基于人机工程学的载人潜水器可弃压载配重装置计算机辅助设计研究

任玉刚，李德威，高 翔，唐嘉陵，史先鹏，景春雷，杨 磊

(国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061)

基于人机工程学的载人潜水器可弃压载配重装置计算机辅助设计研究

任玉刚，李德威，高 翔，唐嘉陵，史先鹏，景春雷，杨 磊

(国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061)

针对“蛟龙号”可弃压载配重装置实际应用中存在的问题，运用人机工程学原理，开展了人机工程需求分析和总体设计。结合人机工程学设计标准，利用计算机辅助设计技术对“蛟龙号”压载配重装置进行了改进设计，完成了“蛟龙号”载人潜水器可弃压载配重装置从分析到设计的系列开发过程。研究方法可为人机工程学原理在海洋工程领域的应用提供借鉴。

“蛟龙号”载人潜水器；可弃压载配重装置；人机工程学

0 引 言

人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。该学科有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善其理论体系和研究方法，形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性学科。人机工程学在工程技术领域是目前研究的热点性学科，为机械设计提供了科学的方法指导，大大地推动了机械设备在各行业中的应用[1-2]。

在载人航天工程领域，人机工程学在美国军方应用最为先进，仅美国空军的阿姆斯特朗实验室就有数百个人机工程学研究专家。未来，载人航天领域将围绕交互对接人工控制、出舱活动、空间站等任务进行，包括多通道整合工效学研究、新型交互设备的工效学设计、基于虚拟现实技术的人-机接口设计、面向航天环境因素模拟器的工效学研究等。

在海洋钻井平台上，海洋平台控制室的设计中充分融入了人机工程学设计理念。控制室的座椅设计为仰角视角，姿态可调；操纵台触摸屏控制、控制椅两侧多功能组合操控手柄及按钮手动控制多种模式实现；采用CATIA软件对控制室进行三维(3D)建模并进行模拟分析，对内部显示操纵装置布置进行设计校核和模拟操控[3]。

在船舶与潜艇方面，目前许多国家都制定了针对海洋船舶的工效学设计体系，例如美国材料与试验协会和美国国家标准学会均制定了海船人机工程学设计规程，在显示器、驾驶室内各种驾驶和辅助设备、驾驶操作等方面都体现人机工程学的原则与要求。

在深海载人潜水器上，美国新“阿尔文”号载人潜水器的设计中充分融入了人机工程学的设计理念。例如，舱内座椅进行了重新设计，观察窗的位置也将根据座椅进行调整；设计人员采用可观性更强的显示器取代开关面板与仪表盘，使操控与显示全部数字化。此外，舱内的控制系统、灯光与成像系统、科考设备的人机界面等多个方面也都做了工效学改进。

随着计算机技术的发展,人机工程不再局限于传统的数据积累等应用范畴,而是充分利用计算机的高性能图形计算能力建立3D 图形化、交互式的虚拟环境与仿真评价平台，计算机辅助人机工程设计(CAED)[4-5]应运而生。“蛟龙号”7 000 m载人潜水器成功完成了应用航次，取得了丰硕的成果，引起了国内外海洋界的轰动。随着载人潜水器海上应用的经验积累，发现“蛟龙号”本体某些设备设计欠人机化，给操作及保障工作带来困扰。利用CAED方法可以快捷、高效地完成相关设备的改机设计，并建立一套高技术装备研发-试验-人机化改进的工作体系。在上述背景与思路下，本文围绕“蛟龙号”载人潜水器现有可弃压载配重装置在实际应用中存在的设计问题，对其进行了改进设计与优化研究。

