牽引加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪尺寸人機(jī)工效評估與優(yōu)化

趙祎乾， 吳天宇， 顧森， 李清晨， 李亞軍

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院, 河南 鄭州 451100)

0 引言

牽引加榴炮與自行火炮相比具有質(zhì)量輕、研制與維修成本低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、不受限于電氣等自動化技術(shù)從而具有廣泛的適用范圍，在未來戰(zhàn)爭中仍發(fā)揮重要作用[1]。傳統(tǒng)牽引式火炮的研發(fā)、設(shè)計、裝配、使用中重點(diǎn)關(guān)注各元件性能參數(shù)，易忽略對炮手生理、心理特征的研究，然而火炮效能不僅取決于元件性能的優(yōu)劣，而與操作中視、聽、觸、行為通道的人機(jī)交互緊密關(guān)聯(lián)。若缺乏對人機(jī)工效的認(rèn)知與研究將會降低炮手操作效率、舒適度、可靠性，影響火炮的作戰(zhàn)效能[2-4]。

面向人機(jī)工效層面對火炮操作的研究具有重要意義。文獻(xiàn)[3]為提升火炮瞄準(zhǔn)效率，對瞄準(zhǔn)機(jī)手輪安裝位置、空間范圍、操作力等要素探討并提出優(yōu)化建議。文獻(xiàn)[2,4]先后以某型車載速射迫擊炮和加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪工效分析為目標(biāo)，依托人機(jī)仿真技術(shù)依次探究了手輪安裝高度、轉(zhuǎn)動頻率、轉(zhuǎn)動方式等對炮手操作姿勢的影響。文獻(xiàn)[5]對某型火箭炮乘員艙設(shè)計中方向盤高度、面板傾斜角度評估并提出改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[6]提出一種面向艦炮瞄準(zhǔn)裝置單兵操控臺界面的優(yōu)化設(shè)計模型。文獻(xiàn)[7]基于主成分分析法從指標(biāo)層對艦炮武器人機(jī)交互績效評估。文獻(xiàn)[8]采用人機(jī)仿真技術(shù)探究了車載炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪安裝方式并提出優(yōu)化設(shè)計策略。文獻(xiàn)[9]針對車載炮裝填過程中的工效評估，由此設(shè)計了輔助裝填裝置。文獻(xiàn)[10]立足于人體生物力學(xué)視角下評估了戰(zhàn)車主炮裝填中炮彈質(zhì)量、裝填角度與高度對裝填手操作姿勢的影響，確立了彈藥架最優(yōu)位置。文獻(xiàn)[11]從工效優(yōu)化層面梳理并歸納自行高炮乘員艙室內(nèi)諸設(shè)備的設(shè)計原則。綜上研究主要聚焦于火炮瞄準(zhǔn)操作的工效評估。牽引加榴炮通常采用手動或半自動瞄準(zhǔn)方式，即炮手操控高低機(jī)、方向機(jī)手輪調(diào)整炮口的高低角與方位角[8]。已有多篇文獻(xiàn)[2-4，8，11]針對瞄準(zhǔn)機(jī)手輪安裝位置、軸線高度與夾角、轉(zhuǎn)動方向與頻率、操作力等要素展開研究，相比之下對輪徑、安裝軸線高差、握柄直徑的探討尚不多見，而上述要素將進(jìn)一步影響炮手操作姿勢、舒適度與工效。

輪徑、安裝軸線高差尺寸與炮手上肢操作姿勢及軀干載荷相關(guān)，涉及動態(tài)行為評估。由于瞄準(zhǔn)機(jī)制造精度要求與成本較高，實(shí)物樣本加工難度較大，本研究依托于人機(jī)仿真技術(shù)，模擬炮手操作手輪動態(tài)行為，并結(jié)合多指標(biāo)決策層面對操作姿勢展開評估。手輪握柄截面直徑影響炮手抓握舒適度，考慮到握柄與手掌之間接觸面較小，若采用壓力、生理電信號采集等實(shí)驗(yàn)方案，測試中設(shè)備易干擾手指靈活性從而產(chǎn)生誤差，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受技術(shù)影響較大，采用人機(jī)綜合評價方法，構(gòu)建科學(xué)、系統(tǒng)的評價方法體系由此對多組握柄實(shí)物抓握與評價。

