運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)研究

李 朋 張 凱 馮虎祥 薛海明 / LI Peng ZHANG Kai FENG Huxiang XUE Haiming

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，陜西723000)

運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)研究

李 朋 張 凱 馮虎祥 薛海明 / LI Peng ZHANG Kai FENG Huxiang XUE Haiming

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，陜西723000)

方向舵腳蹬是飛機(jī)航向控制的操縱機(jī)構(gòu)，腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，不僅影響著駕駛員下肢操縱的可達(dá)性與舒適度，同時(shí)也對(duì)飛機(jī)安全駕駛存在一定的安全隱患。運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬設(shè)計(jì)通過對(duì)人體生理特征和人體生物力學(xué)的研究，利用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合人體舒適坐姿二維簡化模型和人體尺寸，對(duì)人體下肢操縱可達(dá)范圍，腳蹬運(yùn)動(dòng)行程、踵點(diǎn)設(shè)計(jì)等進(jìn)行理論分析和計(jì)算，得到運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬的人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，并通過人機(jī)工效仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真，最終得到一些合理、可用的設(shè)計(jì)參數(shù)，為運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)提供理論支持和方法指導(dǎo)。

運(yùn)輸機(jī)；腳蹬；人機(jī)工效；設(shè)計(jì)參數(shù)；虛擬仿真

0 引言

腳蹬是控制飛機(jī)方向舵的操縱機(jī)構(gòu)，通過垂直尾翼上的空氣動(dòng)力產(chǎn)生對(duì)飛機(jī)的偏航力矩，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航向的偏轉(zhuǎn)。腳蹬參考點(diǎn)位置的高低、腳蹬運(yùn)動(dòng)行程的大小、操縱力，以及腳踏板的角度、大小和間距等人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)合理與否不僅關(guān)系駕駛員的舒適操縱，更關(guān)系著飛行駕駛的安全。腳蹬參考點(diǎn)距離座椅參考點(diǎn)設(shè)計(jì)距離過大會(huì)不滿足身材偏小的駕駛員的可達(dá)性，距離過小則會(huì)造成身材高大的駕駛員的操縱舒適性較低；同時(shí)腳蹬參考點(diǎn)距離駕駛艙地板過高時(shí)會(huì)使駕駛員雙腿懸空，從而引起駕駛員下肢操作疲勞和不適感，過低會(huì)造成舒適度和可達(dá)性較低；腳蹬運(yùn)動(dòng)行程或操縱力過大時(shí)會(huì)造成駕駛員一只腿抬腿過高，容易和駕駛桿等發(fā)生干涉，且引起駕駛員操縱疲勞，行程或操縱力過小則會(huì)導(dǎo)致不易操縱，容易引發(fā)人為差錯(cuò)從而誘發(fā)安全事故。因此，腳蹬人機(jī)工效參數(shù)設(shè)計(jì)尤為重要。

方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)，根據(jù)駕駛員舒適坐姿人體二維簡化模型，結(jié)合人體測(cè)量靜態(tài)尺寸，在人體二維簡化模型中，將人體的腳跟置于踏板上，腳跟與踏板支點(diǎn)接觸，即為踵點(diǎn)。利用經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出駕駛員下肢可達(dá)范圍、腳蹬運(yùn)動(dòng)行程、腳蹬踵點(diǎn)等人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過人機(jī)工效仿真軟件對(duì)不同人體百分位的駕駛員進(jìn)行下肢可達(dá)性虛擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正和完善，運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)研究可為腳蹬設(shè)計(jì)提供理論支持和方法指導(dǎo)。

1 下肢操縱力分析

腳蹬運(yùn)動(dòng)是駕駛員在坐姿形態(tài)下通過下肢對(duì)腳踏板的蹬踏來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)航向的控制。一般坐姿時(shí)，右腳蹬力大于左腳，男性腳力大于女性。人體下肢的操縱力大小與腿部的膝關(guān)節(jié)角度有關(guān)。人體生物體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：坐姿操作情況下，當(dāng)腳蹬用力小于227N[1]時(shí)，膝關(guān)節(jié)角度以107°為宜；當(dāng)腳蹬用力大于227N時(shí)，膝關(guān)節(jié)角度以130°為宜(飛機(jī)方向舵的推薦許用力值為272N)。用腳前端進(jìn)行操作時(shí)，腳踏板上的許用力值不宜超過60N；用腳和腿同時(shí)操作時(shí)，腳踏板上的許用力值可達(dá)1 200N。

