基于JACK的某自行高炮乘員艙人機(jī)工效評(píng)估

王華亭，田 宇，程廣偉，王普毅，汪立國(guó)

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.陜西通家汽車(chē)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 722405)

自行高炮乘員艙是車(chē)長(zhǎng)和炮手操控火炮的場(chǎng)所，在戰(zhàn)斗狀態(tài)時(shí)，車(chē)長(zhǎng)和炮手需要進(jìn)行各種信息觀察、狀態(tài)監(jiān)控和頻繁操作控制。由于乘員艙內(nèi)空間狹小、控制和顯示裝置繁多、使用環(huán)境較惡劣。乘員艙內(nèi)設(shè)備布局是否滿足可達(dá)性要求，操縱機(jī)構(gòu)操縱力是否適宜，座椅的設(shè)計(jì)是否滿足舒適度要求，將直接影響到車(chē)長(zhǎng)和炮手的作戰(zhàn)效率，也關(guān)系到整個(gè)武器系統(tǒng)能否安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行[1]，因此，對(duì)乘員艙進(jìn)行工效評(píng)估具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的工效評(píng)估一般利用人機(jī)工效評(píng)估專(zhuān)家對(duì)樣機(jī)進(jìn)行預(yù)先評(píng)估和有經(jīng)驗(yàn)的操作手進(jìn)行實(shí)際操作評(píng)估相結(jié)合的辦法。這種評(píng)估方法具有耗費(fèi)資金多、周期長(zhǎng)、指標(biāo)選擇隨意和人為干擾因素大等諸多弊端。JACK軟件是一款優(yōu)秀的虛擬工效評(píng)估軟件，可為各種乘員艙進(jìn)行有效的工效評(píng)估。這種評(píng)估方法，具有修改方便、成本低、研制周期短和工效評(píng)估內(nèi)容強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在飛機(jī)座艙和汽車(chē)駕駛室的工效評(píng)估、導(dǎo)彈裝卸虛擬仿真評(píng)估和航天艙出艙活動(dòng)等方面取得很好的應(yīng)用效果[2-3]。本文利用JACK軟件工效評(píng)估功能，對(duì)某自行高炮乘員艙進(jìn)行工效評(píng)估。

1 虛擬人的創(chuàng)建

JACK最強(qiáng)大的功能就是能夠精確地建立不同尺寸的人體模型。JACK創(chuàng)建的人體模型包含68個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)、69個(gè)節(jié)段、135個(gè)自由度、脊柱有17段、手有16段，逼真的肩膀/鎖骨關(guān)節(jié)模型。JACK有兩種人體模型創(chuàng)建模塊，基本模塊(Basic Scaling)和高級(jí)模塊(Advanced Scaling)。在基本模塊中，可以建立身高和體重為P5、P50、P95的人體模型，同時(shí)也可以指定特定身高、體重和人體模型的類(lèi)型(男、女或小孩)。在高級(jí)模塊中，可以指定26種人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)建立人體模型。

圖1為利用JACK軟件和GJB2873-1997[3]創(chuàng)建的我國(guó)18～25歲男性人體模型，從左向右依次為P95、P50、P5的虛擬人。

2 乘員艙優(yōu)化和評(píng)估模型的建立

某自行高炮UG模型在存儲(chǔ)和打開(kāi)時(shí)，占據(jù)了較大的硬盤(pán)和內(nèi)存使用空間，常出現(xiàn)死機(jī)或內(nèi)存不足等問(wèn)題，無(wú)法將模型快速地導(dǎo)出，因此，對(duì)模型的優(yōu)化處理就顯得非常必要。該優(yōu)化方法就是根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)h除掉不影響工效評(píng)估部件，增加需要評(píng)估的部件模塊。優(yōu)化后，模型具有能夠快速地在UG軟件環(huán)境下打開(kāi)、并能夠?qū)崿F(xiàn)模型易修改和易轉(zhuǎn)換成其他軟件格式等特點(diǎn)，進(jìn)而方便做工效評(píng)估研究。

某自行高炮的乘員艙模型為UG軟件制作的.prt格式，在JACK中不能直接打開(kāi)，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，即將.prt格式導(dǎo)為.jt格式。.jt格式在JACK中可以直接打開(kāi)，也可以運(yùn)用格式轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成.fig格式。由坐標(biāo)變換可知，乘員艙.jt格式轉(zhuǎn)換為中間.fig格式要繞X軸旋轉(zhuǎn)-90°，其中，圖2是UG坐標(biāo)系和JACK坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系(本文在后面論述中的坐標(biāo)均指JACK坐標(biāo)系)。

