理、有效，符合人體舒適度要求。

3)該計(jì)算方法為單兵肩扛式火箭筒的設(shè)計(jì)工作提供了理論依據(jù)。