1 问题提出及方案设计

1.1 问题描述

如图1所示，现有可弃压载配重为整体安装式，需人工将压载重块抬到载人潜水器底部甲板，利用经验进行调整，最终将压载机构送入导向机构，完成潜水器下潜准备。这种安装方式存在安装效率低下、安装过程危险等欠人性化设计缺陷，因此需要开展可弃压载配重装置的改进设计与优化研究，使可弃压载配重装置达到人与物的完美协调，既能优化原有装置的设计缺陷、提高工作效率，又能改善工作环境、保障人员安全。结合课题组人员海上工作实践，在充分了解设计项目的工作流问题及人员的操作问题后，提出原装置的问题及解决方案。以人为中心，研究设计符合人机工程学原则[6-7]的载人潜水器可弃压载配重装置，改变了传统的深海载人潜水器压载重块的整体式安装结构，采用分片式结构，使压载重块利于人员单手操作，采用组合安装方式，把人-机-环境作为一个统一的整体来研究，创造最适合于人的作业环境。

图1 “蛟龙号”压载配重块安装示意图Fig.1 Installation diagram of droppable ballast device on the Jiaolong manned submersible

1.2 方案设计

本项目拟采用的技术路线如图2所示，主要研究步骤如下。

(1)概念性设计研究：全面分析压载配重作业过程的工作内容和流程，分析实际问题，确定可弃压载配重装置人机工程学设计要求。

(2)初步及详细设计研究：明确可弃压载装置的各种限制条件，确定各类设施设计的极限百分比，对各类设施的功能特性、设计限度及安装人员的能力限度进行分析。

(3)集成设计研究：集成上述研究结果，对设计方案进行集成制造、组装、调试，并进行总体分析与全面论证，确保各类设施能够协同配合。

(4)评价与问题改进：充分采用主观询问调查、性能指标测试、仿真模型模拟等各种评价方法对环境要素单体及所构成的环境系统的可靠性、可行性、可维护性、操作方便程度、使用效率、性能价格比等进行评价，并预测可能出现的问题，提出改进意见并进行修改完善。

(5)方案定型：复核相关设计尺寸，完善设计方案，对试制产品进行全面的人机工程学标准复核，最终形成设计任务书与使用说明书，进行相关研究成果试制。

图2 人机工程辅助设计系统框架模型Fig.2 Fundamental frame of computer aided ergonomics design

2 关键技术与方法

2.1 人机工程学标准

采用理论标准、直观体验与人-机交互设计三者相结合的方法进行研究[8]。

(1) 理论标准：以全国人类工效学标准化技术委员会组织制定的国家标准为理论依据，深入研究与本项目相关的国家标准的制定指导思想与具体实施细则，本项目所形成的研究方案均在国家标准的规范框架内设计制定。

(2) 直观体验：潜航员和技术人员在多次海试过程中积累了大量载人潜水器可弃压载装置作业的实际经验，他们对于可弃压载配重装置的安装有着切身体会。本项目的研究将把潜航员和技术人员的直观体验融入可弃压载配重装置要素设计的细节中，密切与实际应用相结合，进行具体的产品设计，使人-机-环境系统的总体性能达到最佳状态，最终满足舒适、宜人、安全、高效、经济等指标。

(3) 人-机交互设计：引入计算机辅助设计/制造/工程(CAD/CAM/CAE)等计算机辅助设计技术，采用人-机交互设计理念，在计算机辅助设计系统的支持下，进行人机工程相关的各类创造性设计活动。对装置进行三维建模，并将仿真作为一个重要的设计手段，采用Ansys Workbench进行有限元分析，最终导出工程图纸及数控代码进行加工制造。

人类工效学标准体系的框架主要包括三个方面的内容：技术管理标准(例如人类工效学的一般指导原则)；工效设计数据标准(例如人类主要特性的基本标准，有关设备、程序、产品或系统的操作或使用中的人的因素的标准，有关环境物质因素对人类影响的标准等)；工效评价标准(例如用于人类工效学测试程序和数据处理的标准)。标准体系框架如图3所示。

