便攜式發(fā)射裝置的人因工程研究*

黃燕群，段志鎣，任立力，王爽英

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065； 2 衡陽(yáng)北方光電信息技術(shù)有限公司， 湖南衡陽(yáng) 421001)

0 引言

人因工程學(xué)[1]是以人體科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)為基礎(chǔ)的一門(mén)新興交叉學(xué)科，以人的生理、心理特征觸發(fā)，研究?jī)?yōu)化人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率，以保證人的安全、健康和舒適。引入人因工程學(xué)[2]有助于優(yōu)化人-機(jī)功能分配、協(xié)調(diào)運(yùn)作，提升系統(tǒng)效能，減少誤操作，起到增強(qiáng)系統(tǒng)安全性的作用。

近年，人因工程學(xué)在國(guó)內(nèi)民用產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，而在武器裝備領(lǐng)域局限于“人適應(yīng)武器裝備”的觀念，關(guān)注點(diǎn)在產(chǎn)品的功能和可靠性上，從事專(zhuān)職研究武器裝備的人因工程人員較少，運(yùn)用人因工程學(xué)設(shè)計(jì)武器裝備時(shí)存在一些不足之處：設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃，缺少裝備具體開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，依賴(lài)反復(fù)的樣機(jī)試制驗(yàn)證設(shè)計(jì)，增加了科研成本；另外產(chǎn)品規(guī)范文件對(duì)人因工程要求過(guò)于籠統(tǒng)，缺少量化考核依據(jù)，客戶(hù)與設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)環(huán)的理解也有所差異，比較難形成共識(shí)。若在設(shè)計(jì)武器裝備過(guò)程中運(yùn)用人因工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可彌補(bǔ)以上的不足之處。

便攜式發(fā)射裝置是單兵反坦克導(dǎo)彈武器[3]系統(tǒng)的肩扛發(fā)射裝置，與射手之間結(jié)合緊密。文中研究便攜式發(fā)射裝置的人因工程設(shè)計(jì)方法，分析該裝置的人因工程研究?jī)?nèi)容和影響因素；依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求確定產(chǎn)品組成和技術(shù)方案，并以圖示模型法為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品的人-機(jī)工作任務(wù)逐步細(xì)化任務(wù)中的作業(yè)，形成人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)師依此規(guī)范，借助于人因工程學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，達(dá)到人因工程要求的設(shè)計(jì)目的；最后借助數(shù)字建模、應(yīng)力分析、加工樣機(jī)、試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果，使該人因工程設(shè)計(jì)方法更具體化，可操作，為其它裝備的人因工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究?jī)?nèi)容及影響因素

人因工程學(xué)是通用學(xué)科，因產(chǎn)品用途不同其研究?jī)?nèi)容也隨之有所區(qū)別。便攜式發(fā)射裝置使用時(shí)從展開(kāi)到撤收處于人機(jī)互動(dòng)狀態(tài)，與指揮倉(cāng)內(nèi)靜態(tài)設(shè)備的人因工程設(shè)計(jì)有所區(qū)別；另與民品相比，前者使用壽命更長(zhǎng)，環(huán)境要求苛刻；同時(shí)本研究也屬于微觀人因工程，運(yùn)用人體生理特征及人因工程學(xué)設(shè)計(jì)方法，研究人、機(jī)、環(huán)之間的相互規(guī)律，優(yōu)化人-機(jī)操作，使人-機(jī)總體性能達(dá)到最優(yōu)，在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮最大效能。

其研究?jī)?nèi)容如圖1 所示：1)武器裝備的功能和作業(yè)流程，分析裝置的組成和技術(shù)方案；2)分析工況中裝置的工作任務(wù)，人機(jī)互動(dòng)作業(yè)，細(xì)化與人體互動(dòng)的部位的人因設(shè)計(jì)；3)研究特定環(huán)境下對(duì)人、機(jī)的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，其影響因素有以下幾種。

1.1 用戶(hù)生理特征

在行軍或操作使用產(chǎn)品過(guò)程中，用戶(hù)生理基本特征包括了人體的身高、手長(zhǎng)、體重基本尺寸[4]和使用習(xí)慣等靜態(tài)特征；以及工況中用戶(hù)的心理特征、能量消耗、疲勞機(jī)理、負(fù)荷承受能力等引起的生理變化、環(huán)境適應(yīng)性等動(dòng)態(tài)特征，涉及到用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、心理等感受，以上特征是人因工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1.2 裝備的功能和任務(wù)特征

