肩抗式發射武器顯控裝置人機尺寸優化設計*

姬麗靜,考希賓,王延琦,萬 紅,夏寶清,郭書文,楊巧麗,陳亞妮

(1 中國兵器工業衛生研究所, 西安 710065； 2 中國兵器工業集團公司人-機-環境重點實驗室, 西安 710065)

0 引言

肩抗式發射武器是打擊武裝直升機、地面裝甲車輛或用于城市作戰的有效武器,主要指肩抗式防空導彈、肩抗式反坦克導彈、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,如英國的新一代輕型反裝甲武器MBT LAW,瑞典的卡爾古斯塔夫無后坐力炮、我國的紅箭-12[1]。

肩抗式發射武器不同于一般武器系統的特殊因素在于：單兵在執行發射任務時需要同時滿足肩抗狀態下可視性、可達性的需求,因此對該武器顯控裝置進行人機布局顯得尤為重要,合理的設計可以使單兵在操作武器時合理使用肌力,降低肌肉的實際負荷,減小靜態肌肉施力,從而提高作業效率[2]。

目前國內肩抗式發射器的設計主要依靠經驗或借鑒國外成熟產品,有學者在人-武器最佳匹配研制過程中考慮到武器在操作使用狀態下對射手關節的作用力[3-4],尚無從人體尺寸方面考慮操作者在具體使用時存在的問題。西方發達國家的武器系統注重人體尺寸的應用,但是西方人比東方人身材更高大、強壯,擁有臂長、手腳大的特點[5],使其產品的外觀尺寸并不具備借鑒意義。因此,文章從人機工程學角度出發,提出一種肩抗式發射武器顯控裝置人機布局優化設計的方法,并結合實例對所提方法進行驗證。

1 肩抗式發射器人機分析

1.1 使用狀態下的人體模型分析

肩抗式發射武器的使用對象是單兵,該武器主要由觀瞄裝置和發射筒組成,肩抗式發射武器常用姿態有4種：立姿、坐姿、跪姿、臥姿,由于臥姿姿態下采用支架作為受力點,立姿、坐姿、跪姿在人機設計考慮方面具有相似性,文中以立姿姿態為例進行討論。

立姿姿態下人的可視性方面涉及到的人體尺寸項目主要有眼高、頸椎點高、肩高、頭最大長、兩瞳孔間距、兩耳外寬,可達性涉及到的人體尺寸項目有肩高、上臂、前臂、手長、掌長,見圖1,其中點N表示頭部轉動關節,點S表示肩關節,點W表示腕關節,點B表示肘關節,點P1表示右眼瞳孔中心,點K1、K2表示外耳耳廓結節,點M表示中指指尖點,lP1為眼高、lN為頸椎點高、lS為肩高、lHL為頭最大長、lDD為耳屏點至枕后點垂距、lP1P2為兩瞳孔間距、lK1K2為兩耳外寬、lBS為上臂長度、lBW為前臂長度、lMW為手長、lZW為掌長。

圖1 肩抗式發射器可視、可達性涉及到的人體尺寸

1.2 肩抗式發射器顯控裝置布局分析

以古斯塔夫84 mm口徑無后座炮為例[6-7],其外觀如圖2所示,主要布局部件有觀瞄鏡、扳機、握把、肩托,在功能使用上各部件需要同時滿足肩抗下可視、可達性需求。假設發射筒重心點G位置已確定,觀瞄鏡中心E距離發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、扳機點(因距離發射筒底端較近,垂直方向距離忽略不計)距離發射筒重心的縱向距離分別為lOG和lTG,扳機、握把的抓握使用通過調節肩關節角度α、肘關節角度β以及腕關節角度γ實現,觀瞄鏡的使用通過調節頭部轉動關節δ來實現,因此根據所選某百分位人,結合關節舒適度與圖1肩抗式發射器可視、可達性涉及到的人體尺寸及項目可得出觀瞄鏡、扳機、握把的最佳安裝尺寸。

圖2 肩抗式發射器顯控裝置布局分析

從人機工程學角度來看,一個理想的設計只能是考慮多種因素的折衷方案,其結果對每個單項而言可能不是最優的,但是可以最大程度地減少操作人員因局部超負荷工作帶來的疲勞與不適[8]。肩抗式發射器扳機、握把都屬于用手交互的部件,不能同時布置在最佳位置,可結合各部件重要性、使用頻繁性,同時考慮單兵盲操作需求。