通過人機(jī)仿真評估、綜合評價依次探求輪徑、安裝軸線高差、握柄截面直徑的最優(yōu)參考范圍，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計，旨在提升炮手操作人機(jī)工效與舒適度。

1 人機(jī)仿真評估

1.1 評估內(nèi)容與方法

仿真評估以人機(jī)仿真軟件Siemens Tecnomatix Jack 9.0為工具，需構(gòu)建數(shù)字人體模型，導(dǎo)入或建立評估對象模型，針對數(shù)字人完成相應(yīng)任務(wù)時操作行為仿真并輸出有效的評估信息[8]。

某型牽引加榴炮高低機(jī)手輪軸線與火炮耳軸平行，方向機(jī)手輪軸線與之垂直且軸高相對較低約為1 050 mm，二者輪徑相同均可正反轉(zhuǎn)。炮手左、右手分別操作高低機(jī)與方向機(jī)手輪，操作力依次為68 N與46 N[12]. 依據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)的輪徑與4種規(guī)格的軸線高差尺寸建立共計12組樣本(見表1)。

表1 仿真評估樣本參數(shù)

常用的工效評估指標(biāo)包括操作可達(dá)域分析、快速上肢評價[13]、下背部分析[14]、工作姿勢分析系統(tǒng)[15]、人體受力分析[16]等。手輪操作涉及手掌、手腕、前臂、肘部、上臂、肩部、軀干等部位，由此篩選并明確評估指標(biāo)包含可達(dá)域分析、快速上肢評價、下背部分析、人體受力分析4項(xiàng)。本次仿真評估中創(chuàng)新及優(yōu)勢包括：1)樣本參數(shù)易修改，針對炮手操作手輪過程的典型姿勢進(jìn)行評估，保證結(jié)果科學(xué)與可靠性同時大幅壓縮成本，體現(xiàn)仿真技術(shù)在武器等復(fù)雜裝備研究中的優(yōu)勢。2)采用包括受力分析等多項(xiàng)指標(biāo)依托于肢體關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)角度、扭矩、壓力與肌肉負(fù)荷等多維度全面與細(xì)化地對炮手操作姿勢評估，有效規(guī)避單一或少量指標(biāo)下評估結(jié)果的局限性。3)依托于評估邏輯與方法梳理并嘗試建立面向人體動態(tài)操作行為的評估方法體系，以期實(shí)現(xiàn)對操作姿勢的定量評估。4)提出采用灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)與逼近理想解排序(TOPSIS)相結(jié)合的計算方法對單項(xiàng)指標(biāo)下的評估數(shù)據(jù)處理與分析；針對多項(xiàng)指標(biāo)下的綜合評估數(shù)據(jù)進(jìn)一步結(jié)合灰色接近關(guān)聯(lián)度計算以提升評估結(jié)果的精確性，有助于多組樣本的優(yōu)劣排序。

1.2 評估過程

1.2.1 手輪與炮手?jǐn)?shù)字化模型構(gòu)建

參照瞄準(zhǔn)機(jī)各元件布局關(guān)系及樣本參數(shù)，在三維建模軟件Pro/Engineer中建立1∶1手輪數(shù)字化模型并導(dǎo)入Jack軟件中進(jìn)行坐標(biāo)變換。本次炮手建模采用高級模塊，以國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2873—2002[17]中具有代表性的第50百分位(P50)男性人體尺寸為參考，并采集20名真實(shí)炮手尺寸對其適當(dāng)修正。

