肩抗式發(fā)射武器顯控裝置人機(jī)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)*

姬麗靜,考希賓,王延琦,萬(wàn) 紅,夏寶清,郭書(shū)文,楊巧麗,陳亞妮

(1 中國(guó)兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所, 西安 710065； 2 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司人-機(jī)-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710065)

0 引言

肩抗式發(fā)射武器是打擊武裝直升機(jī)、地面裝甲車(chē)輛或用于城市作戰(zhàn)的有效武器,主要指肩抗式防空導(dǎo)彈、肩抗式反坦克導(dǎo)彈、肩抗式反坦克火箭彈等體積小、重量輕、精度高且便于攜帶的單兵武器,如英國(guó)的新一代輕型反裝甲武器MBT LAW,瑞典的卡爾古斯塔夫無(wú)后坐力炮、我國(guó)的紅箭-12[1]。

肩抗式發(fā)射武器不同于一般武器系統(tǒng)的特殊因素在于：?jiǎn)伪趫?zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)需要同時(shí)滿足肩抗?fàn)顟B(tài)下可視性、可達(dá)性的需求,因此對(duì)該武器顯控裝置進(jìn)行人機(jī)布局顯得尤為重要,合理的設(shè)計(jì)可以使單兵在操作武器時(shí)合理使用肌力,降低肌肉的實(shí)際負(fù)荷,減小靜態(tài)肌肉施力,從而提高作業(yè)效率[2]。

目前國(guó)內(nèi)肩抗式發(fā)射器的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)或借鑒國(guó)外成熟產(chǎn)品,有學(xué)者在人-武器最佳匹配研制過(guò)程中考慮到武器在操作使用狀態(tài)下對(duì)射手關(guān)節(jié)的作用力[3-4],尚無(wú)從人體尺寸方面考慮操作者在具體使用時(shí)存在的問(wèn)題。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的武器系統(tǒng)注重人體尺寸的應(yīng)用,但是西方人比東方人身材更高大、強(qiáng)壯,擁有臂長(zhǎng)、手腳大的特點(diǎn)[5],使其產(chǎn)品的外觀尺寸并不具備借鑒意義。因此,文章從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā),提出一種肩抗式發(fā)射武器顯控裝置人機(jī)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,并結(jié)合實(shí)例對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 肩抗式發(fā)射器人機(jī)分析

1.1 使用狀態(tài)下的人體模型分析

肩抗式發(fā)射武器的使用對(duì)象是單兵,該武器主要由觀瞄裝置和發(fā)射筒組成,肩抗式發(fā)射武器常用姿態(tài)有4種：立姿、坐姿、跪姿、臥姿,由于臥姿姿態(tài)下采用支架作為受力點(diǎn),立姿、坐姿、跪姿在人機(jī)設(shè)計(jì)考慮方面具有相似性,文中以立姿姿態(tài)為例進(jìn)行討論。

立姿姿態(tài)下人的可視性方面涉及到的人體尺寸項(xiàng)目主要有眼高、頸椎點(diǎn)高、肩高、頭最大長(zhǎng)、兩瞳孔間距、兩耳外寬,可達(dá)性涉及到的人體尺寸項(xiàng)目有肩高、上臂、前臂、手長(zhǎng)、掌長(zhǎng),見(jiàn)圖1,其中點(diǎn)N表示頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),點(diǎn)S表示肩關(guān)節(jié),點(diǎn)W表示腕關(guān)節(jié),點(diǎn)B表示肘關(guān)節(jié),點(diǎn)P1表示右眼瞳孔中心,點(diǎn)K1、K2表示外耳耳廓結(jié)節(jié),點(diǎn)M表示中指指尖點(diǎn),lP1為眼高、lN為頸椎點(diǎn)高、lS為肩高、lHL為頭最大長(zhǎng)、lDD為耳屏點(diǎn)至枕后點(diǎn)垂距、lP1P2為兩瞳孔間距、lK1K2為兩耳外寬、lBS為上臂長(zhǎng)度、lBW為前臂長(zhǎng)度、lMW為手長(zhǎng)、lZW為掌長(zhǎng)。

