手枪射击过程中射手动态响应特性测量与分析

杨洋,王亚平,张伟,徐诚

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

手枪射击过程中射手动态响应特性测量与分析

杨洋,王亚平,张伟,徐诚

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

为研究手枪单手立姿无依托连续射击过程中射手的响应特性,采用三维运动捕捉系统和足底压力测试系统,测量了连续射击过程人-枪的运动轨迹及其足底压力特性。试验结果表明:手枪连续射击过程中,手枪运动与足底受力/压力中心位置变化具有密切的关联性;对于立姿无依托射击,射手先后经历了被动响应阶段和主动响应阶段,对于54式手枪射击时射手进入主动响应阶段需要250 ms(标准偏差62.9 ms);随着连续射击次数的增加,射手对身体平衡能力的控制降低,导致其控枪能力减弱。分析结果同时表明:采用该测试手段对射击响应特性研究是可行的,进一步揭示了手枪射击过程中射手的响应特性,对人-枪系统运动规律分析和人-枪系统动力学模型的建立,具有参考价值。

兵器科学与技术;手枪;连续射击;响应特性;三维运动捕捉;足底压力测试

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.005

0 引言

手枪射击以人体为架座,射击过程中产生的外载荷对人体有很大的冲击作用,并且具有枪身晃动较大和瞄准误差造成的射击精度较低等问题。如何稳固据枪,使身体与枪形成一体,适应武器射击运动规律,是枪械设计者和射手最为关心的问题[1]。

对于人-枪相互作用,国内外开展了大量的理论分析和试验研究工作。包建东等[2]采用高速摄影研究了步枪射击过程的主要运动特性即后坐位移、侧偏角和俯仰角;王亚平等[3]利用ADAMS建立多刚体人-枪相互作用模型,研究枪械的后坐力对射手的影响;杨晓玉等[4]建立了某型手枪立姿无依托人-枪系统虚拟样机,得到了射击过程中人体各个关节的冲击受力特性;Matthew等[5]测量了步枪射击过程后坐力大小;Lee等[6]利用有限元模型研究射击载荷对人体的冲击作用。以上这些研究工作对研究枪械射击过程对精度及射手本体的影响具有重要的指导意义,但是目前工作中还存在一些不足之处:1)对于人-枪运动特性分析,目前主要采用高速摄影拍摄设置在枪械上的特征点,需要人工识别测量点,增加了坐标数据获得过程中的人为误差。2)利用多体动力学或有限元方法建立的人-枪模型,忽略了射手生理、训练因素以及外界刺激的影响,并且主要研究射击过程中射手的被动态响应阶段,未深入研究射手的主动响应;3)受测试手段的限制,以往研究未结合足底受力开展射击过程中人体稳定性研究。

针对上述不足之处,本文采用三维运动捕捉系统进行射击过程运动姿态采集,采用足底压力测试系统测试地面对足底的反作用力,通过对试验结果分析,得出射击过程人体响应动态特性规律,以及测试手段对射手响应特性分析的可行性。

1 测试系统

1.1 试验设计

人-枪运动姿态测试采用Codamotion三维运动捕捉系统,通过捕捉贴在人、枪上的特征点获取其空间位置坐标。为了能够有效地捕捉到射击过程中人体运动响应姿态,按照图1(a)设置特征点,手枪射击运动的采集,按照图1(b)所示进行特征点设置。

足底压力特性分析采用Footscan足底压力平板测试系统,足底压力测试系统能够测出足底压力中心轨迹及其二维空间位置,左右足及双足整体的垂直压力及其变化。足底压力板与Codamotion进行同步,保证数据时间的对应。

测试所用枪械为54式半自动手枪,射击姿态为右手单手无依托持枪,左手自由下垂,射手在搭建好的试验平台中进行射击试验(见图2)。选择两名身体健康并且射击经验丰富的射手,每组试验间隔10 min以保证射击状态良好。对于每组试验,射手瞄准目标,在能控制住手枪的情况下,连续扣动扳机,进行7发连续射击,每组试验重复3次。

图1 特征点的布置Fig.1 The markers placement

图2 试验现场Fig.2 Test site

1.2 试验采集与分析指标说明

1)特征点空间坐标位置s:在手枪和身体上布置的特征点,通过特征点空间坐标位置可以获得射击过程中人-枪运动姿态,其中X轴为与枪膛轴线垂直的水平方向、Y轴为与枪膛轴线平行的射击方向、Z轴为与枪膛轴线垂直的竖直方向,单位m.

2)足底压力中心的晃动轨迹COP:反映的是压力板对射手的垂直反作用力中心点位置的变化,单位mm.

3)压力中心平均晃动速度v:射击时足底压力中心晃动轨迹派生指标,射手完成1发射击后压力中心晃动的轨迹长度和射击所用时间的比值,单位mm/s.

4)足底压力F:射击时,地面对足底在垂直方向的反作用力,单位N.