1.2.2 炮手操作行為仿真與評估

仿真中規(guī)定握柄位于手輪旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)豎直正上方為初始位置(角度0°)，順時針轉(zhuǎn)動為正角度方向、逆時針為負(fù)。為捕捉炮手上肢極限與典型操作姿勢，設(shè)定雙手同時轉(zhuǎn)動兩手輪，方向相反且角速度與線速度均相同，以360°為周期等距提取8個評估參考點(diǎn)，各參考點(diǎn)下高低機(jī)、方向機(jī)手輪轉(zhuǎn)動角度依次為0°、-45°與45°、-90°與90°，以此類推。

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Q值越接近1則比較序列與正理想解越接近，整體越優(yōu)。由Q值可對同項(xiàng)指標(biāo)下樣本優(yōu)劣排序?？紤]到各項(xiàng)指標(biāo)的評估方法、原理、標(biāo)準(zhǔn)、量綱之間有所差異，造成樣本在多指標(biāo)下優(yōu)劣排序可能不一致，運(yùn)用灰色接近關(guān)聯(lián)度方法[20]對多項(xiàng)指標(biāo)下樣本的灰色關(guān)聯(lián)貼近度數(shù)據(jù)計算得出綜合評估結(jié)果。假設(shè)比較序列與參考序列依次為Sc、Sd，

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式中:|Sd-Sc|為序列Sc與Sd之間接近程度；Sc(m)與Sd(m)依次為序列Sc、Sd中第m項(xiàng)數(shù)據(jù)?；疑咏P(guān)聯(lián)度ρcd計算公式為

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ρcd值越大，表示Sc與Sd越接近，則對應(yīng)樣本綜合評估結(jié)果越優(yōu)。

1.3 評估結(jié)果分析與討論

1.3.1 操作可達(dá)域分析

設(shè)備操作中人肢體末端所能達(dá)到的三維空間范圍稱為可達(dá)域[21]。本節(jié)依據(jù)炮手實(shí)際操作姿勢選擇雙肩肩周驅(qū)動的上肢可達(dá)域，以P50炮手操作12組樣本的左右手掌心為行為軌跡點(diǎn)創(chuàng)建可達(dá)域包絡(luò)范圍。結(jié)果表明，炮手操作周期中右手均在可達(dá)域范圍內(nèi)，除樣本3、樣本4、樣本8之外其余樣本操作中左手均略超出可達(dá)域，炮手需彎腰或前傾軀干完成操作。

1.3.2 快速上肢分析

快速上肢分析以人體姿勢、肌肉使用、負(fù)荷、任務(wù)持續(xù)時間與頻率為依據(jù)針對手腕、手臂、頸部、軀干、腿關(guān)節(jié)等部位的評價來判斷操作姿勢的合理性[13]。根據(jù)生物學(xué)原理將各部位的評分疊加得出表征舒適度的等級，評分共計7分，劃分為4個等級：1～2分屬1級；3～4分屬2級，以此類推。分值越高表示姿勢偏離標(biāo)準(zhǔn)的程度越大，需調(diào)整或改變的時間間隔越短。統(tǒng)計12組樣本的快速上肢分析數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 炮手操作12組樣本對應(yīng)快速上肢分析評估結(jié)果

由表2可知，評估數(shù)據(jù)均隸屬于4～7分范圍，對應(yīng)2～4級，表明各樣本在長時間操作中均需調(diào)整姿勢。其中：樣本3、樣本6、樣本10在參考點(diǎn)4位置；樣本11在參考點(diǎn)2位置；樣本12在參考點(diǎn)1、參考點(diǎn)3、參考點(diǎn)8位置；樣本7由參考點(diǎn)3至參考點(diǎn)4區(qū)間；樣本9由參考點(diǎn)2至參考點(diǎn)4區(qū)間評估結(jié)果均為7分，炮手應(yīng)立即改變操作姿勢以避免上肢受傷。對數(shù)據(jù)無量綱化并依據(jù)(1)式～(5)式計算灰色關(guān)聯(lián)貼近度Q(見表3)。

