運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計研究

李 朋 張 凱 馮虎祥 薛海明 / LI Peng ZHANG Kai FENG Huxiang XUE Haiming

(中航飛機研發(fā)中心，陜西723000)

運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計研究

李 朋 張 凱 馮虎祥 薛海明 / LI Peng ZHANG Kai FENG Huxiang XUE Haiming

(中航飛機研發(fā)中心，陜西723000)

方向舵腳蹬是飛機航向控制的操縱機構(gòu)，腳蹬人機工效設(shè)計的優(yōu)劣，不僅影響著駕駛員下肢操縱的可達性與舒適度，同時也對飛機安全駕駛存在一定的安全隱患。運輸機方向舵腳蹬設(shè)計通過對人體生理特征和人體生物力學(xué)的研究，利用經(jīng)驗公式，結(jié)合人體舒適坐姿二維簡化模型和人體尺寸，對人體下肢操縱可達范圍，腳蹬運動行程、踵點設(shè)計等進行理論分析和計算，得到運輸機方向舵腳蹬的人機工效設(shè)計指標(biāo)參數(shù)，并通過人機工效仿真軟件進行虛擬仿真，最終得到一些合理、可用的設(shè)計參數(shù)，為運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計提供理論支持和方法指導(dǎo)。

運輸機；腳蹬；人機工效；設(shè)計參數(shù)；虛擬仿真

0 引言

腳蹬是控制飛機方向舵的操縱機構(gòu)，通過垂直尾翼上的空氣動力產(chǎn)生對飛機的偏航力矩，實現(xiàn)飛機航向的偏轉(zhuǎn)。腳蹬參考點位置的高低、腳蹬運動行程的大小、操縱力，以及腳踏板的角度、大小和間距等人機工效設(shè)計參數(shù)設(shè)計合理與否不僅關(guān)系駕駛員的舒適操縱，更關(guān)系著飛行駕駛的安全。腳蹬參考點距離座椅參考點設(shè)計距離過大會不滿足身材偏小的駕駛員的可達性，距離過小則會造成身材高大的駕駛員的操縱舒適性較低；同時腳蹬參考點距離駕駛艙地板過高時會使駕駛員雙腿懸空，從而引起駕駛員下肢操作疲勞和不適感，過低會造成舒適度和可達性較低；腳蹬運動行程或操縱力過大時會造成駕駛員一只腿抬腿過高，容易和駕駛桿等發(fā)生干涉，且引起駕駛員操縱疲勞，行程或操縱力過小則會導(dǎo)致不易操縱，容易引發(fā)人為差錯從而誘發(fā)安全事故。因此，腳蹬人機工效參數(shù)設(shè)計尤為重要。

方向舵腳蹬人機工效設(shè)計，根據(jù)駕駛員舒適坐姿人體二維簡化模型，結(jié)合人體測量靜態(tài)尺寸，在人體二維簡化模型中，將人體的腳跟置于踏板上，腳跟與踏板支點接觸，即為踵點。利用經(jīng)驗公式可以計算出駕駛員下肢可達范圍、腳蹬運動行程、腳蹬踵點等人機工效設(shè)計參數(shù)，并通過人機工效仿真軟件對不同人體百分位的駕駛員進行下肢可達性虛擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行修正和完善，運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計研究可為腳蹬設(shè)計提供理論支持和方法指導(dǎo)。

1 下肢操縱力分析

腳蹬運動是駕駛員在坐姿形態(tài)下通過下肢對腳踏板的蹬踏來實現(xiàn)對飛機航向的控制。一般坐姿時，右腳蹬力大于左腳，男性腳力大于女性。人體下肢的操縱力大小與腿部的膝關(guān)節(jié)角度有關(guān)。人體生物體力學(xué)實驗結(jié)果表明：坐姿操作情況下，當(dāng)腳蹬用力小于227N[1]時，膝關(guān)節(jié)角度以107°為宜；當(dāng)腳蹬用力大于227N時，膝關(guān)節(jié)角度以130°為宜(飛機方向舵的推薦許用力值為272N)。用腳前端進行操作時，腳踏板上的許用力值不宜超過60N；用腳和腿同時操作時，腳踏板上的許用力值可達1 200N。

為了給操作者的下肢操縱提供反饋信息，腳踏板必須設(shè)計有一定的操縱阻力?？紤]到駕駛員長時間操作的舒適性，根據(jù)人體力學(xué)實驗標(biāo)明，腳操縱器的最大操縱阻力不應(yīng)大于264N，否則駕駛員易產(chǎn)生疲勞。為防止在操作過程中駕駛員對腳踏板的無意操作，腳踏板應(yīng)有一個最小阻力，該最小阻力應(yīng)至少超過操作者腿休息時腳踏板所承受力，一般取值為50N。因此腳踏板阻力應(yīng)設(shè)置在50 N～264 N之間。

