直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效設(shè)計及驗證

黃育龍，劉 晨，巫艷明

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

典型的直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)包括周期變距桿、總距桿和腳蹬，其中周期變距桿用來控制直升機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)，總距桿控制直升機(jī)的升降，腳蹬控制直升機(jī)的航向，各機(jī)構(gòu)有機(jī)配合是駕駛直升機(jī)的關(guān)鍵。各操縱點(diǎn)的空間位置和運(yùn)動行程均能影響操作效率和駕駛體驗。因此，直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效問題應(yīng)給予足夠重視。

目前，對座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)功效的研究都集中在固定翼飛機(jī)領(lǐng)域，直升機(jī)方面缺乏相關(guān)研究。直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計主要參考文獻(xiàn)[3]中給出的一些具體的參考數(shù)值，缺乏系統(tǒng)的方法和理論，不具有通用性。

基于此，我們建立了基于人體髖(H)點(diǎn)的座椅及直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的布局方法，用于指導(dǎo)直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)。

1 部件人機(jī)工效設(shè)計原理

1.1 座椅人機(jī)工效設(shè)計原理

駕駛員座椅屬于工作座椅范疇，因此，設(shè)計上應(yīng)遵循工作座椅的基本原則，座椅的樣式和尺寸應(yīng)符合人機(jī)功效的要求，工作座椅設(shè)計要求如表1所示。

表1 工作座椅主要設(shè)計部分及要求[1]

1.2 周期變距桿和總距桿的人機(jī)工效設(shè)計原理

周期變距桿和總距桿都屬于控制桿，設(shè)計時應(yīng)依照控制桿的人機(jī)工效準(zhǔn)則。周期變距桿具有前后推拉、左右擺動和圓錐運(yùn)動等形式。桿長應(yīng)依照桿的位移量和操縱力大小來決定。周期變距桿的位移量隨著桿的運(yùn)動形式而有所不同，周期變距桿前后推拉時，最大位移量為350mm；周期變距桿左右運(yùn)動時，最大位移量為950mm。周期變距桿的操縱角以30°～60°為宜。

總距桿屬于比較特殊的一種控制桿，主要為上下運(yùn)動，如圖1中所示?？偩鄺U左邊緣與座椅中心線距離推薦值在290mm～315mm之間，總距桿沿y軸向上最大距離為340mm，沿y軸向下最大位置為第5百分位人體手臂長與總距桿的交點(diǎn)位置P，x方向位置為距離座椅中立位置參考點(diǎn)76mm左右。

1.3 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計原理

作用于腳蹬上的力大小與腿部膝關(guān)節(jié)的角度相關(guān)：當(dāng)作用于腳蹬上的力小于227N時，膝關(guān)節(jié)角度以107°為宜；當(dāng)作用于腳蹬上的力大于227N時，膝關(guān)節(jié)角度以130°為宜。

通常情況下，腳蹬與坐姿有推薦的一些參考角度值；大腿與座椅夾角α取10°～15°，腳與脛骨間的夾角γ取90°～120°，膝關(guān)節(jié)角β取90°～150°。如圖2所示。

圖1 總距桿位置原理圖[2]

圖2 腳蹬與坐姿位置示意

2 人機(jī)工效設(shè)計計算

2.1 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計計算

腳蹬位置的確定要以人體髖點(diǎn)(H點(diǎn))為基準(zhǔn)，根據(jù)下肢各關(guān)節(jié)角度在舒適范圍內(nèi)變化的要求確定腳部踵點(diǎn)(AHP點(diǎn))位置，再將踵點(diǎn)(AHP點(diǎn))的位置變化轉(zhuǎn)化為座椅的調(diào)節(jié)量。首先建立人體下肢模型如圖3所示。

圖3 人體下肢簡化模型

根據(jù)幾何關(guān)系可得AHP點(diǎn)位置：

α1+α2=α3+α4(1)

x=L4cos(180-α4-α)+

L2cos(180-α1-α2)+L1cosα1(2)

y=L4sin(180-α4-α)+

L2sin(180-α1-α2)-L1sinα1(3)

α1，α2，α3，α4為人體下肢關(guān)節(jié)的活動角度范圍，舒適范圍如表3。當(dāng)α4取某一舒適角度，并給定α1時，則可由公式(2)和(3)計算出α2和α3在舒適范圍變化的一條AHP點(diǎn)線。當(dāng)α4取不同值，就可以得到同一α1下的AHP點(diǎn)舒適曲線。分別帶入P5、P50、P95位人體數(shù)據(jù)(見表2)進(jìn)行計算，可以得到某一α1下不同人體百分位的AHP點(diǎn)舒適曲線。不同角度α1的AHP點(diǎn)舒適曲線就對應(yīng)人體的AHP點(diǎn)舒適區(qū)域。

表2 人體模型線性尺寸[3]

表3 角度說明[4]

取α4=45°，α1分別取5°、10°、15°和20°四個值進(jìn)行分析計算。將第5、50、95百分位人體數(shù)據(jù)帶入Matlab中計算并擬合出不同α1取值情況下的AHP點(diǎn)舒適曲線圖形，如圖4所示。

由圖4可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍，AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約為620mm，垂直距離約為270mm。

2) 要使第50百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍，AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約為650mm，垂直距離約300mm。

3) 要使第95百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍，AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約680mm，垂直距離約320mm。

4) 由AHP點(diǎn)相關(guān)計算可知，要使不同百分位人體AHP點(diǎn)舒適區(qū)域重合，座椅在水平方向上具有60mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有50mm的調(diào)節(jié)量。