為了給操作者的下肢操縱提供反饋信息，腳踏板必須設(shè)計(jì)有一定的操縱阻力。考慮到駕駛員長時(shí)間操作的舒適性，根據(jù)人體力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)明，腳操縱器的最大操縱阻力不應(yīng)大于264N，否則駕駛員易產(chǎn)生疲勞。為防止在操作過程中駕駛員對(duì)腳踏板的無意操作，腳踏板應(yīng)有一個(gè)最小阻力，該最小阻力應(yīng)至少超過操作者腿休息時(shí)腳踏板所承受力，一般取值為50N。因此腳踏板阻力應(yīng)設(shè)置在50 N～264 N之間。

綜合考慮駕駛員下肢在不同位置時(shí)的操縱力及操縱舒適度影響，為使駕駛員處于最舒適的駕駛姿勢(shì)，腳踏板設(shè)計(jì)時(shí)駕駛員下肢位置關(guān)系應(yīng)參考以下角度值：大腿切角取5°≤α1≤15°[2]；膝關(guān)節(jié)角度取100°≤α2≤135°；腳與小腿夾角取90°≤α3≤120°。如圖 1所示。

圖1 駕駛員下肢操縱位置關(guān)系

并且還應(yīng)當(dāng)注意的是：人體肢體所有力量的大小，都與持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，施力大小與持續(xù)時(shí)間關(guān)系如圖 2所示。隨著持續(xù)時(shí)間的延長，操縱舒適度的下降，肢體的力量很快衰弱。根據(jù)人體力學(xué)靜態(tài)施力大小和持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，下肢的操縱力持續(xù)時(shí)間tmax與肌肉施力的大小F和最大肌理Fmax的比值(P=F/Fmax)有關(guān)。當(dāng)F/Fmax趨近于1.0時(shí)，意味著人體在接近極限肌力的狀態(tài)下工作，操縱力持續(xù)時(shí)間僅能維持幾秒鐘；而當(dāng)F/Fmax趨近于0.15時(shí)，操縱力持續(xù)時(shí)間可以很長直至出現(xiàn)厭惡、枯燥等其他情緒。由此可以得出：在長時(shí)間工作情況下，人體肌肉勢(shì)力大小不應(yīng)大于最大肌力的15%。

圖2 靜態(tài)肌肉施力大小與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

2 駕駛員下肢可達(dá)區(qū)域分析

腳蹬設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮下肢的可達(dá)范圍。在人體舒適坐姿二維簡化模型中，將人體的腳跟置于踏板上，腳跟與踏板支點(diǎn)接觸，即踵點(diǎn)。踵點(diǎn)的位置根據(jù)駕駛員處于坐姿時(shí)的腿與腳的舒適姿勢(shì)來確定。一般情況下，腳踏板的布置以踵點(diǎn)為空間定位點(diǎn)，如圖 3所示。圖中L7為臀膝距；L8為小腿長；L9為足高，為了計(jì)算方便，在這里認(rèn)為L9與L10垂直；L10為內(nèi)踝足跟距；θ5為大腿切角；θ6為膝關(guān)節(jié)角度；θ7為小腿與腳之間的夾角；θ8為腳底與地板的夾角，也即腳踏板與地板的夾角；X3為踵點(diǎn)與座椅中立位置水平距離；Y3為踵點(diǎn)距座椅面的垂直距離。

圖3 人體二維簡化模型[3]

由圖3可知，踵點(diǎn)與座椅中立位置的距離X3P50為：

式中，L7、L8、L9、L10分別取GJB4856-2003中運(yùn)輸機(jī)第50百分位的駕駛員的臀膝距、小腿長、足高、內(nèi)踝足跟距。在下肢操縱力與舒適性分析時(shí)，大腿切角θ5取5°～10°，而θ8可以由其它角度值計(jì)算得到，即：

由下肢操縱力與舒適性分析得到的θ6的取值范圍為100°～135°，則腳蹬踏板與地板的夾角θ8的取值范圍為30°～60°。

將這些值分別代入式(1)、(2)中，得到X3P50的標(biāo)準(zhǔn)值為605mm～925mm。

由圖3可知，踵點(diǎn)距座位面高度Y3P50為：

式中，L7、L8、L9、L10、θ5、θ8與計(jì)算X3P50時(shí)取值一樣，將這些數(shù)值代入式(3)中，得到Y(jié)3P50的標(biāo)準(zhǔn)取值為135mm～415mm。

由此得出腳踏板踵點(diǎn)與座椅中立位置參考點(diǎn)水平距離范圍為605mm～925mm，腳踏板踵點(diǎn)與座椅中立位置參考點(diǎn)垂直距離范圍為135mm～415mm。如圖4所示。