綜合考慮駕駛員下肢在不同位置時的操縱力及操縱舒適度影響，為使駕駛員處于最舒適的駕駛姿勢，腳踏板設(shè)計時駕駛員下肢位置關(guān)系應(yīng)參考以下角度值：大腿切角取5°≤α1≤15°[2]；膝關(guān)節(jié)角度取100°≤α2≤135°；腳與小腿夾角取90°≤α3≤120°。如圖 1所示。

圖1 駕駛員下肢操縱位置關(guān)系

并且還應(yīng)當(dāng)注意的是：人體肢體所有力量的大小，都與持續(xù)的時間有關(guān)，施力大小與持續(xù)時間關(guān)系如圖 2所示。隨著持續(xù)時間的延長，操縱舒適度的下降，肢體的力量很快衰弱。根據(jù)人體力學(xué)靜態(tài)施力大小和持續(xù)時間的關(guān)系，下肢的操縱力持續(xù)時間tmax與肌肉施力的大小F和最大肌理Fmax的比值(P=F/Fmax)有關(guān)。當(dāng)F/Fmax趨近于1.0時，意味著人體在接近極限肌力的狀態(tài)下工作，操縱力持續(xù)時間僅能維持幾秒鐘；而當(dāng)F/Fmax趨近于0.15時，操縱力持續(xù)時間可以很長直至出現(xiàn)厭惡、枯燥等其他情緒。由此可以得出：在長時間工作情況下，人體肌肉勢力大小不應(yīng)大于最大肌力的15%。

圖2 靜態(tài)肌肉施力大小與持續(xù)時間的關(guān)系

2 駕駛員下肢可達區(qū)域分析

腳蹬設(shè)計首先應(yīng)考慮下肢的可達范圍。在人體舒適坐姿二維簡化模型中，將人體的腳跟置于踏板上，腳跟與踏板支點接觸，即踵點。踵點的位置根據(jù)駕駛員處于坐姿時的腿與腳的舒適姿勢來確定。一般情況下，腳踏板的布置以踵點為空間定位點，如圖 3所示。圖中L7為臀膝距；L8為小腿長；L9為足高，為了計算方便，在這里認(rèn)為L9與L10垂直；L10為內(nèi)踝足跟距；θ5為大腿切角；θ6為膝關(guān)節(jié)角度；θ7為小腿與腳之間的夾角；θ8為腳底與地板的夾角，也即腳踏板與地板的夾角；X3為踵點與座椅中立位置水平距離；Y3為踵點距座椅面的垂直距離。

圖3 人體二維簡化模型[3]

由圖3可知，踵點與座椅中立位置的距離X3P50為：

式中，L7、L8、L9、L10分別取GJB4856-2003中運輸機第50百分位的駕駛員的臀膝距、小腿長、足高、內(nèi)踝足跟距。在下肢操縱力與舒適性分析時，大腿切角θ5取5°～10°，而θ8可以由其它角度值計算得到，即：

由下肢操縱力與舒適性分析得到的θ6的取值范圍為100°～135°，則腳蹬踏板與地板的夾角θ8的取值范圍為30°～60°。

將這些值分別代入式(1)、(2)中，得到X3P50的標(biāo)準(zhǔn)值為605mm～925mm。

由圖3可知，踵點距座位面高度Y3P50為：

式中，L7、L8、L9、L10、θ5、θ8與計算X3P50時取值一樣，將這些數(shù)值代入式(3)中，得到Y(jié)3P50的標(biāo)準(zhǔn)取值為135mm～415mm。

由此得出腳踏板踵點與座椅中立位置參考點水平距離范圍為605mm～925mm，腳踏板踵點與座椅中立位置參考點垂直距離范圍為135mm～415mm。如圖4所示。

圖4 下肢可舒適關(guān)節(jié)角度可達域

3 腳蹬運動行程分析

為了保證操縱的可靠性，腳踏板的位移行程應(yīng)適量。行程過小，不足以提供操作反饋；行程過大，易引起操作者的疲勞或影響正常操作?？紤]到人體力學(xué)下肢操作舒適度的影響，為使駕駛員處于最舒適的駕駛姿勢，腳踏板設(shè)計時駕駛員下肢位置關(guān)系應(yīng)參考以下角度值：大腿切角取5°≤α1≤15°；膝關(guān)節(jié)角度取100°≤α2≤135°。即當(dāng)腳踏板行程在最前端時大腿切角為5°，膝關(guān)節(jié)角度為135°；當(dāng)腳踏板行程在最后端時大腿切角為15°，膝關(guān)節(jié)角度為100°，如圖 5所示。將第50百分位的駕駛員人體尺寸代入計算公式，可得出，在保證人體舒適的前提下，腳踏板前后運動行程最大值為190mm。根據(jù)人體坐姿勢力特征分析及著裝修正，腳踏板最佳運動行程為100mm～180mm。