圖1 肩抗式發(fā)射器可視、可達(dá)性涉及到的人體尺寸

1.2 肩抗式發(fā)射器顯控裝置布局分析

以古斯塔夫84 mm口徑無(wú)后座炮為例[6-7],其外觀如圖2所示,主要布局部件有觀瞄鏡、扳機(jī)、握把、肩托,在功能使用上各部件需要同時(shí)滿足肩抗下可視、可達(dá)性需求。假設(shè)發(fā)射筒重心點(diǎn)G位置已確定,觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心的垂向距離為lVE、縱向距離為lDE、徑向距離為lRE,握把安裝點(diǎn)、扳機(jī)點(diǎn)(因距離發(fā)射筒底端較近,垂直方向距離忽略不計(jì))距離發(fā)射筒重心的縱向距離分別為lOG和lTG,扳機(jī)、握把的抓握使用通過(guò)調(diào)節(jié)肩關(guān)節(jié)角度α、肘關(guān)節(jié)角度β以及腕關(guān)節(jié)角度γ實(shí)現(xiàn),觀瞄鏡的使用通過(guò)調(diào)節(jié)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)δ來(lái)實(shí)現(xiàn),因此根據(jù)所選某百分位人,結(jié)合關(guān)節(jié)舒適度與圖1肩抗式發(fā)射器可視、可達(dá)性涉及到的人體尺寸及項(xiàng)目可得出觀瞄鏡、扳機(jī)、握把的最佳安裝尺寸。

圖2 肩抗式發(fā)射器顯控裝置布局分析

從人機(jī)工程學(xué)角度來(lái)看,一個(gè)理想的設(shè)計(jì)只能是考慮多種因素的折衷方案,其結(jié)果對(duì)每個(gè)單項(xiàng)而言可能不是最優(yōu)的,但是可以最大程度地減少操作人員因局部超負(fù)荷工作帶來(lái)的疲勞與不適[8]。肩抗式發(fā)射器扳機(jī)、握把都屬于用手交互的部件,不能同時(shí)布置在最佳位置,可結(jié)合各部件重要性、使用頻繁性,同時(shí)考慮單兵盲操作需求。

1.3 使用狀態(tài)下單兵舒適度分析

舒適度主要是指人的主觀感覺(jué),受振動(dòng)、噪聲、溫濕度、照明、色彩等諸多因素的影響,該文舒適度分析主要通過(guò)關(guān)節(jié)角度來(lái)判斷,若用C表示人體的舒適度,根據(jù)1.2節(jié)分析,C可表示為肩關(guān)節(jié)角度α、肘關(guān)節(jié)角度β、腕關(guān)節(jié)角度γ、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)δ的函數(shù),即

C=f(α,β,γ,δ)

(1)

由式(1)可知,應(yīng)先確定α、β、γ、δ關(guān)節(jié)角度值。文中以單兵在立姿狀態(tài)下左手抓握握把、右手緊扣扳機(jī),同時(shí)單兵右眼注視觀瞄鏡中心的靜態(tài)姿勢(shì)確定各關(guān)節(jié)角度值。

操作武器時(shí)肩、肘、腕、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的評(píng)價(jià)應(yīng)用快速上肢評(píng)估準(zhǔn)則,快速上肢評(píng)估(rapid upper limb assessment,RULA),是由英國(guó)諾丁漢大學(xué)職業(yè)工效學(xué)研究所于1993年發(fā)表的一種人機(jī)工效學(xué)評(píng)估方法[9]。該方法主要是通過(guò)對(duì)人體各部分的姿勢(shì)、用力情況和肌肉的使用情況的研究來(lái)評(píng)估人體上肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)的大小[10-11],其可靠性在多種工況以及實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證,結(jié)合立姿操作肩抗式發(fā)射器動(dòng)作要素,涉及到的有上臂評(píng)分、前臂評(píng)分、手腕評(píng)分、頸部評(píng)分。