表3 快速上肢分析指標(biāo)下12組樣本灰色關(guān)聯(lián)貼近度

由表3可知：樣本5的灰色關(guān)聯(lián)貼近度相對最高，操作中上肢姿勢合理，該項(xiàng)指標(biāo)下評估結(jié)果最優(yōu)；樣本12最低，評估結(jié)果最差。統(tǒng)計各參考點(diǎn)下12組樣本評估數(shù)據(jù)的均值依次為6、6.17、6.25、6.42、5.58、5.25、4.92、5.83，由此對操作周期中評估結(jié)果的變化規(guī)律探討：手輪由參考點(diǎn)1轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)4、由參考點(diǎn)7再次轉(zhuǎn)回至參考點(diǎn)1過程，評估值依次提升約6.95%與22.03%；手輪由參考點(diǎn)4轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)7過程，評估值降低約23.38%。面向操作姿勢層面，依據(jù)快速上肢評價原則[13]，對樣本評估結(jié)果之間的差異及操作周期中數(shù)據(jù)變化規(guī)律的成因討論，由于數(shù)據(jù)量過大，本處以較典型的樣本9與樣本12為例，提取矢狀面下炮手上肢操作姿勢(見圖1與圖2)。此外快速上肢評價受上臂、下臂、手腕掌背側(cè)屈、扭轉(zhuǎn)角度的影響，同時統(tǒng)計2組樣本在參考點(diǎn)1位置以上各部位評估結(jié)果(見表4)。

表4 炮手操作樣本9與樣本12在參考點(diǎn)1位置上臂、下臂、手腕部位評估結(jié)果

炮手操作中右手臂相比較于左手臂動作幅度小，對評估結(jié)果影響較弱，則本處以左手臂姿勢為重點(diǎn)展開討論。參照圖1(a)～圖1(h)、圖2(a)～圖2(h)，設(shè)炮手左上臂與軀干中心線夾角為α，左下臂與上臂中心線夾角為β，左手腕掌背側(cè)屈角度為δ. 由圖1(a)、表4可知：樣本9在參考點(diǎn)1位置，α約為40°且右上臂幾乎不偏轉(zhuǎn)，依據(jù)上臂評估標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合操作頻率、負(fù)載情況記為2分；β約為59°，屬于0°～60°區(qū)間，結(jié)合右下臂偏離標(biāo)準(zhǔn)的范圍記為2分；δ約為-22°，參考手腕掌背側(cè)屈評估標(biāo)準(zhǔn)，大于±15°范圍記為3分；右手腕存在扭轉(zhuǎn)記為2分。同理參照圖2(a)、表4，炮手操作樣本12在參考點(diǎn)1位置，α約為55°、β約為78°、δ約為-29°，即上臂、下臂、手腕掌背側(cè)屈、手腕扭轉(zhuǎn)記分依次為4、3、3、2. 綜上參考點(diǎn)1位置樣本12對應(yīng)的α、β、δ角度均大于樣本9，表明上肢偏離標(biāo)準(zhǔn)姿勢的幅度相對較大，則快速上肢評價分?jǐn)?shù)與等級也相對較高，表2中以上2組樣本對應(yīng)數(shù)據(jù)依次為5分與7分，與討論結(jié)果一致。

圖1 矢狀面視角下樣本9在各參考點(diǎn)對應(yīng)炮手上肢操作姿勢Fig.1 Postures of upper limb at each reference point in sagittal view when gunners operate the ninth group of sample

圖2 矢狀面視角下樣本12在各參考點(diǎn)對應(yīng)炮手上肢操作姿勢Fig.2 Postures of upper limb at each reference point in sagittal view when gunners operate the twelfth group of sample

