肩抗式发射武器显控装置人机尺寸优化设计*

姬丽静,考希宾,王延琦,万 红,夏宝清,郭书文,杨巧丽,陈亚妮

(1 中国兵器工业卫生研究所, 西安 710065； 2 中国兵器工业集团公司人-机-环境重点实验室, 西安 710065)

0 引言

肩抗式发射武器是打击武装直升机、地面装甲车辆或用于城市作战的有效武器,主要指肩抗式防空导弹、肩抗式反坦克导弹、肩抗式反坦克火箭弹等体积小、重量轻、精度高且便于携带的单兵武器,如英国的新一代轻型反装甲武器MBT LAW,瑞典的卡尔古斯塔夫无后坐力炮、我国的红箭-12[1]。

肩抗式发射武器不同于一般武器系统的特殊因素在于：单兵在执行发射任务时需要同时满足肩抗状态下可视性、可达性的需求,因此对该武器显控装置进行人机布局显得尤为重要,合理的设计可以使单兵在操作武器时合理使用肌力,降低肌肉的实际负荷,减小静态肌肉施力,从而提高作业效率[2]。

目前国内肩抗式发射器的设计主要依靠经验或借鉴国外成熟产品,有学者在人-武器最佳匹配研制过程中考虑到武器在操作使用状态下对射手关节的作用力[3-4],尚无从人体尺寸方面考虑操作者在具体使用时存在的问题。西方发达国家的武器系统注重人体尺寸的应用,但是西方人比东方人身材更高大、强壮,拥有臂长、手脚大的特点[5],使其产品的外观尺寸并不具备借鉴意义。因此,文章从人机工程学角度出发,提出一种肩抗式发射武器显控装置人机布局优化设计的方法,并结合实例对所提方法进行验证。

1 肩抗式发射器人机分析

1.1 使用状态下的人体模型分析

肩抗式发射武器的使用对象是单兵,该武器主要由观瞄装置和发射筒组成,肩抗式发射武器常用姿态有4种：立姿、坐姿、跪姿、卧姿,由于卧姿姿态下采用支架作为受力点,立姿、坐姿、跪姿在人机设计考虑方面具有相似性,文中以立姿姿态为例进行讨论。

立姿姿态下人的可视性方面涉及到的人体尺寸项目主要有眼高、颈椎点高、肩高、头最大长、两瞳孔间距、两耳外宽,可达性涉及到的人体尺寸项目有肩高、上臂、前臂、手长、掌长,见图1,其中点N表示头部转动关节,点S表示肩关节,点W表示腕关节,点B表示肘关节,点P1表示右眼瞳孔中心,点K1、K2表示外耳耳廓结节,点M表示中指指尖点,lP1为眼高、lN为颈椎点高、lS为肩高、lHL为头最大长、lDD为耳屏点至枕后点垂距、lP1P2为两瞳孔间距、lK1K2为两耳外宽、lBS为上臂长度、lBW为前臂长度、lMW为手长、lZW为掌长。

图1 肩抗式发射器可视、可达性涉及到的人体尺寸

1.2 肩抗式发射器显控装置布局分析

以古斯塔夫84 mm口径无后座炮为例[6-7],其外观如图2所示,主要布局部件有观瞄镜、扳机、握把、肩托,在功能使用上各部件需要同时满足肩抗下可视、可达性需求。假设发射筒重心点G位置已确定,观瞄镜中心E距离发射筒重心的垂向距离为lVE、纵向距离为lDE、径向距离为lRE,握把安装点、扳机点(因距离发射筒底端较近,垂直方向距离忽略不计)距离发射筒重心的纵向距离分别为lOG和lTG,扳机、握把的抓握使用通过调节肩关节角度α、肘关节角度β以及腕关节角度γ实现,观瞄镜的使用通过调节头部转动关节δ来实现,因此根据所选某百分位人,结合关节舒适度与图1肩抗式发射器可视、可达性涉及到的人体尺寸及项目可得出观瞄镜、扳机、握把的最佳安装尺寸。

图2 肩抗式发射器显控装置布局分析

从人机工程学角度来看,一个理想的设计只能是考虑多种因素的折衷方案,其结果对每个单项而言可能不是最优的,但是可以最大程度地减少操作人员因局部超负荷工作带来的疲劳与不适[8]。肩抗式发射器扳机、握把都属于用手交互的部件,不能同时布置在最佳位置,可结合各部件重要性、使用频繁性,同时考虑单兵盲操作需求。

1.3 使用状态下单兵舒适度分析

舒适度主要是指人的主观感觉,受振动、噪声、温湿度、照明、色彩等诸多因素的影响,该文舒适度分析主要通过关节角度来判断,若用C表示人体的舒适度,根据1.2节分析,C可表示为肩关节角度α、肘关节角度β、腕关节角度γ、头部转动关节δ的函数,即

