单兵肩扛式火箭筒人机参数化设计方法

魏 蓉，史雪瑞，王晗宇

(西安工业大学，陕西 西安 710032)

单兵火箭筒是一种便携式反坦克武器，随着发射系统、火力系统、瞄准系统及轻量化技术的成熟化，在单兵火箭筒的设计过程中，武器设备的人机设计逐渐得到了重视。单兵火箭筒工作状态主要为肩扛使用，在士兵使用操作过程中，武器自重大，后坐力强，不科学的人机设计会造成士兵肌肉负荷不均匀，从而导致肌肉疲劳，降低发射精度，甚至造成生命危险[1-2]。因此，在火炮武器系统的设计过程中，必须充分考虑系统中人的因素，根据人的形态特征设计作业条件，尽可能满足宜人的要求[3]。

目前,我国单兵肩扛式武器的设计，其人机关系设计尺寸多直接参照国内外同类型武器，缺乏理论化计算依据，针对此问题，笔者提出了一种针对单兵肩扛式火箭筒前置握把和激发手柄位置设计的有效参数化方法。根据这种方法计算出左右手舒适区域，并且运用JACK软件进行了仿真验证。

1 人体操作状态

火箭筒主体部分是发射筒，通常后侧设有喇叭状文氏管，发射筒下方设有激发手柄和前置握把。同时，发射筒下方设有垫肩托架和可拆卸或调节角度的小型两脚架，为精确瞄准提供支撑。激发手柄前方设有前置握把，用来改善不同姿态下的瞄准条件，降低手臂疲劳，单兵肩扛式火箭筒的基本构造如图1所示。

单兵火箭筒发射时，士兵把火箭筒扛于肩部，肩垫托架紧贴前胸，右手握紧激发手柄，左手抓握前置握把，这种人机关系确定了士兵的基本操作姿势。

在研究士兵操作姿势时，通常将人体的骨骼模拟简化成由若干个关节连接成的二维杆状人体侧面上肢模型，如图2所示。L1为肩宽，L2为左前臂长，L3为左上臂长，L4为右前臂长，L5为右上臂长。

2 参数化设计方法

2.1 垫肩托架与发射筒末端位置关系

士兵在操作火箭炮时，火箭筒扛于右肩，前胸贴合于垫肩托架处，为准确瞄准和稳定操作提供支撑点,如图3所示。

在垫肩托架的设计中，操作人员前胸贴合于垫肩托架，后背部至发射筒末端。故垫肩托架与发射筒末端的距离为胸厚数据与着装修正数据之和。选取成年男性的胸厚数据a为基础数据[4]，同时添加着装身材修正及专业作战防弹衣着修正b，可以计算出肩垫托架距发射筒末端距离X0=a+b。

2.2 前置握把与肩部最高点位置关系

火箭筒作战时采用肩扛操作方式，士兵左手抓握前置握把。在对前置握把与肩部最高点位置的相对位置计算中，为了便于求解，对左臂连杆模型进行投影，从而将手臂的三维变化求解转化为二维数学模型求解，建立左臂与身体的连杆模型，如图4所示。肘关节弯曲角度为α1，躯干旋转角度为αx，肩关节向身体外侧旋转角度为αy。在求解的过程中，将各连杆投影在垂直面进行分析，将上肢左臂连杆在垂直面上投影，右肩最高点为坐标原点，则可通过几何关系得到左手位置坐标，即前置握把与肩部最高点距离X1。

在人手臂模型的建立中，人上臂和肩胛骨连接处关节可绕x、y、z3个方向旋转活动，肘关节绕一个方向旋转活动[5-6]。为保持一定的舒适状态，关节上肢连杆变换角度值[7]满足表1所示要求。

表1 上肢连杆变换角度值

士兵得到舒适的操作关节角度条件为：在侧视图上，手部与肩关节保持在一条直线，肘关节舒适调节角度范围α1为85°～ 110°。在俯视图上，为保持舒适操作姿势，人体躯干会旋转一定的舒适角度，躯干旋转角度αx为20°～40°[8]，肩关节向身体外侧旋转角度αy为0°～50°。

(1)

(2)

L1×sinαx

(3)