參照圖1(a)～圖1(d)與表2：樣本9操作中手輪由參考點(diǎn)1轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)4，α角度依次為40°、63°、66.5°、59.5°，即先提升約66.25%、再略降低約10.53%，左上臂總體逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)姿勢；β角度依次為59°、10°、8°、11.5°，左下臂逐漸偏離60°～100°標(biāo)準(zhǔn)范圍；左手腕由于掌背側(cè)屈使腕部受到壓迫；右手腕扭轉(zhuǎn)角度逐漸增大；手輪握柄位于旋轉(zhuǎn)周期中較低位置，造成炮手操作時軀干前傾致使背部肌肉拉伸，評估分?jǐn)?shù)則逐步提升。同理可對手輪由參考點(diǎn)4轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)8過程中評估結(jié)果變化規(guī)律的成因討論。綜上討論結(jié)果符合表2中數(shù)據(jù)的規(guī)律。

1.3.3 下背部分析

下背部分析主要針對人體特定操作姿勢下脊椎受力研究，將結(jié)果與美國國家安全與健康協(xié)會(NIOSH)提出的標(biāo)準(zhǔn)[22]對比，若超過標(biāo)準(zhǔn)中推薦值3 400 N表示相應(yīng)操作會提升部分操作員背部受傷的概率，若超過極限值6 400 N表明相應(yīng)操作會造成大多數(shù)操作員背部受傷[16]。以手輪力為參照對炮手雙手施加相應(yīng)載荷，運(yùn)用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型計算炮手操作中背部L4/L5脊椎關(guān)節(jié)處的壓力，包括肌肉、韌帶與骨間壓力，統(tǒng)計12組樣本的評估數(shù)據(jù)(見表5)。

表5 炮手操作12組樣本對應(yīng)下背部受力評估結(jié)果

由表5可知，12組樣本操作周期中下背部受力均低于推薦值，表明炮手背部受傷風(fēng)險較低。由(1)式～(5)式計算灰色關(guān)聯(lián)貼近度Q(見表6)。

表6 下背部分析指標(biāo)下12組樣本灰色關(guān)聯(lián)貼近度

由表6可看出，12組樣本中：樣本3灰色關(guān)聯(lián)貼近度相對最高，下背部評估結(jié)果最好；樣本1評估結(jié)果最差。統(tǒng)計各參考點(diǎn)下樣本的評估數(shù)據(jù)均值，依次為1 388.58 N、1 604.58 N、1 738.00 N、1 690.00 N、1 482.08 N、1 265.92 N、1 340.08 N、1 336.25 N. 手輪由參考點(diǎn)1轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)3過程，下背部受力提升約25.16%；由參考點(diǎn)3轉(zhuǎn)動至參考點(diǎn)6過程，下背部受力降低約27.16%；循環(huán)往復(fù)。依托于操作姿勢層面，參照下背部分析標(biāo)準(zhǔn)[14]可對樣本評估結(jié)果之間的差異、操作周期中數(shù)據(jù)變化規(guī)律的成因討論，結(jié)果表明若輪徑、軸線高差尺寸設(shè)計不合理，將導(dǎo)致炮手操作時手臂向前拉伸幅度過大，造成軀干前傾增大L4/L5脊椎處受力與扭矩，提升下背部受力及背部疲勞與受傷的概率。

1.3.4 人體受力分析

受力分析評估部位包含手腕、肘部、肩部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝，需定義力的大小與方向，從轉(zhuǎn)矩、力矩對肌肉的影響、關(guān)節(jié)彎曲角度、平均強(qiáng)度等層面對上述部位評估，基于動力學(xué)角度通過承載能力判斷對應(yīng)姿勢下有多少百分比的人能以相對舒適的狀態(tài)完成操作，數(shù)值越高表明姿勢越合理[16]。由于手輪操作主要涉及上肢部位，且快速上肢分析指標(biāo)已針對手腕、肘部評估，本節(jié)重點(diǎn)分析炮手肩部受力情況，提取右、左肩部承載能力指標(biāo)，統(tǒng)計樣本在上述兩項(xiàng)指標(biāo)下評估結(jié)果(見圖3)。