1)上臂評(píng)分

以手臂自然垂直狀態(tài)為準(zhǔn),上臂前后方向擺動(dòng)角度分別在20°以內(nèi),評(píng)分為1；向前擺動(dòng)角度在20°～ 45°區(qū)間范圍,評(píng)分為2；向前擺動(dòng)角度在45°～ 90°區(qū)間范圍,評(píng)分為3,向前擺動(dòng)角度在90°以上,評(píng)分為4,如果肩膀上提,則分?jǐn)?shù)加1,受操作姿勢(shì)及任務(wù)限制,不考慮上臂外展及上臂受力情況。

2)前臂評(píng)分

以前臂自然垂直狀態(tài)為準(zhǔn),前臂向前方向擺動(dòng)角度在60°～100°區(qū)間范圍,評(píng)分為1；前臂向前方向擺動(dòng)角度在0°～60°區(qū)間范圍或大于100°,評(píng)分為2；受操作姿勢(shì)及任務(wù)限制,不考慮前臂越過(guò)身體中線或者伸到身體外側(cè)的評(píng)分狀況。

3)手腕評(píng)分

肩抗式發(fā)射器控制部件一般布置在發(fā)射筒底端,以便于操作中有效改善手腕左右側(cè)彎與手腕扭轉(zhuǎn),因此手腕評(píng)分只考慮俯仰彎曲的評(píng)估數(shù)值,如圖3所示。

圖3 手腕評(píng)分

4)頸部評(píng)分

頸部評(píng)分只對(duì)前后方向?qū)е碌氖孢m度進(jìn)行評(píng)分,當(dāng)前傾處于0～10°,評(píng)分為1；前傾處于10°～20°,評(píng)分為2；前傾大于20°,評(píng)分為3；后仰評(píng)分為4。

結(jié)合RULA中關(guān)于上臂、前臂、手腕、頸部的評(píng)分,作為單兵舒適度評(píng)價(jià)的依據(jù),使A1、B1對(duì)應(yīng)左、右肩關(guān)節(jié)角度α的舒適度評(píng)分,A2、B2對(duì)應(yīng)左、右肘關(guān)節(jié)角度β的舒適度評(píng)分,A3、B3對(duì)應(yīng)左、右腕關(guān)節(jié)角度γ的舒適度評(píng)分,A4對(duì)應(yīng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)δ的舒適度評(píng)分,引入與Ai(i=1,2,3,4)對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)ηi,則單兵立姿狀態(tài)下操作發(fā)射器的總體舒適度評(píng)分可用式(2)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

A=η1(A1+B1)+η2(A2+B2)+
η3(A3+B3)+η4A4

(2)

式中：A值越小,總體舒適度越好,說(shuō)明肩抗式發(fā)射器人機(jī)布局更加合理。

2 肩抗式發(fā)射器顯控裝置人機(jī)布局方法

2.1 觀瞄鏡人機(jī)布局

立姿狀態(tài)下使用武器時(shí),一般要求右臂自然下垂以穩(wěn)住筒身[4],觀瞄鏡人機(jī)布局的原則是方便單兵在作戰(zhàn)姿態(tài)下觀看使用,因此在觀瞄鏡人機(jī)布局時(shí)主要對(duì)觀瞄鏡中心、單兵右眼瞳孔中心、發(fā)射器重心相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

根據(jù)1.1、1.2分析,假設(shè)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)為0°,觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心G的垂向距離lVE可表示為：

lVE=lP1-lN

(3)

由于“重要活動(dòng)范圍和身體各部位舒適姿勢(shì)的調(diào)節(jié)范圍”[2]中關(guān)于頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)δ的舒適調(diào)節(jié)范圍為12°～25°,因此觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心的垂向距離最大值lVE最大值、最小值lVE最小值分別見(jiàn)式(4)、式(5),除此之外,若作戰(zhàn)環(huán)境需要選擇冬服、肩墊,在該計(jì)算值基礎(chǔ)上應(yīng)另將冬服厚度計(jì)入。

lVE最大值=cos12°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(4)

lVE最小值=cos25°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(5)