2 试验结果与分析

本文首先对试验数据的一致性进行了分析与检验,通过直观对比并采用SPSS统计学软件分析试验结果的一致性,分析结果表明:射手1和射手2射击试验结果具有较好的一致性(假设检验中的p＜0.01),试验结果可靠,下面以典型样本为例进行分析。

2.1 运动学采集结果与分析

试验测量过程中的噪声,虽然可以通过细致的试验过程和良好的试验设备来最小化,但不可能完全消除,本文采用2阶、截止频率为10的零相位的Butterworth过滤器。由于手枪运动姿态是枪和手臂共同作用的结果,其姿态反映了人的控枪能力,本文选取手枪上的特征点A(见图1(b))为研究对象。为了说明身体姿态变化,选取了腕关节上特征点E为研究对象(见图1(a))。从站立举枪到射击结束收枪整个过程特征点的空间坐标值如图3所示,截取7次连续射击过程如图4、图5所示。

图3 整个动作过程特征点的空间坐标Fig.3 The spatial coordinates of measured feature points in the process of whole action

图4 射击过程手枪特征点A坐标位置Fig.4 The coordinate position of Point A

图5 腕部特征点E坐标位置Fig.5 The coordinate position of wrist feature points E

由图4特征点sA_z曲线可知,手枪在枪膛轴线垂直的竖直方向(铅垂方向)有7段变化相似的曲线,每段射击过程手枪运动姿态呈双峰趋势,第1个波峰是后坐力形成的转矩造成的,第1个波峰后的波谷是复进到位撞击产生的外力形成的反向转矩造成的。当复进到位撞击造成的转矩突然改变方向后,手臂的预紧力发生变化导致手臂回弹,出现波谷。第2个波峰是手臂主动控制造成的,此时手臂能够有意识地控制枪械运动,第2个波峰发生在射击开始后205ms(多次试验的平均时间)。由图4特征点sA_y曲线可知,手枪在枪膛轴线平行的射击方向有7个较大的波谷,该现象主要是后坐力及复进到位撞击造成的,其他因素对其射击方向位移变化影响相对较弱。射击方向上的波谷与铅垂方向上第1个波峰同时出现,由此可知,射击方向的运动主要是由于后坐及复进到位撞击造成的,主动控制阶段对射击方向的运动影响不显著。由图4特征点sA_χ曲线可知,手枪在枪膛轴线垂直的水平方向的变化规律与其在左右方向变化规律相似,前3发射击过程枪械运动较为稳定,后4发射击枪口的射击方向偏离原始位置。

图5为腕部特征点E运动姿态变化,通过对比手枪上特征点A点运动姿态,二者总体变化趋势相近,腕部特征点E空间位置变化相对平稳。其中,腕部特征点E运动姿态只有一个显著的峰值,发生在手枪上特征点A点运动姿态的第1个波峰处。人体对外界的刺激发生主动响应所需时间在200～300 ms,据此可知射手还处于本能响应阶段。

2.2 足底测试结果与分析

足部和地面直接接触,可以综合衡量人体对射击过程中后坐力的响应,以往的研究中均未考虑研究足底规律,本文首次通过试验研究射击过程足底受力变化规律。图6是射击过程中足底压力中心轨迹COP曲线,为了便于分析,将压力中心位置分解为水平方向位移和射击方向位移随时间变化的历程图(见图7)。在射击方向上,压力中心位置COPχ随射击过程前后晃动,前3发压力中心向后晃动最大位置相近,随后的射击压力中心晃动的最大值逐渐增大,并且晃动规律明显不如前3发射击;在左右方向上,前3发压力中心位置COPy相对于初始位置偏右,从第4发开始压力中心位置相对于初始位置偏左,射击过程中,其晃动规律不如射击方向的显著。

图6 压力中心轨迹Fig.6 The track of pressure center

图8为压力中心平均晃动速度v随连续射击变化规律,压力中心平均晃动速度随连续射击次数N的增加呈现下降趋势,其中前4次射击下降速度较快。压力中心晃动速度表示本体感受器姿态控制机能,文献[7]认为其值越大越好。对于本文研究的射击过程,由于射手需要迅速调整身体姿态以平衡外力,故认为其值大表示反应快,身体姿态调节能力强。由此可知连续射击次数与射手平衡能力之间的关系,即射手的平衡能力随着连续射击次数的增加呈下降趋势。

图7 压力中心的位置变化Fig.7 The changein position of pressure center

图8 每发射击过程压力中心平均晃动速度Fig.8 The average sway velocity of pressure center during each firing

射击过程中足底所受垂直方向的反作用力如图9所示,双足在每次射击过程中呈规律性变化。对于每发射击过程,右足底受力有两个峰值、一个波谷,左足底有一个波峰、一个波谷,其中左足底波谷对应右足底的波峰。出现这种现象的主要原因是射手本体关节产生的预紧力与外力不平衡导致的。对于右足底,第1个峰值由于手枪射击过程中枪机后坐到位撞击造成,第2个峰值由于射手主动控制造成,波谷是由于射击结束后突然撤去外力,人体本能的反应造成的。