5) 座椅位置依照第50百分位人體尺寸設(shè)計，可以使第5和95百分位尺寸人體都達(dá)到AHP點(diǎn)舒適域，且能使座椅的調(diào)節(jié)量最小。

圖4 第5、50、95百分位AHP點(diǎn)舒適區(qū)域

2.2 周期變距桿人機(jī)工效設(shè)計計算

要確定周期變距桿的位置，應(yīng)以座椅位置為參照，周期變距桿的設(shè)計應(yīng)該考慮使人體右手操作在舒適范圍內(nèi)。為了便于分析，現(xiàn)將問題轉(zhuǎn)化為二維俯視圖和二維側(cè)視圖求解。在俯視圖中，肩關(guān)節(jié)向身體內(nèi)側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αx為0°～50°；在俯視圖中，肩關(guān)節(jié)向軀干上側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αz為15°～35°；肘關(guān)節(jié)彎曲角度αy為60°～100°(以上為針對駕駛時的舒適角度)[5]；靠背角αo取17°，如圖5所示。

圖5 上肢連桿投影圖

如圖5將上肢連桿在中心垂直面上投影，設(shè)髖點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則可通過集合關(guān)系得到手參考點(diǎn)的坐標(biāo)值。

(4)

根據(jù)表4所示上肢線性尺寸和取αx、αy、αz為舒適的角度時，就可以由式(6)和式(7)計算出駕駛員握點(diǎn)的舒適域，從而為周期變距桿的設(shè)計提供依據(jù)。再代入Matlab計算：αx取一舒適值20°。由于αy值(60°～100°)的變化對于αz值(15°～35°)的影響較小，αz可分別取15°和35°，αy取60°～100°間某一步長變化。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線，兩條曲線間區(qū)域就為對應(yīng)αx的手舒適域。圖6為Matlab中繪制的二維圖形。

表4 上肢線性尺寸[3]

圖6 第5、50、95百分位右手舒適區(qū)域

由圖6可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為280mm，垂直距離約為430mm。

2) 要使第50百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為300mm，垂直距離約為440mm。

3) 要使第95百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi)，右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為320mm，垂直距離約為450mm。

4) 由右手相關(guān)計算可知，要使不同百分位人體右手參考點(diǎn)舒適區(qū)域重合，在水平方向上具有40mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有20mm的調(diào)節(jié)量。

5) 依照第50百分位人體尺寸設(shè)計周期變距桿，加入座椅的調(diào)節(jié)量，能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體右手落在舒適域內(nèi)。

2.3 總距桿人機(jī)工效設(shè)計計算

總距桿位置計算公式與周期變距桿一樣，由于操作方式不同，αx取一舒適值15°，αz可分別取15°和35°，αy取60°～100°間某一步長變化(以上針對操作總距舒適位置)。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線，兩條曲線間區(qū)域就為對應(yīng)αx的左手舒適域。圖7為Matlab中計算得到的左手舒適區(qū)域。

圖7 第5、50、95百分位左手舒適區(qū)域

由圖7可以得到如下結(jié)論：

1) 要使第5百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為290mm，垂直距離約為435mm。

2) 要使第50百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為315mm，垂直距離約為450mm。

3) 要使第95百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi)，左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為340mm，垂直距離約為465mm。

4) 由左手相關(guān)計算可知，要使不同百分位人體左手參考點(diǎn)舒適區(qū)域重合，在水平方向上具有50mm左右的調(diào)節(jié)量，在垂直方向上具有30mm的調(diào)節(jié)量。

5) 依照第50百分位人體尺寸設(shè)計總距桿，加入座椅的調(diào)節(jié)量，能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體左手落在舒適域內(nèi)。

2.4 計算結(jié)論

將以上計算結(jié)果進(jìn)行整合，得出基于第50百分位人體舒適姿勢的直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)布局模型，踵點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)650mm，y方向300mm；右手參考點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)300mm，y方向450mm；左手參考點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)320mm，y方向150mm；座椅的調(diào)節(jié)為前后60mm，上下50mm。如圖8所示。

圖8 操縱機(jī)構(gòu)布局模型

3 人機(jī)工效驗證

3.1 模型導(dǎo)入

以某型直升機(jī)駕駛艙為例，將第50百分位飛行員人體模型置于其中，使人體處于操作狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 人-機(jī)模型

3.2 姿勢評價

將計算得出的第50百分位人體各部位舒適區(qū)域疊加到該型機(jī)人機(jī)模型中，如圖10所示，觀察各部位參考點(diǎn)及舒適區(qū)域。

由圖10可見,除腳部參考點(diǎn)之外，左右手參考點(diǎn)均不同程度地偏離舒適區(qū)域。由于該機(jī)型座椅沒有垂直方向上的調(diào)節(jié)量，因此可以判斷該機(jī)總距桿和周期變距桿無法處于手部舒適區(qū)域。

圖10 舒適區(qū)域驗證圖

4 結(jié)論

本文通過分析直升機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計的相關(guān)參數(shù)與原理，建立了直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效分析數(shù)學(xué)模型，研究了不同百分位下人機(jī)操作舒適度區(qū)域。以某型直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)布局為例對所提方法進(jìn)行了舒適性驗證。結(jié)果表明，現(xiàn)有直升機(jī)的總距桿和周期變距桿設(shè)計均偏離舒適區(qū)域較大，說明傳統(tǒng)直升機(jī)操縱方式從在人機(jī)工效方面存在問題，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。同時，論文也為下一步的直升機(jī)側(cè)桿操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效研究提供了一種思路。