同理,基于頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)舒適度調(diào)節(jié)范圍,觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心的縱向距離最大值lDE最大值、最小值lDE最小值分別見(jiàn)式(6)、式(7)：

lDE最大值=sin25°·(lP1-lN)+(lHL-lDD-lP1P2/2)

(6)

lDE最小值=sin12°·(lP1-lN)+(lHL-lDD-lP1P2/2)

(7)

受操作姿勢(shì)限制,不考慮頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)左右方向的調(diào)節(jié)范圍,此時(shí),觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心的徑向距離lRE見(jiàn)式(8),若作戰(zhàn)環(huán)境需要選擇頭盔,在該計(jì)算值基礎(chǔ)上應(yīng)將頭盔最大厚度計(jì)入。

lRE=(lK1K2-lP1P2)/2

(8)

2.2 扳機(jī)、握把人機(jī)布局

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系與1.2中肩抗式發(fā)射器顯控裝置布局分析,扳機(jī)點(diǎn)T距離重心G的前后距離lTG、握把安裝的O距離左肩點(diǎn)的前后距離lOG的計(jì)算見(jiàn)式(9),此處,忽略扣扳機(jī)時(shí)食指根部至食指近位指關(guān)節(jié)長(zhǎng)度。

lTG=lOG=lBSsinα+lBWsinβ+lZWcosγ

(9)

根據(jù)RULA評(píng)價(jià)原則,在理想狀態(tài)下,同時(shí)滿足0°≤α≤20°、60°≤β≤100°、γ為0°時(shí),扳機(jī)距離重心的前后距離lTG、握把距離左肩點(diǎn)的前后距離lOG為最佳尺寸,但是受扳機(jī)、握把位置與發(fā)射器重心功能、結(jié)構(gòu)等限制,不能同時(shí)滿足該狀態(tài),因此,應(yīng)遵循整體設(shè)計(jì)與右臂自然下垂原則,結(jié)合JACK軟件得到肩、肘、腕、頭部角度并用RULA進(jìn)行評(píng)價(jià)。

除此之外,扳機(jī)、握把需雙手操作,由于身體各部位相互約束,其舒適作業(yè)范圍空間有所減小,此時(shí)伸展空間為：在距身體中線左右各150 mm的區(qū)域內(nèi),最大操作弧半徑為510 mm[2]。

3 計(jì)算機(jī)輔助肩抗式發(fā)射器顯控裝置人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)(CAED)是多學(xué)科結(jié)合的領(lǐng)域,包括人機(jī)工程學(xué)、生理學(xué)、工程技術(shù)等,有助于設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)間的節(jié)約并提高效率。根據(jù)肩抗式發(fā)射器顯控裝置的人、機(jī)特性分析,借助VB軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“肩抗式發(fā)射器人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)建議”功能,首先在“標(biāo)準(zhǔn)選擇”方面,采用國(guó)內(nèi)常用的人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)GJB 2873—97、GB10000—88,在百分位人選擇上,選取了第5、50、95百分位人,除此之外,由于這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間較早,為避免新標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的數(shù)據(jù)更新問(wèn)題,該應(yīng)用支持自定義尺寸的輸入,如圖4所示,結(jié)合JACK軟件得到肩、肘、腕、頭部角度與第2章節(jié)中式(3)～式(9),計(jì)算生成結(jié)果,該階段的設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)滿足以用戶為中心的設(shè)計(jì),有效縮短了反復(fù)計(jì)算的時(shí)間。

圖4 基于VB軟件平臺(tái)的功能開(kāi)發(fā)