3 乘員艙人機(jī)工效評(píng)估

3.1 乘員艙布局

某自行高炮為雙人炮塔，乘員艙內(nèi)布置如圖3所示。車(chē)長(zhǎng)座椅位于乘員艙左側(cè)，炮手座椅位于右側(cè)，操控臺(tái)位于車(chē)長(zhǎng)和炮手座椅正前方；方向機(jī)為2臺(tái)(雙驅(qū)動(dòng))，左方向機(jī)具有手動(dòng)-機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換手輪箱，右方向機(jī)只有機(jī)動(dòng)功能。兩臺(tái)方向機(jī)沿乘員艙縱軸線布置，分別安裝在車(chē)長(zhǎng)右前方和炮手前方；高低機(jī)主傳動(dòng)箱安置在火力艙內(nèi)，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)連接到乘員艙內(nèi)，手動(dòng)-機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換手輪箱安裝在火力艙和乘員艙之間的隔板上，位于車(chē)長(zhǎng)、炮手座椅中間；高低行軍固定器位于車(chē)長(zhǎng)座椅左上方，安裝在炮塔左側(cè)內(nèi)壁上；方位行軍固定器位于車(chē)長(zhǎng)座椅左前下方，安裝在乘員艙底板上。車(chē)長(zhǎng)鏡位于車(chē)長(zhǎng)正前方，安裝在操控臺(tái)頂面上；方向機(jī)、高低機(jī)手-機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換手輪箱，一般只在高炮裝調(diào)、檢查和維修過(guò)程中使用。

3.2 座椅工效評(píng)估

原乘員艙座椅高低前后方向不可調(diào)整，僅可繞y軸旋轉(zhuǎn)。使用JACK軟件工效評(píng)估分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車(chē)長(zhǎng)利用車(chē)長(zhǎng)鏡觀察外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)，P50、P95的虛擬人需要低頭、彎腰，P5的虛擬人需要抬頭挺腰進(jìn)行操作；當(dāng)車(chē)長(zhǎng)或炮手操作方向機(jī)時(shí)，P5、P50、P95虛擬人需要低頭、彎腰，虛擬人的軀干、腰部彎曲角接近彎曲極限值，虛擬人的頭部容易碰撞操控臺(tái)底面?；谏鲜龇治?，原座椅基本滿足可達(dá)性和操作性要求，但不滿足舒適度區(qū)域使用要求，座椅高度方向應(yīng)該設(shè)計(jì)為可調(diào)整的。

圖4為虛擬人的Bottom_head.sight點(diǎn)，圖5為lower_torso.crotch點(diǎn)。將lower_torso.crotch點(diǎn)約束在座椅中心點(diǎn)，最舒適坐姿應(yīng)滿足的條件是人體模型的Bottom_head.sight點(diǎn)與設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)重合[4]，向上調(diào)整量應(yīng)滿足虛擬人Bottom_head.sight點(diǎn)與車(chē)長(zhǎng)鏡中心點(diǎn)重合，向下調(diào)整量應(yīng)滿足虛擬人手部關(guān)節(jié)達(dá)到左方向機(jī)手柄處于最下端的情況。

表1為利用3種人體模型測(cè)得座椅高度、前后移動(dòng)量，其中y1為最舒適坐姿時(shí)的座椅高度，y2為觀察車(chē)長(zhǎng)鏡時(shí)的座椅高度，y3為操作左方向機(jī)手輪的座椅高度；將坐標(biāo)原點(diǎn)置于原座椅中心點(diǎn)，測(cè)得z1為最舒適坐姿時(shí)的座椅前后移動(dòng)量，z2為觀察車(chē)長(zhǎng)鏡時(shí)的座椅前后移動(dòng)量，z3為操作方向機(jī)手輪時(shí)的座椅前后移動(dòng)量。由表1知，乘員艙座椅高度范圍為231～489.8 mm。乘員艙座椅向前調(diào)整量為16.3 mm，向后調(diào)整量為55.3 mm，前后調(diào)整量幾乎對(duì)虛擬人的操作沒(méi)有影響，最舒適坐姿操作時(shí)，座椅向后調(diào)整量為50 mm左右，建議將安裝位置向后調(diào)整50 mm。

表1 座椅高度和前后調(diào)整量

3.3 操控臺(tái)工效評(píng)估

3.3.1 操控臺(tái)可達(dá)性的評(píng)估

P5虛擬人身材較小，采用P5的虛擬人坐姿操控進(jìn)行操控臺(tái)可達(dá)域判斷。將P5的虛擬車(chē)長(zhǎng)、炮手Bottom_head.sight點(diǎn)置于設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)，分別創(chuàng)建車(chē)長(zhǎng)、炮手手部關(guān)節(jié)最大可達(dá)域的包絡(luò)域，如圖6所示，除左上角和右上角操控盒的幾個(gè)按鈕不可達(dá)之外，公共部分的按鈕車(chē)長(zhǎng)和炮手均可達(dá)，操控臺(tái)其他按鈕、開(kāi)關(guān)均在最大可達(dá)域內(nèi)。車(chē)長(zhǎng)操縱桿和炮手操縱桿均在最舒適可達(dá)域范圍內(nèi)。