1.3 使用狀態下單兵舒適度分析

舒適度主要是指人的主觀感覺,受振動、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關節角度來判斷,若用C表示人體的舒適度,根據1.2節分析,C可表示為肩關節角度α、肘關節角度β、腕關節角度γ、頭部轉動關節δ的函數,即

C=f(α,β,γ,δ)

(1)

由式(1)可知,應先確定α、β、γ、δ關節角度值。文中以單兵在立姿狀態下左手抓握握把、右手緊扣扳機,同時單兵右眼注視觀瞄鏡中心的靜態姿勢確定各關節角度值。

操作武器時肩、肘、腕、頭部轉動關節的評價應用快速上肢評估準則,快速上肢評估(rapid upper limb assessment,RULA),是由英國諾丁漢大學職業工效學研究所于1993年發表的一種人機工效學評估方法[9]。該方法主要是通過對人體各部分的姿勢、用力情況和肌肉的使用情況的研究來評估人體上肢肌肉骨骼損傷風險的大小[10-11],其可靠性在多種工況以及實驗中得到驗證,結合立姿操作肩抗式發射器動作要素,涉及到的有上臂評分、前臂評分、手腕評分、頸部評分。

1)上臂評分

以手臂自然垂直狀態為準,上臂前后方向擺動角度分別在20°以內,評分為1；向前擺動角度在20°～ 45°區間范圍,評分為2；向前擺動角度在45°～ 90°區間范圍,評分為3,向前擺動角度在90°以上,評分為4,如果肩膀上提,則分數加1,受操作姿勢及任務限制,不考慮上臂外展及上臂受力情況。

2)前臂評分

以前臂自然垂直狀態為準,前臂向前方向擺動角度在60°～100°區間范圍,評分為1；前臂向前方向擺動角度在0°～60°區間范圍或大于100°,評分為2；受操作姿勢及任務限制,不考慮前臂越過身體中線或者伸到身體外側的評分狀況。

3)手腕評分

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

圖3 手腕評分

4)頸部評分

頸部評分只對前后方向導致的舒適度進行評分,當前傾處于0～10°,評分為1；前傾處于10°～20°,評分為2；前傾大于20°,評分為3；后仰評分為4。

結合RULA中關于上臂、前臂、手腕、頸部的評分,作為單兵舒適度評價的依據,使A1、B1對應左、右肩關節角度α的舒適度評分,A2、B2對應左、右肘關節角度β的舒適度評分,A3、B3對應左、右腕關節角度γ的舒適度評分,A4對應頭部轉動關節δ的舒適度評分,引入與Ai(i=1,2,3,4)對應的加權系數ηi,則單兵立姿狀態下操作發射器的總體舒適度評分可用式(2)進行評價：

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,說明肩抗式發射器人機布局更加合理。

2 肩抗式發射器顯控裝置人機布局方法

2.1 觀瞄鏡人機布局

立姿狀態下使用武器時,一般要求右臂自然下垂以穩住筒身[4],觀瞄鏡人機布局的原則是方便單兵在作戰姿態下觀看使用,因此在觀瞄鏡人機布局時主要對觀瞄鏡中心、單兵右眼瞳孔中心、發射器重心相對位置進行設計分析。

根據1.1、1.2分析,假設頭部轉動關節為0°,觀瞄鏡中心E距離發射筒重心G的垂向距離lVE可表示為：

lVE=lP1-lN

(3)

由于“重要活動范圍和身體各部位舒適姿勢的調節范圍”[2]中關于頭部轉動關節δ的舒適調節范圍為12°～25°,因此觀瞄鏡中心E距離發射筒重心的垂向距離最大值lVE最大值、最小值lVE最小值分別見式(4)、式(5),除此之外,若作戰環境需要選擇冬服、肩墊,在該計算值基礎上應另將冬服厚度計入。

lVE最大值=cos12°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(4)

lVE最小值=cos25°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(5)

同理,基于頭部轉動關節舒適度調節范圍,觀瞄鏡中心E距離發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)

受操作姿勢限制,不考慮頭部轉動關節左右方向的調節范圍,此時,觀瞄鏡中心E距離發射筒重心的徑向距離lRE見式(8),若作戰環境需要選擇頭盔,在該計算值基礎上應將頭盔最大厚度計入。

lRE=(lK1K2-lP1P2)/2

(8)

2.2 扳機、握把人機布局

根據圖1中的幾何關系與1.2中肩抗式發射器顯控裝置布局分析,扳機點T距離重心G的前后距離lTG、握把安裝的O距離左肩點的前后距離lOG的計算見式(9),此處,忽略扣扳機時食指根部至食指近位指關節長度。

lTG=lOG=lBSsinα+lBWsinβ+lZWcosγ

(9)