4 應(yīng)用案例

以某型肩抗式發(fā)射武器優(yōu)化設(shè)計(jì)為例,優(yōu)化前觀瞄鏡中心E距離發(fā)射筒重心G的垂向距離lVE=140 mm、縱向距離lDE為70～150 mm、徑向距離lRE=61 mm,握把安裝點(diǎn)距離O與重心G縱向距離lOG=460 mm、扳機(jī)點(diǎn)T距離發(fā)射筒重心G的縱向距離lTG為450～550 mm,肩墊厚度為30 mm,不考慮使用頭盔。根據(jù)要求,選用GJB2873—1997《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[12]中第50百分位成年男子人體數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考依據(jù),應(yīng)用第2章節(jié)中式(3)～式(9)進(jìn)行計(jì)算,得到優(yōu)化后的肩抗武器各部件人機(jī)布局設(shè)計(jì)尺寸,表1為優(yōu)化前后肩抗武器尺寸設(shè)計(jì)變量值的對(duì)比,經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,優(yōu)化前的觀瞄中心E點(diǎn)偏低,操作者需要通過(guò)低頭或緊縮脖子來(lái)實(shí)現(xiàn)操作,因此建議將lVE值設(shè)定在188～199 mm之間；在E點(diǎn)距離重心點(diǎn)G的縱向距離上,將最小值調(diào)高到80 mm；關(guān)于E點(diǎn)距離重心點(diǎn)G的徑向距離,為了使右瞳孔中心更好的瞄準(zhǔn)觀瞄鏡,將該距離從61 mm減少到47 mm；扳機(jī)點(diǎn)T距離發(fā)射筒重心G的縱向距離lTG從460 mm縮短到350 mm；握把安裝點(diǎn)O與重心G縱向距離lOG由450～550 mm調(diào)整到410 ～510 mm,優(yōu)化后的肩抗武器的各部件更為緊湊,便于使用。

表1 優(yōu)化前后肩抗武器設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比 mm

優(yōu)化布局評(píng)價(jià)時(shí),借助JACK人機(jī)工效軟件平臺(tái),首先在平臺(tái)中構(gòu)建第50百分位數(shù)字虛擬人,導(dǎo)入優(yōu)化前后的肩抗武器模型,分別與虛擬人進(jìn)行匹配,然后在JACK軟件中查看武器優(yōu)化前后使用時(shí)肩關(guān)節(jié)角度α、肘關(guān)節(jié)角度β、腕關(guān)節(jié)角度γ及頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ,結(jié)合RULA對(duì)各部分的評(píng)分進(jìn)行優(yōu)化前后對(duì)比,優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)優(yōu)化,左肩關(guān)節(jié)角度由86.2°減小為80.6°,舒適度A1評(píng)分優(yōu)化前后為3；右肩關(guān)節(jié)角度由60°減小為39.4°,舒適度B1評(píng)分由3降為2；左肘關(guān)節(jié)角度由41.4°變?yōu)?5.6°,舒適度A2評(píng)分由2降為1,右肘關(guān)節(jié)角度由91.7°變?yōu)?24.2°,舒適度B2評(píng)分由1升到2；左腕關(guān)節(jié)角度由28.1°變?yōu)?4.1°,舒適度A3評(píng)分由3降為2,右腕關(guān)節(jié)角度由43.1°減小為33.8°,舒適度B3評(píng)分優(yōu)化前后為3;頭部關(guān)節(jié)角度由13°變?yōu)?°,舒適度A4評(píng)分由2降到1。當(dāng)加權(quán)系數(shù)η1、η2、η3和η4分別取0.3、0.2、0.2和0.3時(shí),舒適度評(píng)分A由4.2變?yōu)?.4,減小了19.0%,表明通過(guò)優(yōu)化,舒適度的改善較為明顯。

表2 優(yōu)化前后關(guān)節(jié)角度及舒適度評(píng)分

5 結(jié)論

文中提出了一種肩抗式發(fā)射武器顯控裝置人機(jī)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,在Jack軟件平臺(tái)下,獲取操作者肩、肘、腕、頭部關(guān)節(jié)角度值,結(jié)合RULA準(zhǔn)則與人機(jī)工程學(xué)分析對(duì)肩抗式發(fā)射武器進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià),基于VB軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了“肩抗式發(fā)射武器人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)建議”應(yīng)用程序。通過(guò)某型肩抗武器的人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì),給出的設(shè)計(jì)方法可有效減少靜態(tài)肌肉施力、緩解操作人員長(zhǎng)時(shí)間疲勞性。