便攜式發(fā)射裝置是武器系統(tǒng)的分系統(tǒng)，總體的規(guī)范影響了產(chǎn)品的組成、指標(biāo)分配和技術(shù)方案。因此，人因工程設(shè)計(jì)應(yīng)以產(chǎn)品功能為基礎(chǔ)，與用戶(hù)接觸的人機(jī)界面，如手柄位置、按鈕布局、顯示終端設(shè)計(jì)，菜單界面文本或圖標(biāo)布局，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形等，與人因工程學(xué)息息相關(guān)，在滿(mǎn)足產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，考慮使用者參與程度和范圍，直接與用戶(hù)互動(dòng)的環(huán)節(jié)的形狀、大小、色彩的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，應(yīng)以人因工程提供的參數(shù)和要求為設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.3 環(huán)鏡因素

在裝置使用的過(guò)程中其所處的環(huán)境，如發(fā)射點(diǎn)地形地貌、電磁環(huán)境、野外大氣環(huán)境、用戶(hù)生命安全等也是影響因素之一。在不同環(huán)境下，用戶(hù)視具體情況選擇比較隱蔽、舒適的發(fā)射方式使用裝置，此過(guò)程中環(huán)境將給用戶(hù)帶來(lái)使用的變化，以及這種變化對(duì)人機(jī)帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，例如，發(fā)射點(diǎn)地形的變化影響用戶(hù)操作，此時(shí)須提供配件輔助用戶(hù)來(lái)適應(yīng)此變化；戰(zhàn)場(chǎng)氣氛影響用戶(hù)心理，緊張易誤操作；流程復(fù)雜操作時(shí)間長(zhǎng)則易被對(duì)方發(fā)現(xiàn)；夜間條件下，人機(jī)互動(dòng)時(shí)的隱蔽性、機(jī)器噪聲、星光下發(fā)射等均是環(huán)境帶來(lái)的變化。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)分析裝置在特定工況環(huán)境下的環(huán)境約束因素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案應(yīng)能與環(huán)境相適應(yīng)。

2 人因工程分析與設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的方法[5]有調(diào)查法、觀測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法、圖示模型法、心理測(cè)試法、感覺(jué)評(píng)價(jià)法等。產(chǎn)品設(shè)計(jì)目的不同，其用到的人因工程設(shè)計(jì)方法也不同，流程如圖2示。文中以圖示模型法為基礎(chǔ)，結(jié)合裝置的人機(jī)功能分配逐步細(xì)化作業(yè)，形成人因技術(shù)規(guī)范并以此展開(kāi)設(shè)計(jì)。

2.1 功能分析

2.1.1 基本功能

裝置內(nèi)置低溫型可充鋰離子電池為系統(tǒng)提供工作電源；由紅外和可見(jiàn)光組件實(shí)現(xiàn)晝夜偵察；提供左右操控按鍵手柄，單目微型顯示器顯示系統(tǒng)信息，控制電路用CAN總線管理組件之間信息互通，提供測(cè)試口；與筒裝導(dǎo)彈之間用卡扣壓接式承接，選取站姿、坐姿、臥姿之一肩扛發(fā)射導(dǎo)彈。

2.1.2 人的任務(wù)功能

工況中人的工作任務(wù)剖面是分析的重點(diǎn)，單兵武器的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)中包含攜行、作戰(zhàn)、撤收等環(huán)節(jié)，攜行過(guò)程中士兵用背包攜帶產(chǎn)品行軍，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后取出裝置與筒裝導(dǎo)彈對(duì)接，選定地形和姿勢(shì)發(fā)射導(dǎo)彈，撤收時(shí)丟棄彈筒，產(chǎn)品裝入背具撤離陣地，其戰(zhàn)術(shù)任務(wù)中的發(fā)射姿勢(shì)如圖3所示。

根據(jù)任務(wù)工作情況細(xì)化工作內(nèi)容和人體的動(dòng)作環(huán)節(jié)，如表1所示。

表1 人的任務(wù)作業(yè)

根據(jù)表1任務(wù)作業(yè)分解和圖3 的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，進(jìn)一步細(xì)化人機(jī)交互過(guò)程中與用戶(hù)發(fā)生接觸的部位。分析用戶(hù)人體特征及對(duì)產(chǎn)品的生理感覺(jué)，并根據(jù)作業(yè)梳理出裝置的技術(shù)規(guī)范，并運(yùn)用人因工程學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)產(chǎn)品滿(mǎn)足此技術(shù)規(guī)范，通過(guò)分析產(chǎn)品的人機(jī)交換，具體得到產(chǎn)品的人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格，如表2所示。

