戰(zhàn)術(shù)握把握持舒適性試驗(yàn)研究

施云紅，王亞平

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

戰(zhàn)術(shù)握把是槍械與人重要的人機(jī)接觸部分，其握持舒適性不僅會(huì)影響使用者持槍穩(wěn)定性，還會(huì)影響瞄準(zhǔn)效率和最終射擊效果，所以對(duì)于戰(zhàn)術(shù)握把握持舒適性的研究是槍械分析研究過(guò)程中不可忽視的方面。

國(guó)內(nèi)外對(duì)握持舒適性的研究主要側(cè)重于民用產(chǎn)品的手柄式握把，國(guó)外大多是利用表面肌電、抓握應(yīng)力分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)手套等方法對(duì)手握工具舒適性的研究，如Jérémy Rossi等[1]利用手柄測(cè)力計(jì)分析了手柄直徑對(duì)最大抓握力任務(wù)期間手部握力的影響；Harih G等[2]利用虛擬手握模型研究了手柄形狀對(duì)主觀舒適度評(píng)價(jià)的影響；Luo S J等[3]利用多指握力測(cè)量裝置研究各手指在動(dòng)態(tài)抓握任務(wù)中的功能。

國(guó)內(nèi)主要是采用表面肌電等試驗(yàn)方法和有限元仿真分析方法等，如文獻(xiàn)[4-5]利用有限元方法建立了手抓握模型并對(duì)其進(jìn)行表面壓力的分析；陶國(guó)強(qiáng)[6]利用虛擬樣機(jī)仿真和有限元分析方法建立了虛擬手有限元模型，研究了抓握手柄的手部壓力情況；駱建松[7]利用表面肌電試驗(yàn)方法研究了被試者使用各角度手柄的肌電值，獲得了不同任務(wù)情況下最舒適的手柄角度；田林枝[8]利用表面肌電、仿真分析等研究了不同操作方式和抓握方式對(duì)手部符合的影響并建立了手柄工效學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)用于槍械中的戰(zhàn)術(shù)握把報(bào)道很少，文獻(xiàn)[9-10]建立了手部握持仿真分析模型，分析了影響手槍握把舒適性的因素，但是未見(jiàn)對(duì)戰(zhàn)術(shù)握把相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)報(bào)道。

本文利用柔性壓力測(cè)試系統(tǒng)并結(jié)合主觀問(wèn)卷調(diào)查，分析了握持戰(zhàn)術(shù)握把時(shí)手部壓力的分布情況，并以平均壓力值作為握把握持舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同類型握把進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，為戰(zhàn)術(shù)握把設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供一定的參考和手段。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 試驗(yàn)對(duì)象和設(shè)備

沖鋒槍、步槍這類雙手握持的槍械，通常除了右手握持的主握把以外，在槍械前端會(huì)有輔助左手握持的小握把。本文針對(duì)這兩種類型握把，采用四種不同類型握把，握把1和握把2為主握把(圖1)，握把3和握把4為小握把(圖2)。

試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為柔性壓力電阻式測(cè)試系統(tǒng)mFLEX(圖3)，5通道，掃描頻率5 Hz。

圖1 主握把

圖2 小握把

圖3 柔性壓力電阻式測(cè)試系統(tǒng)

2) 試驗(yàn)方案及步驟

試驗(yàn)選擇10名男性作為被試者，身高(175±5)cm、年齡(24±2)歲、體重(78±5)kg，所有被試者均身體健康，無(wú)任何神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)方面的疾病。

參考手部受力分區(qū)和相關(guān)文獻(xiàn)[2]，對(duì)手部5個(gè)主要受力分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖4)，包括：6(中指近節(jié)指骨)、9(無(wú)名指近節(jié)指骨)、12(小指近節(jié)指骨)、18(小魚際肌)和17(虎口位置)。為了方便處理，以A3、A4、A2、A5和A1表示手部分區(qū)的6、9、12、18和17。

圖4 手部受力分區(qū)

利用5級(jí)主觀評(píng)價(jià)量表對(duì)被試的主觀感受進(jìn)行評(píng)價(jià)(4級(jí)：非常舒適；3級(jí)：舒適；2級(jí)：正常；1級(jí)：不舒適；0級(jí)：非常不舒適)。

試驗(yàn)過(guò)程如下：被試者在右手手部相應(yīng)位置貼上壓力傳感器片，以正常舒適地狀態(tài)握住握把，采集時(shí)長(zhǎng)為1 min，然后放下握把，休息1 min，再進(jìn)行下一次采集，共5次(圖5)；通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明左、右手的握持壓力規(guī)律一致，為了消除個(gè)體左、右手差異，方便對(duì)比，對(duì)于主握把和小握把均采用右手測(cè)試。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖6是握把握持1 min的壓力原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)比較所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出相同趨勢(shì)變化，由于初始時(shí)段數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，本文選取中間20 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖6 握把試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

由于被試者的個(gè)體差異和抓握時(shí)的狀態(tài)差異，壓力的絕對(duì)值大小不能有效體現(xiàn)握把舒適性，為了更好地分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性，本文首先對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化歸一化法，公式如下：

(1)

式(1)中：xmax為5個(gè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值，xmin為5個(gè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的最小值。

方差與標(biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值，為了消除變量值水平高低對(duì)離散程度測(cè)度值的影響，本文采用五個(gè)部位壓力值的離散系數(shù)(變異系數(shù))作為評(píng)價(jià)握持壓力分布均勻性的表征。