根據RULA評價原則,在理想狀態下,同時滿足0°≤α≤20°、60°≤β≤100°、γ為0°時,扳機距離重心的前后距離lTG、握把距離左肩點的前后距離lOG為最佳尺寸,但是受扳機、握把位置與發射器重心功能、結構等限制,不能同時滿足該狀態,因此,應遵循整體設計與右臂自然下垂原則,結合JACK軟件得到肩、肘、腕、頭部角度并用RULA進行評價。

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

3 計算機輔助肩抗式發射器顯控裝置人機尺寸設計

計算機輔助人機工程設計(CAED)是多學科結合的領域,包括人機工程學、生理學、工程技術等,有助于設計研發時間的節約并提高效率。根據肩抗式發射器顯控裝置的人、機特性分析,借助VB軟件平臺實現“肩抗式發射器人機尺寸設計建議”功能,首先在“標準選擇”方面,采用國內常用的人體尺寸數據庫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,由于這兩項標準發布時間較早,為避免新標準帶來的數據更新問題,該應用支持自定義尺寸的輸入,如圖4所示,結合JACK軟件得到肩、肘、腕、頭部角度與第2章節中式(3)～式(9),計算生成結果,該階段的設計程序開發滿足以用戶為中心的設計,有效縮短了反復計算的時間。

圖4 基于VB軟件平臺的功能開發

4 應用案例

以某型肩抗式發射武器優化設計為例,優化前觀瞄鏡中心E距離發射筒重心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,握把安裝點距離O與重心G縱向距離lOG=460 mm、扳機點T距離發射筒重心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。根據要求,選用GJB2873—1997《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》[12]中第50百分位成年男子人體數據作為設計參考依據,應用第2章節中式(3)～式(9)進行計算,得到優化后的肩抗武器各部件人機布局設計尺寸,表1為優化前后肩抗武器尺寸設計變量值的對比,經過分析計算,優化前的觀瞄中心E點偏低,操作者需要通過低頭或緊縮脖子來實現操作,因此建議將lVE值設定在188～199 mm之間；在E點距離重心點G的縱向距離上,將最小值調高到80 mm；關于E點距離重心點G的徑向距離,為了使右瞳孔中心更好的瞄準觀瞄鏡,將該距離從61 mm減少到47 mm；扳機點T距離發射筒重心G的縱向距離lTG從460 mm縮短到350 mm；握把安裝點O與重心G縱向距離lOG由450～550 mm調整到410 ～510 mm,優化后的肩抗武器的各部件更為緊湊,便于使用。

表1 優化前后肩抗武器設計尺寸的對比 mm

優化布局評價時,借助JACK人機工效軟件平臺,首先在平臺中構建第50百分位數字虛擬人,導入優化前后的肩抗武器模型,分別與虛擬人進行匹配,然后在JACK軟件中查看武器優化前后使用時肩關節角度α、肘關節角度β、腕關節角度γ及頭部轉動角度δ,結合RULA對各部分的評分進行優化前后對比,優化結果見表2。經過優化,左肩關節角度由86.2°減小為80.6°,舒適度A1評分優化前后為3；右肩關節角度由60°減小為39.4°,舒適度B1評分由3降為2；左肘關節角度由41.4°變為65.6°,舒適度A2評分由2降為1,右肘關節角度由91.7°變為124.2°,舒適度B2評分由1升到2；左腕關節角度由28.1°變為14.1°,舒適度A3評分由3降為2,右腕關節角度由43.1°減小為33.8°,舒適度B3評分優化前后為3;頭部關節角度由13°變為0°,舒適度A4評分由2降到1。當加權系數η1、η2、η3和η4分別取0.3、0.2、0.2和0.3時,舒適度評分A由4.2變為3.4,減小了19.0%,表明通過優化,舒適度的改善較為明顯。

表2 優化前后關節角度及舒適度評分

5 結論

文中提出了一種肩抗式發射武器顯控裝置人機尺寸優化設計的方法,在Jack軟件平臺下,獲取操作者肩、肘、腕、頭部關節角度值,結合RULA準則與人機工程學分析對肩抗式發射武器進行設計評價,基于VB軟件平臺開發了“肩抗式發射武器人機尺寸設計建議”應用程序。通過某型肩抗武器的人機優化設計,給出的設計方法可有效減少靜態肌肉施力、緩解操作人員長時間疲勞性。