表2 人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

2.2 產(chǎn)品人因工程設(shè)計(jì)

2.2.1 產(chǎn)品方案

依據(jù)總要求本裝置由熱像組件、電視組件、單目目鏡、二次電池、控制電路、裝置殼體、左右操控手柄等組成。光學(xué)儀器是關(guān)重件，其光學(xué)參數(shù)決定了組件的外形體積，同時(shí)影響了裝置的整體結(jié)構(gòu)布局。采用非制冷型變焦熱像組件，相比制冷型熱像具有重量輕、啟動(dòng)快、成本低的特點(diǎn)。電視用黑白定焦CCD小型化系統(tǒng)，顯示器用視度可調(diào)彩色OLED單目目鏡。

由低溫可充鋰子電池供電，控制電路用ARM芯片低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化上電方式減少系統(tǒng)瞬態(tài)電流峰值，降低電池容量、重量，有利于系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)人因工程設(shè)計(jì)

利用內(nèi)部空間組件間交錯(cuò)式緊湊安裝，殼體材料用復(fù)合材料和鎂合金材料加工保證強(qiáng)度并減輕重量，殼體應(yīng)整機(jī)充氣密封設(shè)計(jì)。

首先確定裝置的重心位置，裝置在擺放和手持時(shí)不出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，較重的熱像和電池并排擺放，目鏡在熱像的后端，控制電路板處于熱像組件下部，殼體兩側(cè)安裝左、右按鍵手柄，整體橫向布局，如圖4 所示。

圖4中裝置的重心位置靠近幾何中心，手柄接口處在中心位置x軸線上，避免手握手柄時(shí)出現(xiàn)俯仰或左右翻滾等重心不穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖4 裝置結(jié)構(gòu)布局圖

其次，確定以下幾個(gè)關(guān)鍵的外形尺寸：w為左右手柄距離。用戶(hù)握持手柄時(shí)，其拳頭位置在胸前略低于肩高，拳頭距離和胳膊內(nèi)收緊，與肩寬相近，此時(shí)雙手處于自然狀態(tài)，肌肉負(fù)荷較小。按照國(guó)標(biāo)成年人體尺寸[6]人體肩寬，兼顧冬季著裝，w取值人體肩寬距離。l為目鏡與筒裝導(dǎo)彈轉(zhuǎn)接板距離。實(shí)際環(huán)境中士兵可能穿戴防毒面具和頭盔，由于大多數(shù)人習(xí)慣右眼觀察，文中只考慮戴頭盔右眼觀察，尺寸太小用戶(hù)頭部受到彈筒干涉，尺寸過(guò)大不利于右眼觀察，同時(shí)預(yù)留頭部轉(zhuǎn)動(dòng)空間，l尺寸為肩寬一半。h為目鏡到手柄端部的距離。人觀察目鏡時(shí)，頸部應(yīng)處于自然豎直，h的尺寸為右眼到右肩膀的垂直距離。確定以上參數(shù)后，基本確定了裝置的外形結(jié)構(gòu)。

最后確定與筒裝導(dǎo)彈對(duì)接后系統(tǒng)重心位置，筒裝導(dǎo)彈由多倉(cāng)模塊組成密度不均勻分布，重心位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙段，用戶(hù)習(xí)慣用右肩膀支撐筒裝導(dǎo)彈，右眼觀察目鏡，如圖5中所示，因此武器系統(tǒng)的重心位置應(yīng)在肩托處，雙手握持手柄時(shí)只需掌心較小的力，可釋放手指靈活地操作手柄按鍵。

圖5 與筒裝導(dǎo)彈對(duì)接右視圖

2.2.3 殼體外形和選材

殼體外部倒角處理，內(nèi)部則充分利用空間，使得重量最輕，外形線條更加美觀。

用鎂鋁材料時(shí)抗腐蝕性較差，而采用碳纖維材料可以避免此類(lèi)問(wèn)題，同時(shí)其密度比鎂鋁合金更輕。文中裝置的殼體用碳纖維材料加工，具有密度小強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分用多個(gè)碳纖維模塊，并用膠水粘接處理，且選用的膠水其膨脹系數(shù)和應(yīng)力變形符合高低溫條件，避免溫度變化導(dǎo)致殼體變形影響裝置的光彈軸平行性；同時(shí)采用有限元分析殼體模型的應(yīng)力集中點(diǎn)，適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)厚度或采用加強(qiáng)筋措施增強(qiáng)其的強(qiáng)度。