2.3 肩部最高点与激发手柄位置关系

操作者在使用时，火箭筒扛于右肩，右手抓握激发手柄，以右肩最高点为坐标原点，右手前臂长为L4，上臂长为L5,右臂的连杆模型如图5所示，肘关节弯曲舒适角度α1调节范围为85°～110°。

对激发手柄与肩关节最高点位置关系进行计算，根据几何关系可得:

(4)

根据人的上肢线性尺寸以及不同关节的舒适角度，选取α1为舒适角度时，就可以由式(4)计算出激发手柄舒适位置区间。

3 计算与实例验证

3.1 设计计算

根据上文中提到的参数化计算方法，选取GJB/Z 131—2002[4]中国成年男子P50人体上肢线性尺寸为设计依据。分别选取人体肩宽，上臂长，前臂加手功能动态尺寸数据，如表2所示。

表2 中国成年男子上肢线性尺寸

根据表1、2中的上肢各部位舒适角度及上肢线性尺寸数据，就可以由式(3)计算出前置握把舒适位置区间，从而为前置握把的设计提供了依据。根据式(3)，将算法写入MATLAB中，对前置握把距右肩最高点位置进行计算[9]。考虑到人体侧身角度区间变化范围较小，所以先取舒适的αx值为30°。αy以步长10°为区间，分别取0°，10°，20°，30°，40°，50° 6个值，肘关节弯曲角度α1取85°～110°步长为1°的区间，计算得到6条舒适线。0°和50°两条曲线形成的区域为对应X1的舒适域。将计算值在EXCEL中作图，横轴为肘关节弯曲角度α1，纵轴为前置握把与肩部最高点位置时距离X1，如图6所示，图中0°与50°，20°与40°曲线几乎重合。

由图6可以得到结论：对于P50我国男子左手舒适域内，前置握把与肩部最高点位置舒适调节距离为519～678 mm。

根据式(4)，将算法写入MATLAB中，对激发手柄距肩部最高点位置进行计算。取舒适的α1值85°～110°。代入式(4)中，得到一条舒适线。将计算值在EXCEL中作图,如图7所示。

由图7可以得出结论：对于P50我国男子右手舒适域内，激发手柄与肩部最高点位置距离为381～489 mm。

3.2 实例验证

某型号单兵肩扛式火箭筒原结构尺寸为：火箭筒全长965 mm,发射筒直径87 mm，长795 mm。

通过计算和数据优化，前置握把与肩部最高点位置，选择舒适域的中间值599 mm，激发手柄至肩部最高点的位置，选择舒适域中的中间值435 mm。垫肩托架距发射筒末端的距离为307 mm。

3.3 计算机建模仿真

运用JACK软件进行某型号单兵手持火箭筒的激发手柄与前置握把进行了人机工效学评估。依据已知原始数据，使用Pro/E软件对火箭筒进行建模，保存成IGES格式并导入JACK中，再利用JACK人体模型建立模块，生成我国P50我国地面部队尺寸人体模型[10]。然后对虚拟人进行手部抓握，使右手抓握激发手柄，左手抓握前置握把,如图8所示。

利用JACK中的舒适度分析模块对上肢舒适度进行评估，分析结果如表3所示，在表3中加黑项表示各部位处于操作舒适区域中。

表3 舒适度模块分析结果

从表3分析结果可以看出：各关节舒适度的各项数值均保持在较低水平，且均在舒适范围内，舒适度良好，在该姿势下进行火箭弹发射，士兵不易疲劳。

4 结论

采用笔者提出的人机参数化计算方法，对某型号单兵健康式火箭筒进行优化设计，并运用JACK软件进行人机功效评估后，可得出以下结论：

1) 利用该方法可以计算出单兵肩扛式火箭筒在人体舒适度内的激发手柄和前置握把的相对位置尺寸范围区间。利用该计算方法可以对单兵肩扛式火箭筒的激发手柄、前置握把和垫肩托架的位置尺寸范围进行理论设计。

2)通过实例和计算机仿真验证，结果表明，该参数化设计方法计算出的激发手柄和前置握把的相对距离合理、有效，符合人体舒适度要求。

3)该计算方法为单兵肩扛式火箭筒的设计工作提供了理论依据。