圖4 下肢可舒適關(guān)節(jié)角度可達(dá)域

3 腳蹬運(yùn)動(dòng)行程分析

為了保證操縱的可靠性，腳踏板的位移行程應(yīng)適量。行程過小，不足以提供操作反饋；行程過大，易引起操作者的疲勞或影響正常操作。考慮到人體力學(xué)下肢操作舒適度的影響，為使駕駛員處于最舒適的駕駛姿勢(shì)，腳踏板設(shè)計(jì)時(shí)駕駛員下肢位置關(guān)系應(yīng)參考以下角度值：大腿切角取5°≤α1≤15°；膝關(guān)節(jié)角度取100°≤α2≤135°。即當(dāng)腳踏板行程在最前端時(shí)大腿切角為5°，膝關(guān)節(jié)角度為135°；當(dāng)腳踏板行程在最后端時(shí)大腿切角為15°，膝關(guān)節(jié)角度為100°，如圖 5所示。將第50百分位的駕駛員人體尺寸代入計(jì)算公式，可得出，在保證人體舒適的前提下，腳踏板前后運(yùn)動(dòng)行程最大值為190mm。根據(jù)人體坐姿勢(shì)力特征分析及著裝修正，腳踏板最佳運(yùn)動(dòng)行程為100mm～180mm。

圖5 腳踏板運(yùn)動(dòng)位置示意圖

4 腳踏板中立位置參考點(diǎn)(踵點(diǎn))分析

考慮到駕駛員在腳踏板操縱過程中舒適可達(dá)，腳踏板的重力位置確定應(yīng)滿足在前運(yùn)動(dòng)行程極限及后運(yùn)動(dòng)行程極限情況下，腳踏板運(yùn)動(dòng)軌跡始終處在人體下肢可達(dá)域內(nèi)。因此，人體下肢可達(dá)域前后極限除去腳踏板運(yùn)動(dòng)行程量即為腳踏板中立位置參考點(diǎn)取值范圍。參考上述計(jì)算分析結(jié)果，腳踏板中立位置參考點(diǎn)取值范圍為，與座椅參考點(diǎn)水平距離655mm～875mm，腳踏板踵點(diǎn)與座椅參考點(diǎn)垂直距離取值范圍為165mm～385mm。

5 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)

通過參考人體尺寸數(shù)據(jù)及人體施力特性分析，并根據(jù)著裝、姿態(tài)等方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終確定了方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)的部分推薦值分別見表 1、圖 6。

圖6 腳踏板人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：mm)

表1 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)

6 腳蹬人機(jī)工效仿真

通過基于CATIA Human builder的人機(jī)工效分析軟件，分別載入5%、50%、95%人體數(shù)據(jù)模型，對(duì)腳踏板中立位置參考點(diǎn)(踵點(diǎn))取值范圍及運(yùn)動(dòng)行程的前后極限進(jìn)行了可達(dá)性仿真分析。分析結(jié)果表明，腳踏板運(yùn)動(dòng)行程前極限、后極限均能滿足下肢可達(dá)性要求。如圖7、圖8所示。

圖7 腳踏板前極限位置可達(dá)性分析

圖8 腳踏板后極限位置可達(dá)性分析

7 結(jié)論

本文根據(jù)中國人體下肢生理特征及生物力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)人體下肢操縱力進(jìn)行分析。結(jié)合下肢舒適坐姿關(guān)節(jié)角度和人體尺寸，利用簡單幾何關(guān)系，總結(jié)出駕駛員座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，分析計(jì)算出運(yùn)輸機(jī)駕駛艙下肢可達(dá)范圍，得到了運(yùn)輸機(jī)駕駛員下肢可達(dá)范圍、腳蹬運(yùn)動(dòng)行程、腳蹬參考點(diǎn)(踵點(diǎn))以及腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行了人機(jī)工效仿真軟件仿真分析，結(jié)果表明，運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)方法得當(dāng)，設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)合理、可信，可指導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)方向舵腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)。

[1] 丁玉蘭，郭鋼，趙江洪.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)，1991:127.

[2] 鞠峰.飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 張煒，馬智，俞金海.民機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)[M]西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2015:91-93.

Transport Aircraft Rudder Pedal Design Ergonomic Research

(Research and Development Centre, AVIC Aircraft Co., Ltd, Shaanxi, China)

Pedals are the operating mechanism of the plane heading control. The pros and cons of ergonomic design, not only affect the manipulation of lower limbs driver accessibility and comfort, but also has certain security hidden danger of safe driving to the aircraft. By the study of human physiological characteristics and the biological mechanics, using the empirical formula, combined with the human body comfortable sitting posture simplified 2 d model and human body size, scope of lower limbs manipulation and the pedal travelling, were were analyzed and calculated theoretically, and the aircraft rudder pedal ergonomic design parameters were got. Being virtually simulating By the simulation software for ergonomics, the reasonable and available design parameters were finally achived. The research can provide theoretical support and method guidance for the conveyor pedals ergonomic design.

transport aircraft；pedal；ergonomic；design parameter；virtual simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.003

航空科學(xué)基金支持課題“運(yùn)輸機(jī)駕駛艙總體布局人機(jī)工效分析”研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：2013ZAN4。

V227

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