殼體外表面和人體額頭、臉部接觸部位粘貼緩沖泡沫，一是防止導(dǎo)彈發(fā)射反沖力傷及眼睛，二是保護(hù)產(chǎn)品，預(yù)防磕碰破壞表面油漆。

2.2.4 手柄外形、按鍵布局

手柄形狀呈弧形狀，用掌心靠緊弧形頂部，手把與水平角度大小符合雙手上舉于胸前時(shí)的自然抓握狀態(tài)，如圖4中手柄所示；根據(jù)用戶(hù)戴手套時(shí)手型大小確定手柄長(zhǎng)度和直徑，握持部位的表面涂覆或粘貼橡膠防止滑脫。

產(chǎn)品功能若直接設(shè)置按鍵，需按鍵較多且占用空間；而用菜單界面方式管理只需較少的按鍵。左手柄安裝“五向?qū)Ш健?、“鎖定”按鍵，右手柄安裝“擊發(fā)”、“功能”按鍵，完成菜單界面操作和導(dǎo)彈發(fā)射。

當(dāng)雙手緊握手柄時(shí)，手指應(yīng)能夠著按鍵的位置，使用頻率越高離拇指越近；裝置的電源開(kāi)關(guān)處在左手柄上方位置，左手握住手柄時(shí)，左食指依然可以完成上電和掉電動(dòng)作。

2.2.5 單目目鏡的人因設(shè)計(jì)

實(shí)際情況用戶(hù)可能佩戴防毒面具操作，因此，目鏡應(yīng)保留足夠的出瞳距離不干涉用戶(hù)觀察；為了滿(mǎn)足不同視力的用戶(hù)使用，其視度應(yīng)可調(diào)并帶手輪調(diào)節(jié)，可單手調(diào)節(jié)視度。

在野外白天光線較強(qiáng)而夜間較暗，隨外部亮度的變化，目鏡的亮度應(yīng)自適應(yīng)，減少眩暈；另外目鏡須帶眼罩起到遮光或防漏光、防塵沙作用；同時(shí)眼罩能吸收導(dǎo)彈出筒瞬間反沖力，保護(hù)眼睛的作用，因此，眼罩結(jié)構(gòu)和選材上應(yīng)考慮遮光、防塵、緩沖、老化等要求。

2.2.6 配件的設(shè)計(jì)

1)筒裝導(dǎo)彈轉(zhuǎn)接板固定在裝置的右側(cè)，與筒裝導(dǎo)彈采用三點(diǎn)掛鉤對(duì)接，前兩個(gè)掛鉤用于扣緊筒裝導(dǎo)彈，后掛鉤采用彈簧卡扣壓接式對(duì)接，裝卸操作快捷；2)熱像的光學(xué)鏡頭需鏡蓋保護(hù)，鏡蓋用的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足單手操作，而結(jié)構(gòu)中彈簧力度滿(mǎn)足在風(fēng)力12 m/s的條件下鏡蓋不能晃動(dòng)干擾觀察；3)電池倉(cāng)蓋采用轉(zhuǎn)軸卡扣鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池殼設(shè)有提繩，方便單手更換電池；4)行軍期間裝置應(yīng)放入專(zhuān)用背具攜帶，底部貼靠腰部，短距離轉(zhuǎn)移用單手握持手柄移動(dòng)。

2.2.7 菜單界面

裝置的菜單界面包含光學(xué)圖像和圖文信息疊加而成，圖文信息有裝置自檢、導(dǎo)彈在位、電量、傳感器值；彈上跟蹤器信息；故障提示信息等3大類(lèi)。由于OLED屏幕較小，區(qū)域小，界面內(nèi)容設(shè)計(jì)符合以下原則：1)信息字符簡(jiǎn)潔意義明了，顯示必要實(shí)時(shí)信息并消隱多余的信息，避免滿(mǎn)屏字符干擾射手；2)避免屏幕中心區(qū)域顯示，采取用戶(hù)易于接收的圖標(biāo)和顏色傳遞信息；3)故障或警示信息，用閃爍紅色字體提醒用戶(hù)；4)根據(jù)人眼視場(chǎng)角大小和分辨率，合理設(shè)置界面的字符大小、位置；圖文顏色調(diào)配應(yīng)易于識(shí)別、適合長(zhǎng)時(shí)間觀察，提高了舒適度。

