直升機座艙操縱機構人機工效設計及驗證

黃育龍，劉 晨，巫艷明

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

典型的直升機座艙操縱機構包括周期變距桿、總距桿和腳蹬，其中周期變距桿用來控制直升機的俯仰和滾轉(zhuǎn)，總距桿控制直升機的升降，腳蹬控制直升機的航向，各機構有機配合是駕駛直升機的關鍵。各操縱點的空間位置和運動行程均能影響操作效率和駕駛體驗。因此，直升機操縱機構人機工效問題應給予足夠重視。

目前，對座艙操縱機構人機功效的研究都集中在固定翼飛機領域，直升機方面缺乏相關研究。直升機座艙操縱機構設計主要參考文獻[3]中給出的一些具體的參考數(shù)值，缺乏系統(tǒng)的方法和理論，不具有通用性。

基于此，我們建立了基于人體髖(H)點的座椅及直升機操縱機構的布局方法，用于指導直升機座艙操縱機構的設計和改進。

1 部件人機工效設計原理

1.1 座椅人機工效設計原理

駕駛員座椅屬于工作座椅范疇，因此，設計上應遵循工作座椅的基本原則，座椅的樣式和尺寸應符合人機功效的要求，工作座椅設計要求如表1所示。

表1 工作座椅主要設計部分及要求[1]

1.2 周期變距桿和總距桿的人機工效設計原理

周期變距桿和總距桿都屬于控制桿，設計時應依照控制桿的人機工效準則。周期變距桿具有前后推拉、左右擺動和圓錐運動等形式。桿長應依照桿的位移量和操縱力大小來決定。周期變距桿的位移量隨著桿的運動形式而有所不同，周期變距桿前后推拉時，最大位移量為350mm；周期變距桿左右運動時，最大位移量為950mm。周期變距桿的操縱角以30°～60°為宜。

總距桿屬于比較特殊的一種控制桿，主要為上下運動，如圖1中所示?？偩鄺U左邊緣與座椅中心線距離推薦值在290mm～315mm之間，總距桿沿y軸向上最大距離為340mm，沿y軸向下最大位置為第5百分位人體手臂長與總距桿的交點位置P，x方向位置為距離座椅中立位置參考點76mm左右。

1.3 腳蹬人機工效設計原理

作用于腳蹬上的力大小與腿部膝關節(jié)的角度相關：當作用于腳蹬上的力小于227N時，膝關節(jié)角度以107°為宜；當作用于腳蹬上的力大于227N時，膝關節(jié)角度以130°為宜。

通常情況下，腳蹬與坐姿有推薦的一些參考角度值；大腿與座椅夾角α取10°～15°，腳與脛骨間的夾角γ取90°～120°，膝關節(jié)角β取90°～150°。如圖2所示。

圖1 總距桿位置原理圖[2]

圖2 腳蹬與坐姿位置示意

2 人機工效設計計算

2.1 腳蹬人機工效設計計算

腳蹬位置的確定要以人體髖點(H點)為基準，根據(jù)下肢各關節(jié)角度在舒適范圍內(nèi)變化的要求確定腳部踵點(AHP點)位置，再將踵點(AHP點)的位置變化轉(zhuǎn)化為座椅的調(diào)節(jié)量。首先建立人體下肢模型如圖3所示。

圖3 人體下肢簡化模型

根據(jù)幾何關系可得AHP點位置：

α1+α2=α3+α4(1)

x=L4cos(180-α4-α)+

L2cos(180-α1-α2)+L1cosα1(2)

y=L4sin(180-α4-α)+

L2sin(180-α1-α2)-L1sinα1(3)

α1，α2，α3，α4為人體下肢關節(jié)的活動角度范圍，舒適范圍如表3。當α4取某一舒適角度，并給定α1時，則可由公式(2)和(3)計算出α2和α3在舒適范圍變化的一條AHP點線。當α4取不同值，就可以得到同一α1下的AHP點舒適曲線。分別帶入P5、P50、P95位人體數(shù)據(jù)(見表2)進行計算，可以得到某一α1下不同人體百分位的AHP點舒適曲線。不同角度α1的AHP點舒適曲線就對應人體的AHP點舒適區(qū)域。

表2 人體模型線性尺寸[3]

表3 角度說明[4]

取α4=45°，α1分別取5°、10°、15°和20°四個值進行分析計算。將第5、50、95百分位人體數(shù)據(jù)帶入Matlab中計算并擬合出不同α1取值情況下的AHP點舒適曲線圖形，如圖4所示。

由圖4可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體AHP點在舒適范圍，AHP點離H點水平距離約為620mm，垂直距離約為270mm。

2) 要使第50百分位人體AHP點在舒適范圍，AHP點離H點水平距離約為650mm，垂直距離約300mm。

3) 要使第95百分位人體AHP點在舒適范圍，AHP點離H點水平距離約680mm，垂直距離約320mm。

4) 由AHP點相關計算可知，要使不同百分位人體AHP點舒適區(qū)域重合，座椅在水平方向上具有60mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有50mm的調(diào)節(jié)量。