然后求取10個(gè)被試的離散系數(shù)均值和方差，最后對(duì)不同握把的值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析，顯著性水平為0.05，用以判斷差異顯著性。數(shù)據(jù)處理過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 主握把試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為在手部不同位置的壓力值大小，圖8為數(shù)據(jù)歸一化后的壓力值曲線?？梢钥闯鑫瞻?和握把2具有相同的規(guī)律， A3位置壓力值最大， A2位置受力最小，大小排列順序A3>A5>A4>A1>A2。

表1 手部在不同位置的受力大小

A2、A3、A4位置分別對(duì)應(yīng)小指、中指和無(wú)名指，各手指對(duì)總握力的貢獻(xiàn)率分別為2.44%，39.65%，20.14%，握把2各手指的貢獻(xiàn)率為1.53%，33.13%，22.46%，中指的貢獻(xiàn)率最大，小指的貢獻(xiàn)率最小，這與文獻(xiàn)[1]規(guī)律一致。

由圖8可以看出在A1、A2、A4、A5位置處握把1的受力均小于握把2；但在A3位置握把1的受力要大于握把2，這是由于握把1握持時(shí)時(shí)中指的近節(jié)指骨正好抵住握把指形溝槽弧度處，而握持握把2時(shí)中指的近節(jié)指骨是在握把2的圓滑部(圖9)，所以在A3位置握把1的握持力要大些。

圖8 手部不同位置的受力情況(主握把)

圖9 手在A3位置握持情況

通過(guò)離散系數(shù)平均值比較來(lái)看(表2)，握把1的離散系數(shù)小于握把2，說(shuō)明握把1手部受力均勻性較好。同時(shí)握把本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，握把1有指形溝槽，寬厚比為2.1，握把2表面光滑，寬厚比為1.6。握把1和握把2的寬厚比均在合理舒適的范圍內(nèi)[11]。

表2 主握把離散系數(shù)的均值和方差

通過(guò)配對(duì)檢驗(yàn)法對(duì)握把1和2進(jìn)行顯著差異性分析比較，差異性P值為0.02，說(shuō)明握把1和握把2差異性顯著。

圖10為主觀打分結(jié)果，整體來(lái)看握把1的主觀打分高于握把2，握把1相對(duì)握把2更符合使用者對(duì)握把握持舒適性的要求。

圖10 主觀評(píng)價(jià)打分

3.2 小握把試驗(yàn)結(jié)果分析

小握把與主握把握持的方式上不同，主握把握持時(shí)，食指要扣壓扳機(jī)，因此食指為伸出狀態(tài)；小握把為全指握緊，從握力的貢獻(xiàn)率和平均握力上都有所不同。這里不再做詳細(xì)的對(duì)比，僅對(duì)不同類型小握把進(jìn)行對(duì)比分析。

表3為小握把握持時(shí)，手部不同位置的壓力值大小，圖11為數(shù)據(jù)歸一化后的壓力值曲線?？梢钥闯鑫瞻?和握把4規(guī)律上不太一致，體現(xiàn)在受力最大處，握把3在A5位置受力最大，握把4在A3位置受力最大，握把4的受力規(guī)律與主握把一致，握把3不同的主要原因是由于握把3較短，握持時(shí)其低端邊緣處正好抵住了壓力傳感器(圖12)。

表3 手部不同位置的受力大小

圖11 手部不同位置的受力情況(小握把)

圖12 在A5位置握持情況

從手指受力情況來(lái)看，在A2、A3、A4位置，握把3各手指對(duì)總握力的貢獻(xiàn)率為0.9%，19.97%，16.06%；握把4各手指對(duì)總握力的貢獻(xiàn)率為0.64%，28.71%，20.77%，可以看出中指的貢獻(xiàn)率最大，小指的貢獻(xiàn)率最小。

通過(guò)離散系數(shù)平均值比較來(lái)看(表4)，握把3壓力的離散系數(shù)略大于握把4，說(shuō)明握把4手部的受力均勻性較好；從握把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，握把3有指形溝槽，防滑紋，寬厚比為1.5；握把4有防滑紋，且握把中間有稍微凸起的結(jié)構(gòu)很好的與手指接觸，寬厚比為1.6。握把3和握把4的寬厚比均在合理舒適的范圍內(nèi)[11]。

表4 小握把離散系數(shù)的均值和方差

通過(guò)配對(duì)檢驗(yàn)法對(duì)握把3和4進(jìn)行顯著差異性分析比較，差異性P值為0.20，說(shuō)明握把3和握把4不具有顯著性差異。

圖13為主觀打分結(jié)果，總體來(lái)看握把3與握把4的主觀打分差異性不明顯，與離散系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果一致。

圖13 主觀評(píng)價(jià)打分

4 結(jié)論

本文確定了戰(zhàn)術(shù)握把握持的采集點(diǎn)，利用柔性壓力系統(tǒng)獲得手部5個(gè)主要受力位置的壓力值，并利用歸一化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行了握把握持舒適性分析與比較，得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)手部壓力測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)握把握持舒適性，以壓力離散系數(shù)作為分析握持舒適性的指標(biāo)，具有可行性。

2) 影響戰(zhàn)術(shù)握把舒適性因素包括：寬厚比、表面防滑槽紋路、外形曲面和手部的貼合程度等。

由于受手段的限制本文仍存在不足，建議進(jìn)一步采用參數(shù)化仿真的方法對(duì)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析和優(yōu)化等。