2.2.8 五性設(shè)計(jì)和輔助設(shè)計(jì)文件

產(chǎn)品五性設(shè)計(jì)指可靠性、測(cè)試性、安全性、維修性、保障性。通過(guò)產(chǎn)品可靠性建模，指標(biāo)預(yù)計(jì)與分配，降額、簡(jiǎn)化、冗余設(shè)計(jì)等措施進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)；裝置提供測(cè)試端口輸出必要的信息，及自檢、在線監(jiān)測(cè)提示信息；對(duì)產(chǎn)品危險(xiǎn)源定性分析，排除潛在安全隱患；維修設(shè)備應(yīng)通用化，減少專(zhuān)用設(shè)備工具，降低維修人員數(shù)量和技能的要求；并提供專(zhuān)用包裝箱用于貯存和運(yùn)輸光學(xué)儀器，并滿(mǎn)足公路運(yùn)輸和空運(yùn)。期間依據(jù)主要尺寸參數(shù)計(jì)算裝置的尺寸鏈計(jì)算數(shù)據(jù)，形成相關(guān)輔助設(shè)計(jì)和維護(hù)文件。

2.2.9 數(shù)字建模和樣機(jī)加工

確定方案后借助數(shù)字建模軟件UG進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中部位，經(jīng)修改結(jié)構(gòu)和試裝，優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)最優(yōu)效果。利用3D打印技術(shù)打印模型，經(jīng)過(guò)配重最大限度貼近實(shí)物狀態(tài)，測(cè)試受力狀態(tài)，對(duì)被測(cè)試的人員信息、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法等進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)描述，數(shù)字模擬之后進(jìn)入樣機(jī)加工。

圖6 裝置后視圖

圖7 裝置左視圖

3 測(cè)試與驗(yàn)證

裝置樣機(jī)按鑒定大綱進(jìn)行功能鑒定，鑒定內(nèi)容包括：產(chǎn)品功能靜態(tài)測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)；總質(zhì)量≤5 kg，依據(jù)鑒定大綱進(jìn)行考核，樣機(jī)通過(guò)了鑒定實(shí)驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。

另外，用模擬任務(wù)驗(yàn)證人因工程設(shè)計(jì)，其驗(yàn)證內(nèi)容涵蓋了指標(biāo)大綱、評(píng)估模型、評(píng)估實(shí)施程序等。戰(zhàn)術(shù)任務(wù)考核是其考核的重點(diǎn)，根據(jù)便攜式發(fā)射裝置的具體工況，抽取一定數(shù)量的樣本考核，和訓(xùn)練有素的人員執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，判斷是否滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)要求，具體的任務(wù)考核要求如表3所示。考核結(jié)果為：在各種地形下，行戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于12 s，撤收時(shí)間小于9 s，動(dòng)作流暢無(wú)干涉；在夜間星光的條件下順利操作；行軍3 km過(guò)程中用戶(hù)攜帶舒適，最后記錄參試人員反饋信息，為改進(jìn)產(chǎn)品提供了依據(jù)。

表3 任務(wù)考核要求

基于人因工程學(xué)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)以人為本，梳理使用過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)，并形成頂層技術(shù)規(guī)范，同時(shí)在設(shè)計(jì)中逐步落實(shí)；和以往的設(shè)計(jì)方法相比任務(wù)作業(yè)中舒適性更強(qiáng)，人-機(jī)功能分配更合理，減少了操作失誤；其次，人因工程要求能量化考核，與客戶(hù)易于形成共識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

武器裝備引入了人因工程學(xué)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的研發(fā)以產(chǎn)品功能為基礎(chǔ)，分解人-機(jī)中機(jī)器基本功能和人的任務(wù)作業(yè)，優(yōu)化人-機(jī)功能分配，以人為核心的思路對(duì)裝置的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)。通過(guò)研究便攜式發(fā)射裝置的人因工程設(shè)計(jì)，及樣機(jī)加工，用戶(hù)測(cè)試體驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品功能和可靠性，用戶(hù)使用過(guò)程中動(dòng)作流暢，使用舒適，取得了一定的成效，為今后武器裝備的人因工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。