5) 座椅位置依照第50百分位人體尺寸設計，可以使第5和95百分位尺寸人體都達到AHP點舒適域，且能使座椅的調(diào)節(jié)量最小。

圖4 第5、50、95百分位AHP點舒適區(qū)域

2.2 周期變距桿人機工效設計計算

要確定周期變距桿的位置，應以座椅位置為參照，周期變距桿的設計應該考慮使人體右手操作在舒適范圍內(nèi)。為了便于分析，現(xiàn)將問題轉(zhuǎn)化為二維俯視圖和二維側(cè)視圖求解。在俯視圖中，肩關節(jié)向身體內(nèi)側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αx為0°～50°；在俯視圖中，肩關節(jié)向軀干上側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αz為15°～35°；肘關節(jié)彎曲角度αy為60°～100°(以上為針對駕駛時的舒適角度)[5]；靠背角αo取17°，如圖5所示。

圖5 上肢連桿投影圖

如圖5將上肢連桿在中心垂直面上投影，設髖點為坐標原點，則可通過集合關系得到手參考點的坐標值。

(4)

根據(jù)表4所示上肢線性尺寸和取αx、αy、αz為舒適的角度時，就可以由式(6)和式(7)計算出駕駛員握點的舒適域，從而為周期變距桿的設計提供依據(jù)。再代入Matlab計算：αx取一舒適值20°。由于αy值(60°～100°)的變化對于αz值(15°～35°)的影響較小，αz可分別取15°和35°，αy取60°～100°間某一步長變化。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線，兩條曲線間區(qū)域就為對應αx的手舒適域。圖6為Matlab中繪制的二維圖形。

表4 上肢線性尺寸[3]

圖6 第5、50、95百分位右手舒適區(qū)域

由圖6可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點距離H點水平距離約為280mm，垂直距離約為430mm。

2) 要使第50百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點距離H點水平距離約為300mm，垂直距離約為440mm。

3) 要使第95百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點距離H點水平距離約為320mm，垂直距離約為450mm。

4) 由右手相關計算可知，要使不同百分位人體右手參考點舒適區(qū)域重合，在水平方向上具有40mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有20mm的調(diào)節(jié)量。

5) 依照第50百分位人體尺寸設計周期變距桿，加入座椅的調(diào)節(jié)量，能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體右手落在舒適域內(nèi)。

2.3 總距桿人機工效設計計算

總距桿位置計算公式與周期變距桿一樣，由于操作方式不同，αx取一舒適值15°，αz可分別取15°和35°，αy取60°～100°間某一步長變化(以上針對操作總距舒適位置)。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線，兩條曲線間區(qū)域就為對應αx的左手舒適域。圖7為Matlab中計算得到的左手舒適區(qū)域。

圖7 第5、50、95百分位左手舒適區(qū)域

由圖7可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點距離H點水平距離約為290mm，垂直距離約為435mm。

2) 要使第50百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點距離H點水平距離約為315mm，垂直距離約為450mm。

3) 要使第95百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點距離H點水平距離約為340mm，垂直距離約為465mm。

4) 由左手相關計算可知，要使不同百分位人體左手參考點舒適區(qū)域重合，在水平方向上具有50mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有30mm的調(diào)節(jié)量。

5) 依照第50百分位人體尺寸設計總距桿，加入座椅的調(diào)節(jié)量，能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體左手落在舒適域內(nèi)。

2.4 計算結(jié)論

將以上計算結(jié)果進行整合，得出基于第50百分位人體舒適姿勢的直升機座艙操縱機構布局模型，踵點x方向距離髖點650mm，y方向300mm；右手參考點x方向距離髖點300mm，y方向450mm；左手參考點x方向距離髖點320mm，y方向150mm；座椅的調(diào)節(jié)為前后60mm，上下50mm。如圖8所示。

圖8 操縱機構布局模型

3 人機工效驗證

3.1 模型導入

以某型直升機駕駛艙為例，將第50百分位飛行員人體模型置于其中，使人體處于操作狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 人-機模型

3.2 姿勢評價

將計算得出的第50百分位人體各部位舒適區(qū)域疊加到該型機人機模型中，如圖10所示，觀察各部位參考點及舒適區(qū)域。

由圖10可見,除腳部參考點之外，左右手參考點均不同程度地偏離舒適區(qū)域。由于該機型座椅沒有垂直方向上的調(diào)節(jié)量，因此可以判斷該機總距桿和周期變距桿無法處于手部舒適區(qū)域。

圖10 舒適區(qū)域驗證圖

4 結(jié)論

本文通過分析直升機駕駛艙人機工效設計的相關參數(shù)與原理，建立了直升機座艙操縱機構人機工效分析數(shù)學模型，研究了不同百分位下人機操作舒適度區(qū)域。以某型直升機座艙操縱機構人機布局為例對所提方法進行了舒適性驗證。結(jié)果表明，現(xiàn)有直升機的總距桿和周期變距桿設計均偏離舒適區(qū)域較大，說明傳統(tǒng)直升機操縱方式從在人機工效方面存在問題，需進一步優(yōu)化改進。同時，論文也為下一步的直升機側(cè)桿操縱機構人機工效研究提供了一種思路。