3.3.2 綜合信息顯示器可視性評(píng)估

綜合信息顯示器是自行高炮獲取目標(biāo)、跟蹤和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息的主要顯示裝置，應(yīng)處于最佳視區(qū)和視距范圍內(nèi)。在其左、右邊界中心選取A點(diǎn)、B點(diǎn)，上、下邊界中心選取C點(diǎn)、D點(diǎn)，O為眼位點(diǎn)，如圖7所示，a1、a2為左右水平視角、β1、β2為上下垂直視角。

從JACK軟件中得出眼位點(diǎn)O、A、B、C、D點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出了當(dāng)前布局和座椅調(diào)整之后車(chē)長(zhǎng)的水平視角和垂直視角值，如表2所示。座椅調(diào)整后，垂直視角在MIL-STD-1472F[5]規(guī)定的最佳視野范圍內(nèi)，水平視角超出了眼部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)最佳視野范圍，但滿足頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(左右各60°)的要求。

表2 水平視角和垂直視角

3.3.3 操控臺(tái)視角評(píng)估

與計(jì)算綜合信息顯示器視角同樣的方法，計(jì)算出調(diào)整布局后，車(chē)長(zhǎng)觀察操控臺(tái)上最左邊指示燈的水平視角34.6°，操控臺(tái)最右端“故障/狀態(tài)”指示區(qū)水平視角49.7°，滿足頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水平最大視野所規(guī)定的要求。最上端指示燈垂直視角為14.7°，最下端的指示燈垂直視角為向下47°，滿足頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(向上55°向下50°)的要求。

3.4 高低機(jī)手輪的工效評(píng)估

P5、P50、P95虛擬人正常坐姿下，手部關(guān)節(jié)無(wú)法操控高低機(jī)手輪。在評(píng)估高低機(jī)可達(dá)性時(shí)，選擇P50人，需要將車(chē)長(zhǎng)座椅繞y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將虛擬人的手掌固定到高低機(jī)手輪上，在其處于舒適狀態(tài)下，形成肩、肘、腰、臀、膝蓋和腳踝的最大可達(dá)域。經(jīng)分析，高低機(jī)手輪不可達(dá)。因?yàn)楦叩蜋C(jī)手輪不可調(diào)整，所以只能調(diào)整座椅的高度。當(dāng)座椅高度為250 mm，軀干彎曲角為39°，高低機(jī)手輪處于舒適性可達(dá)域范圍內(nèi)。

3.5 行軍固定器的工效評(píng)估

P50虛擬人在操作高低行固定器時(shí)，需將車(chē)長(zhǎng)座椅繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，座椅高度設(shè)置為最舒適高度。車(chē)長(zhǎng)坐姿下，其頭部和肩部容易碰到高低行軍固定器。為避免車(chē)長(zhǎng)頭和肩部被碰撞，建議將高低行軍固定器安裝在車(chē)長(zhǎng)左側(cè)偏前的艙壁上。

P50虛擬人在操作方位行軍固定器，需將座椅高度調(diào)整到255 mm，頭部需在操控臺(tái)的下面并彎腰方能操作，頭部容易被操控臺(tái)磕碰，建議設(shè)計(jì)輔助機(jī)構(gòu)，將輔助機(jī)構(gòu)布置到車(chē)長(zhǎng)易于操作的左側(cè)操控區(qū)域內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用JACK軟件的人機(jī)工效評(píng)估功能，評(píng)估分析了某自行高炮的乘員艙，經(jīng)過(guò)評(píng)估得出以下結(jié)論：

1)乘員艙布局基本符合人機(jī)工效要求，操控臺(tái)所有按鈕、開(kāi)關(guān)均滿足可達(dá)性要求，綜合信息顯示器處于上下最佳視野內(nèi)，其他部件均在最大視野范圍內(nèi)。

2)座椅應(yīng)設(shè)計(jì)為高低、前后方向可調(diào)整的座椅。本文給出了最佳座椅高度，同時(shí)，將座椅安裝位置向后調(diào)整50 mm。

3)建議：將高低行軍固定器布置車(chē)長(zhǎng)左側(cè)操控區(qū)域內(nèi)；方位行軍固定器設(shè)計(jì)輔助機(jī)構(gòu)，將其布置在車(chē)長(zhǎng)左側(cè)操控區(qū)域內(nèi)。

4)該人機(jī)工效評(píng)估方法，也可應(yīng)用于各類(lèi)武器裝備乘員艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工效評(píng)估分析。

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