圖3 12組樣本右、左肩部承載能力評估結(jié)果Fig.3 Evaluated results of right and left shoulder bearing capacity in 12 groups of samples

參照圖3(a)，除樣本7之外其余樣本：由參考點(diǎn)2至參考點(diǎn)4，炮手操作中右上臂向軀干外側(cè)拉伸造成右肩部肌肉緊張，承載力呈現(xiàn)下降趨勢；由參考點(diǎn)4至參考點(diǎn)7，操作中右上臂向軀干內(nèi)側(cè)收縮，肩部肌肉逐漸恢復(fù)放松使承載力回升；由參考點(diǎn)7再次轉(zhuǎn)回至初始位置，右肩部上提造成承載力略微下降。同理由圖3(b)可對左肩部承載力評估結(jié)果分析。

將以上2項(xiàng)指標(biāo)下評估數(shù)據(jù)依據(jù)(1)式～(5)式計算灰色關(guān)聯(lián)貼近度Q(見表7與表8)。

表7 右肩部承載力指標(biāo)下12組樣本灰色關(guān)聯(lián)貼近度

表8 左肩部承載力指標(biāo)下12組樣本灰色關(guān)聯(lián)貼近度

由表7可知，右肩部承載力指標(biāo)下12組樣本評估結(jié)果優(yōu)劣排序：樣本7、樣本4、樣本2、樣本12、樣本8、樣本10、樣本3、樣本1、樣本9、樣本11、樣本5、樣本6. 同理參照表8可對左肩部承載力指標(biāo)下樣本評估結(jié)果進(jìn)行優(yōu)劣排序。

1.4 多指標(biāo)綜合評估結(jié)果

快速上肢分析、下背部分析、雙肩部承載能力指標(biāo)下樣本評估結(jié)果的優(yōu)劣排序不一致。為探求樣本在多指標(biāo)下的綜合評估結(jié)果，由樣本的灰色關(guān)聯(lián)貼近度構(gòu)建12組比較序列，提取各指標(biāo)層最優(yōu)者構(gòu)建參考序列，依據(jù)(6)式和(7)式計算灰色接近關(guān)聯(lián)度(見表9)。

表9 12組樣本多指標(biāo)下對應(yīng)接近關(guān)聯(lián)度

由表9可知：序列9與參考序列之間接近關(guān)聯(lián)度相對最低；序列8最高，相比較于序列9關(guān)聯(lián)度數(shù)值提升約18.29%。表明樣本8在4項(xiàng)指標(biāo)下綜合評估結(jié)果最優(yōu)，樣本9最差。樣本8相比較于樣本9在各評估參考點(diǎn)下快速上肢分析、下背部受力評估結(jié)果均值依次降低約4.26%與17.10%，右、左肩部承載能力均值依次提升約9.86%與5.53%，與綜合評估結(jié)果一致。

1.5 手輪輪徑與安裝尺寸優(yōu)化設(shè)計

依托綜合評估結(jié)果，若輪徑、安裝軸線高差均無特殊限制，優(yōu)化設(shè)計應(yīng)優(yōu)先參考樣本8對應(yīng)尺寸參數(shù)，輪徑采用250 mm，方向機(jī)與高低機(jī)手輪安裝軸線高度依次為1 050 mm與1 250 mm，軸線高差為200 mm。上述方式下炮手操作姿勢合理，連續(xù)或高強(qiáng)度任務(wù)中上肢疲勞速度相對較慢、肩部承載能力較好、下背部受力較低、操作舒適度與人機(jī)工效較高。避免參考樣本9，該設(shè)計方式下炮手操作姿勢較不合理、肩部承載能力較差、下背部受力較高、定額或連續(xù)操作中將直接降低人機(jī)工效，提升上肢、肩部、背部疲勞與受傷的風(fēng)險。

參照表9，以提升炮手操作工效為目標(biāo)：若輪徑限定為220 mm、250 mm情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇樣本4與樣本8，即兩手輪均采用軸線高差200 mm的安裝方式；當(dāng)輪徑限定為280 mm時應(yīng)優(yōu)先選擇樣本11，即兩手輪采用軸線高差100 mm的安裝方式。同理若手輪安裝軸線高差限定為0 mm、100 mm、200 mm時，應(yīng)選擇樣本5、樣本7、樣本8，即輪徑均采用250 mm；當(dāng)軸線高差為60 mm時，應(yīng)選擇樣本2，即輪徑采用220 mm.