C=f(α,β,γ,δ)

(1)

由式(1)可知,应先确定α、β、γ、δ关节角度值。文中以单兵在立姿状态下左手抓握握把、右手紧扣扳机,同时单兵右眼注视观瞄镜中心的静态姿势确定各关节角度值。

操作武器时肩、肘、腕、头部转动关节的评价应用快速上肢评估准则,快速上肢评估(rapid upper limb assessment,RULA),是由英国诺丁汉大学职业工效学研究所于1993年发表的一种人机工效学评估方法[9]。该方法主要是通过对人体各部分的姿势、用力情况和肌肉的使用情况的研究来评估人体上肢肌肉骨骼损伤风险的大小[10-11],其可靠性在多种工况以及实验中得到验证,结合立姿操作肩抗式发射器动作要素,涉及到的有上臂评分、前臂评分、手腕评分、颈部评分。

1)上臂评分

以手臂自然垂直状态为准,上臂前后方向摆动角度分别在20°以内,评分为1；向前摆动角度在20°～ 45°区间范围,评分为2；向前摆动角度在45°～ 90°区间范围,评分为3,向前摆动角度在90°以上,评分为4,如果肩膀上提,则分数加1,受操作姿势及任务限制,不考虑上臂外展及上臂受力情况。

2)前臂评分

以前臂自然垂直状态为准,前臂向前方向摆动角度在60°～100°区间范围,评分为1；前臂向前方向摆动角度在0°～60°区间范围或大于100°,评分为2；受操作姿势及任务限制,不考虑前臂越过身体中线或者伸到身体外侧的评分状况。

3)手腕评分

肩抗式发射器控制部件一般布置在发射筒底端,以便于操作中有效改善手腕左右侧弯与手腕扭转,因此手腕评分只考虑俯仰弯曲的评估数值,如图3所示。

图3 手腕评分

4)颈部评分

颈部评分只对前后方向导致的舒适度进行评分,当前倾处于0～10°,评分为1；前倾处于10°～20°,评分为2；前倾大于20°,评分为3；后仰评分为4。

结合RULA中关于上臂、前臂、手腕、颈部的评分,作为单兵舒适度评价的依据,使A1、B1对应左、右肩关节角度α的舒适度评分,A2、B2对应左、右肘关节角度β的舒适度评分,A3、B3对应左、右腕关节角度γ的舒适度评分,A4对应头部转动关节δ的舒适度评分,引入与Ai(i=1,2,3,4)对应的加权系数ηi,则单兵立姿状态下操作发射器的总体舒适度评分可用式(2)进行评价：

A=η1(A1+B1)+η2(A2+B2)+
η3(A3+B3)+η4A4

(2)

式中：A值越小,总体舒适度越好,说明肩抗式发射器人机布局更加合理。

2 肩抗式发射器显控装置人机布局方法

2.1 观瞄镜人机布局

立姿状态下使用武器时,一般要求右臂自然下垂以稳住筒身[4],观瞄镜人机布局的原则是方便单兵在作战姿态下观看使用,因此在观瞄镜人机布局时主要对观瞄镜中心、单兵右眼瞳孔中心、发射器重心相对位置进行设计分析。

根据1.1、1.2分析,假设头部转动关节为0°,观瞄镜中心E距离发射筒重心G的垂向距离lVE可表示为：

lVE=lP1-lN

(3)

由于“重要活动范围和身体各部位舒适姿势的调节范围”[2]中关于头部转动关节δ的舒适调节范围为12°～25°,因此观瞄镜中心E距离发射筒重心的垂向距离最大值lVE最大值、最小值lVE最小值分别见式(4)、式(5),除此之外,若作战环境需要选择冬服、肩垫,在该计算值基础上应另将冬服厚度计入。

lVE最大值=cos12°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(4)

lVE最小值=cos25°·(lP1-lN)+(lN-lS)

(5)

同理,基于头部转动关节舒适度调节范围,观瞄镜中心E距离发射筒重心的纵向距离最大值lDE最大值、最小值lDE最小值分别见式(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)

受操作姿势限制,不考虑头部转动关节左右方向的调节范围,此时,观瞄镜中心E距离发射筒重心的径向距离lRE见式(8),若作战环境需要选择头盔,在该计算值基础上应将头盔最大厚度计入。

lRE=(lK1K2-lP1P2)/2

(8)

2.2 扳机、握把人机布局

根据图1中的几何关系与1.2中肩抗式发射器显控装置布局分析,扳机点T距离重心G的前后距离lTG、握把安装的O距离左肩点的前后距离lOG的计算见式(9),此处,忽略扣扳机时食指根部至食指近位指关节长度。

lTG=lOG=lBSsinα+lBWsinβ+lZWcosγ

(9)