圖5 腳踏板運動位置示意圖

4 腳踏板中立位置參考點(踵點)分析

考慮到駕駛員在腳踏板操縱過程中舒適可達，腳踏板的重力位置確定應(yīng)滿足在前運動行程極限及后運動行程極限情況下，腳踏板運動軌跡始終處在人體下肢可達域內(nèi)。因此，人體下肢可達域前后極限除去腳踏板運動行程量即為腳踏板中立位置參考點取值范圍。參考上述計算分析結(jié)果，腳踏板中立位置參考點取值范圍為，與座椅參考點水平距離655mm～875mm，腳踏板踵點與座椅參考點垂直距離取值范圍為165mm～385mm。

5 腳蹬人機工效設(shè)計參數(shù)

通過參考人體尺寸數(shù)據(jù)及人體施力特性分析，并根據(jù)著裝、姿態(tài)等方面對數(shù)據(jù)進行修正，最終確定了方向舵腳蹬人機工效設(shè)計參數(shù)的部分推薦值分別見表 1、圖 6。

圖6 腳踏板人機工效設(shè)計參數(shù)(單位：mm)

表1 腳蹬人機工效設(shè)計參數(shù)

6 腳蹬人機工效仿真

通過基于CATIA Human builder的人機工效分析軟件，分別載入5%、50%、95%人體數(shù)據(jù)模型，對腳踏板中立位置參考點(踵點)取值范圍及運動行程的前后極限進行了可達性仿真分析。分析結(jié)果表明，腳踏板運動行程前極限、后極限均能滿足下肢可達性要求。如圖7、圖8所示。

圖7 腳踏板前極限位置可達性分析

圖8 腳踏板后極限位置可達性分析

7 結(jié)論

本文根據(jù)中國人體下肢生理特征及生物力學(xué)特點，對人體下肢操縱力進行分析。結(jié)合下肢舒適坐姿關(guān)節(jié)角度和人體尺寸，利用簡單幾何關(guān)系，總結(jié)出駕駛員座椅人機工效設(shè)計經(jīng)驗公式，分析計算出運輸機駕駛艙下肢可達范圍，得到了運輸機駕駛員下肢可達范圍、腳蹬運動行程、腳蹬參考點(踵點)以及腳蹬人機工效設(shè)計參數(shù)，并進行了人機工效仿真軟件仿真分析，結(jié)果表明，運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計方法得當(dāng)，設(shè)計參數(shù)指標(biāo)合理、可信，可指導(dǎo)運輸機方向舵腳蹬人機工效設(shè)計。

[1] 丁玉蘭，郭鋼，趙江洪.人機工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)，1991:127.

[2] 鞠峰.飛機駕駛艙人機工程設(shè)計研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 張煒，馬智，俞金海.民機駕駛艙人機一體化設(shè)計[M]西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2015:91-93.

Transport Aircraft Rudder Pedal Design Ergonomic Research

(Research and Development Centre, AVIC Aircraft Co., Ltd, Shaanxi, China)

Pedals are the operating mechanism of the plane heading control. The pros and cons of ergonomic design, not only affect the manipulation of lower limbs driver accessibility and comfort, but also has certain security hidden danger of safe driving to the aircraft. By the study of human physiological characteristics and the biological mechanics, using the empirical formula, combined with the human body comfortable sitting posture simplified 2 d model and human body size, scope of lower limbs manipulation and the pedal travelling, were were analyzed and calculated theoretically, and the aircraft rudder pedal ergonomic design parameters were got. Being virtually simulating By the simulation software for ergonomics, the reasonable and available design parameters were finally achived. The research can provide theoretical support and method guidance for the conveyor pedals ergonomic design.

transport aircraft；pedal；ergonomic；design parameter；virtual simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.003

航空科學(xué)基金支持課題“運輸機駕駛艙總體布局人機工效分析”研究成果，項目編號：2013ZAN4。

V227

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