图3 人类工效学标准体系框架Fig.3 Human ergonomics standard system framework

2.2 人体测量

在国家标准GB 3975—1983[9]中规定了人机工程学使用的有关人体测量参数的测点及测量项目，其中包括：头部测量点16个，测量项目12项；躯干和四肢部位的测量点22个，测量项目69项。测量项目涉及立姿40项、坐姿40项以及体重1项。但在可弃压载装置的设计中，有一些数据是不需要都测量处理的，所以根据GB 3975—1983中规定有选择地进行了关键数据的测量。GB 5703—2010[10]中又规定了人机工程学使用的人体参数的测量方法。测量时，必须按照该标准规定的测量方法进行，测量结果方为有效。基于此，结合直观体验，测量项目包括人体主要尺寸：身高、上臂长、前臂长、大腿长、肩宽、手腕长。

图4 人体测量基准及人体测量尺寸Fig.4 Datum and sizes of human body measurement

人机工程学将人体测量的数据以百分位数[11]来表示人体尺寸的等级。百分位数是一种位置指标，以符号Pk表示。一个百分位数将测量值分为两个部分：有k%的测量值等于或小于此数，有(100—k)%的测量值大于此数。最常用的是第5、50、95百分位数,分别记作P5、P50、P95。以第95百分位(P95)作为大身材，以第5百分位(P5)作为小身材，第50百分位(P50)则为中等身材。P95表示95%的人群身材尺寸均小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。其他百分位数的含义依此类推。一般的静态人体测量数据应符合正态分布，因此可以根据均值和标准计算百分位值，也可以计算某一人体尺寸所属的百分位数。若已知某项人体测量的均值为X,标准差为α,则任一百分位的人体测量尺寸Pk可按下式计算：

Pk=X±αk.

(1)

对于式(1)，当求1%～50%之间的数据时，式中取“—”号；当求50%～95%之间的数据时，式中取“+”号。设计中常用的百分比值与变换系数k的关系可查相关表格。

表1 相关人员尺寸统计Table 1 Dimension statistics of the project-related personnel mm

表2 人体测量尺寸百分数统计Table 2 Percentage statistics of concerned human body dimensions mm

为准确完成设计，对参与可弃压载配置装置工作的潜航员及工程技术人员的人体尺寸进行了测量。根据人机工程学设计原则，包容空间尺寸设计按第95百分位数(P95)，被包容空间尺寸设计按第5百分位数(P5)，最佳作业区位置尺寸按第50百分位数(P50)，可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分位数，由此确定设计的修正量及功能尺寸。

3 人机工程学计算机辅助设计

设计时要统筹考虑人机环境的关联与影响，因此必须基于人机工程学理论和标准进行功能尺寸设计。人体测量学数据必须充分反映设计对象的使用者群体的特征，同时必须与操作人员实际直观体验相结合。数据运用的原则如下：

(1) 为避免潜水器结构重心、稳心的变化，在尽量不改变原有压载铁外形尺寸的基础上，进行压载重块安装机构的设计建模。

(2) 确定对于设计至关重要的人体尺寸。

(3) 运用人体测量学数据时，可以按照四种方式进行设计：包容空间尺寸设计，被包容空间设计，最佳作业区位置尺寸设计，可调节结构尺寸设计。

(4) 样机试验，模拟真实环境进行再优化。

具体将整体式压载重块分片化，改为分片安装的形式，每片压载配重片重量不超过10 kg，改进的压载铁安装机构由外框底座、压载配重铅小块、压载配重铅大块、连接导向杆、挡板及压载配重片等部件组成，如图5所示。设计如下：(1)外框底座为三面封闭一面开口，是整个机构的承载基础，底座内有压载配重片安装的导柱(导柱上端有U型环与其他机构连接)；(2)压载配重片重量不超过10 kg，便于单人操作安装，压载配重片有U型半开口槽，U槽中内侧设计有螺纹孔，可以安装一对弹簧柱塞(见图6)，实际操作时将配重片由U型槽卡入底座导柱内，U槽内的一对弹簧柱塞利用反自锁能力将配重片径向固定住，完成配重片安装后把锁止螺母上紧，以保证配重片的轴向固定，多块配重片可以随意添加从而实现重量可变的可变压载机构，最后用紧固螺钉将挡板固定在底座框一侧，实现压载铁四面全封闭。配重片外观如图7所示。