2.3 射击过程射手响应时间分析

射手完成一次射击,先后经历了本能响应阶段和主动响应阶段(见图10),本能响应是射手本能控制枪械运动,主动响应是射手有意识地控制枪械运动。

图9 左、右足底受力变化规律Fig.9 The change of left and right plantar pressures

图10 射击响应阶段划分Fig.10 The different response stages during firing

每次射击过程进行统计分析(见图11),射手开始能够有本能响应的时刻Ⅰ(从开始射击到射手本能控制手枪运动)、射手开始能够有主动响应时刻Ⅱ(从开始射击到射手本能有意识地控制手枪运动)以及完成一次射击所需时间Ⅲ进行统计分析,得出54式手枪单手无依托射击过程中,射手开始有本能响应的时刻62.5 ms(标准偏差20.2 ms)(如图11时间Ⅰ),射手开始有主动响应的时刻250.0 ms(标准偏差62.9 ms)(如图11时间Ⅱ),完成一次射击所需时间420.0 ms(标准偏差32.8 ms) (如图11时间Ⅲ).生物力学普遍认为人对外界的主动响应在200～300 ms,试验得出的主动响应时间平均耗时250 ms,说明其结果可信。

图11 射击过程中不同阶段时间Fig.11 Different stages of time during firing

2.4 射击过程手枪运动与足底受力/压力中心位置变化关联分析

通过对比射击过程手枪的运动(见图4)和足底受力(见图9)及其压力中心位置变化(见图7),可以发现,在连续射击过程中,手枪运动与足底受力及其压力中心位置变化都呈现出相似的波峰波谷规律性变化。为了定量研究二者之间的关联密切程度,本文采用了皮尔森相关系数计算手枪运动与足底受力及其压力中心位置变化之间的相关性,计算结果如表1所示。

表1 手枪运动与足底受力/压力中心相关性统计分析Tab.1 The relationship between pistol motion and foot force/pressure center position

从相关性分析结果可以得出射击过程中手枪运动与左足受力具有显著的相关性(p＜0.01)。手枪运动在水平方向与射击方向与右足受力具有显著的相关性(p＜0.01),但在竖直方向运动与右足受力不具有显著相关性(p=0.275＞0.01);手枪运动与足底压力中心位置在射击方向上的变化具有显著的相关性(p＜0.01)。手枪运动在水平方向和竖直方向运动与足底压力中心位置在水平方向具有显著相关性(p＜0.01),但手枪射击方向运动与足底压力中心位置在水平方向上的变化不具有显著相关性(p=3.54＞0.01)。

通过上述分析,射击过程中手枪运动与左足受力和足底压力中心在射击方向位置变化具有显著的相关性,手枪运动与右足和足底压力中心在水平方向位置变化具有局部相关性。

3 结论

本文构建了三维运动捕捉和足底压力测量相结合的人-枪响应特性测试系统。该测试系统获得了射手在立姿无依托射击过程中手枪的运动、射手足底受力变化及其压力中心位置变化。研究结果表明:对于手枪立姿无依托连续射击过程中,射手先后经历了被动响应阶段和主动响应阶段,对于54式手枪射击时射手进入主动响应阶段需要250.0 ms(标准偏差62.9 ms);手枪运动和足底受力及其压力中心位置变化都具有显著的规律性变化,同时手枪运动测试结果与足底测试结果具有密切的关联性,足底测试结果能够较好地反应射手连续射击过程中身体的平衡特性,进一步揭示了手枪射击过程中射手的响应特性。本文的研究结果对射击时人-枪系统运动规律分析和人-枪系统动力学模型的建立,具有参考价值。

References)

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Test and Analysis of Dynamic Response Characteristics of Pistol Shooter

YANG Yang,WANG Ya-ping,ZHANG Wei,XU Cheng
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

The purpose of the study is to investigate the response characteristics of pistol shooter who stands to continuously shoot without support.A three-dimensional motion capture system and a plantar pressure test system are used to get the shooter-pistol motion trajectory and plantar pressure.The results show that the pistol motionis closely related with the foot force/pressure center position during the continuous shooting.A shooter should go through the passive and active responses when he fires in standing posture without support.A shooter takes 250 ms(SD=62.9 ms)to make an active response.Weak postural control occurrs with the increase in consecutive shots,which results in reduced gun control ability.The analysis results show that the testing systems can be used to analyze the response characteristics of shooter,provide a new way to study the discipline of human-pistol motion and develop the human-pistol dynamics model.

ordnance science and technology;pistol;continuous shooting;response characteristic;motion capture system;plantar pressure test system

TB18

A

1000-1093(2016)01-0031-06

2015-03-03

国家自然科学基金项目(51575299);国防基础科研项目(A1020133013)

杨洋(1988—),男,博士研究生。E-mail:yangyang82512@163.com;王亚平(1975—),女,副研究员,硕士生导师。E-mail:zykdou@163.com