根据RULA评价原则,在理想状态下,同时满足0°≤α≤20°、60°≤β≤100°、γ为0°时,扳机距离重心的前后距离lTG、握把距离左肩点的前后距离lOG为最佳尺寸,但是受扳机、握把位置与发射器重心功能、结构等限制,不能同时满足该状态,因此,应遵循整体设计与右臂自然下垂原则,结合JACK软件得到肩、肘、腕、头部角度并用RULA进行评价。

除此之外,扳机、握把需双手操作,由于身体各部位相互约束,其舒适作业范围空间有所减小,此时伸展空间为：在距身体中线左右各150 mm的区域内,最大操作弧半径为510 mm[2]。

3 计算机辅助肩抗式发射器显控装置人机尺寸设计

计算机辅助人机工程设计(CAED)是多学科结合的领域,包括人机工程学、生理学、工程技术等,有助于设计研发时间的节约并提高效率。根据肩抗式发射器显控装置的人、机特性分析,借助VB软件平台实现“肩抗式发射器人机尺寸设计建议”功能,首先在“标准选择”方面,采用国内常用的人体尺寸数据库GJB 2873—97、GB10000—88,在百分位人选择上,选取了第5、50、95百分位人,除此之外,由于这两项标准发布时间较早,为避免新标准带来的数据更新问题,该应用支持自定义尺寸的输入,如图4所示,结合JACK软件得到肩、肘、腕、头部角度与第2章节中式(3)～式(9),计算生成结果,该阶段的设计程序开发满足以用户为中心的设计,有效缩短了反复计算的时间。

图4 基于VB软件平台的功能开发

4 应用案例

以某型肩抗式发射武器优化设计为例,优化前观瞄镜中心E距离发射筒重心G的垂向距离lVE=140 mm、纵向距离lDE为70～150 mm、径向距离lRE=61 mm,握把安装点距离O与重心G纵向距离lOG=460 mm、扳机点T距离发射筒重心G的纵向距离lTG为450～550 mm,肩垫厚度为30 mm,不考虑使用头盔。根据要求,选用GJB2873—1997《军事装备和设施的人机工程设计准则》[12]中第50百分位成年男子人体数据作为设计参考依据,应用第2章节中式(3)～式(9)进行计算,得到优化后的肩抗武器各部件人机布局设计尺寸,表1为优化前后肩抗武器尺寸设计变量值的对比,经过分析计算,优化前的观瞄中心E点偏低,操作者需要通过低头或紧缩脖子来实现操作,因此建议将lVE值设定在188～199 mm之间；在E点距离重心点G的纵向距离上,将最小值调高到80 mm；关于E点距离重心点G的径向距离,为了使右瞳孔中心更好的瞄准观瞄镜,将该距离从61 mm减少到47 mm；扳机点T距离发射筒重心G的纵向距离lTG从460 mm缩短到350 mm；握把安装点O与重心G纵向距离lOG由450～550 mm调整到410 ～510 mm,优化后的肩抗武器的各部件更为紧凑,便于使用。

表1 优化前后肩抗武器设计尺寸的对比 mm

优化布局评价时,借助JACK人机工效软件平台,首先在平台中构建第50百分位数字虚拟人,导入优化前后的肩抗武器模型,分别与虚拟人进行匹配,然后在JACK软件中查看武器优化前后使用时肩关节角度α、肘关节角度β、腕关节角度γ及头部转动角度δ,结合RULA对各部分的评分进行优化前后对比,优化结果见表2。经过优化,左肩关节角度由86.2°减小为80.6°,舒适度A1评分优化前后为3；右肩关节角度由60°减小为39.4°,舒适度B1评分由3降为2；左肘关节角度由41.4°变为65.6°,舒适度A2评分由2降为1,右肘关节角度由91.7°变为124.2°,舒适度B2评分由1升到2；左腕关节角度由28.1°变为14.1°,舒适度A3评分由3降为2,右腕关节角度由43.1°减小为33.8°,舒适度B3评分优化前后为3;头部关节角度由13°变为0°,舒适度A4评分由2降到1。当加权系数η1、η2、η3和η4分别取0.3、0.2、0.2和0.3时,舒适度评分A由4.2变为3.4,减小了19.0%,表明通过优化,舒适度的改善较为明显。

表2 优化前后关节角度及舒适度评分

5 结论

文中提出了一种肩抗式发射武器显控装置人机尺寸优化设计的方法,在Jack软件平台下,获取操作者肩、肘、腕、头部关节角度值,结合RULA准则与人机工程学分析对肩抗式发射武器进行设计评价,基于VB软件平台开发了“肩抗式发射武器人机尺寸设计建议”应用程序。通过某型肩抗武器的人机优化设计,给出的设计方法可有效减少静态肌肉施力、缓解操作人员长时间疲劳性。