图5 优化的压载机构Fig.5 Optimized dropping ballasts

图6 弹簧柱塞Fig.6 Spring plunger

图7 配重片Fig.7 Counterweight washer

图8为改进前后对比图。改进前是整体式安装，由于压载配重单个重量超过200 kg，无论是搬运还是安装都极其困难，存在安全隐患。采用人机工程学方法改进后，将配重分片化设计，单人即可完成搬运及安装，工作效率得到提升，尤其是安全性得到了极大改善。原有的海上安装方案，每次安装耗时1～2 h，需4～7人安装，同时安装过程中危险系数较大，极易发生由于海况影响导致压载铁倾倒砸伤人员事故；改进后的可弃压载配重装置采用了分片化设计，实验室模拟数据表明，安装过程中仅需1～2人进行作业，耗时25 min(海上由于海况条件预计30～50 min)，人员效率和作业效率大大提高，同时也极大地提升了作业过程中的安全性。

图8 改进前后安装对比Fig.8 Installment before and after optimization

4 结 语

本文对大深度载人潜水器压载重块安装机构进行了建模分析，设计了一套下潜和上浮压载重块安装机构，并通过实际应用验证了此种设计方法的正确性。随着以“蛟龙号”为代表的大深度载人深海探测装备技术的工程应用和发展，将会有越来越多的实用性、经验性及新型技术应用于这些装备中，从而优化和完善大深度载人潜水器本体装备，确保载人潜水器以良好的技术状态做好海上工程应用。

[1] Vogt C,Mergl C,Bubb H.Interior layout design of passenger vehicles with RAMSIS[J].Human Factors and Ergonomics in Manufacturing,2005,15(2):197.

[2] 唐明，孙守迁，潘云鹤．基于功能面的产品布局与人机工程协同设计的研究[J].中国图象图形学报，2001(6)：64.

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[4] 杨光，黄毓瑜．计算机辅助人机工程设计系统的研究[J]．图学学报,1994(2)：58.

[5] 陈信,袁修干.人-机-环境系统工程计算机仿真[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[6] 唐晓君，查建中，陆一平.基于虚拟现实的人机结合方法及其在布局中的应用[J].机械工程学报，2003,39(8)：95.

[7] 韩端锋,韩海辉,刘峰,等.载人潜水器驾驶舱三维布局优化研究[J].船舶工程,2013(1):76.

[8] 周前祥,肖惠,张欣.我国人类工效学标准体系的研究进展[J].世界标准化与质量管理,2008(5):13.

[9] 全国人类工效学标准化技术委员会.GB 3975—1983.人体测量术语[S].1983.

[10] 全国人类工效学标准化技术委员会.GB 5703—2010.用于技术设计的人体测量基础项目[S].2011.

[11] Panero J,Zelink M.Human Dimension & Interior Space[M].London:The Architectural Press,1979.

ResearchofDroppableBallastDeviceofMannedSubmersibleBasedonComputer-AidedErgonomicsDesign

REN Yu-gang,LI De-wei,GAO Xiang,TANG Jia-ling,SHI Xian-peng,JING Chun-lei,YANG Lei

(NationalDeepSeaCenter,Qingdao,Shandong266061,China)

Aiming at the practical application problems of droppable ballast device,we carry out the optimization and research of droppable ballast device on the "Jiaolong" manned submersible based on ergonomics principle.The device is designed according to ergonomics standard,and computer-aided design technologies are used in the design.The whole process of analyzing,planning,and designing of droppable ballast device optimization will play an active role in inspring the ergonomics analysis and design of marine technologies and equipment.

Jiaolong manned submersible; droppable ballast; ergonomics

2016-01-27

山东省自然科学基金(ZR2014EEP007)

任玉刚(1987—)，男，硕士，主要从事深海技术装备研发。

P754.3；TB18

A

2095-7297(2016)01-0046-06