2 人機(jī)綜合評價

2.1 評價內(nèi)容與方法

炮手操作手輪需抓握與輪緣連接的握柄，其長度相對標(biāo)準(zhǔn)約為80 mm，而握柄造型、截面直徑與抓握時手掌壓力分布、手腕偏轉(zhuǎn)角度均相關(guān)，影響抓握舒適性與操作工效。評價中提取紡錘形、圓柱形、梨形、錐形4種不同造型握柄，截面直徑參考范圍22～38 mm，等距劃分并設(shè)置20組樣本(見表10)。

表10 握柄樣本參數(shù)

首先依據(jù)樣本參數(shù)制作握柄實(shí)物；其次構(gòu)建評語集并提出評價人員可靠度系數(shù)計算方法，要求評價人員參照評語集面向20組樣本進(jìn)行抓握與評價，將評價數(shù)據(jù)結(jié)合人員可靠度系數(shù)計算得出綜合評價結(jié)果；最后以手掌承壓能力與手部抓握接觸方式層面對結(jié)果討論，由此提出優(yōu)化設(shè)計策略。具體先進(jìn)性包括：1)依托于評語集、三角模糊數(shù)等提出綜合評價方法體系，由此對樣本實(shí)物進(jìn)行抓握與評價，旨在提升結(jié)果的可信度；2)對評價人員的篩選與可靠性計算，有效降低評價中人員認(rèn)知的差異性、模糊性等主觀因素對結(jié)果的干擾。

2.2 評價過程

2.2.1 樣本實(shí)物制作

在三維建模軟件Pro/Engineer中構(gòu)建1∶1精確手輪握柄數(shù)字化模型，采用數(shù)控加工方式制作20組樣本實(shí)物(見圖4)。

圖4 20組樣本實(shí)物模型Fig.4 Physical models of 20 groups of samples

2.2.2 評語集構(gòu)建

為平衡與控制評價難度及認(rèn)知模糊性，評語集由自然語言變量組建，包括非常好、好、較好、一般、較差、差、非常差7級，將評語集運(yùn)用三角模糊數(shù)[23]形式表達(dá)，其中非常好(9,10,10)、好(7,9,10)、非常差(0,0,1)，以此類推。依據(jù)清晰型歸一化原則將模糊三角矩陣轉(zhuǎn)換為數(shù)值，假設(shè)數(shù)值為Y，三角模糊數(shù)為(a，b，c)，轉(zhuǎn)換公式為

Y=(a+2b+c)/4.

(8)

2.2.3 評價人員可靠度系數(shù)

本次評價人員包含人機(jī)領(lǐng)域研究員6名、炮手5名、火炮裝配線工人2名、設(shè)計與維修人員2名。為弱化各領(lǐng)域人員對評價對象認(rèn)知與熟悉度的差異等主觀因素對結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，提出一種評價人員可靠度計算方法。人員可靠性由理論水平(占比30%)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(占比30%)、認(rèn)知程度(占比20%)、自信程度(占比20%)4個方面構(gòu)成[24]，計算得人員可靠度系數(shù)最大值為8.8%，最小值為3.4%，表明15名評價人員的認(rèn)知、評估標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定差異，運(yùn)用可靠度系數(shù)對評估結(jié)果進(jìn)一步修正是必要的且有效的。

2.3 評價結(jié)果分析與討論

提取樣本評價結(jié)果源數(shù)據(jù)(三角模糊數(shù)形式)，依據(jù)(8)式轉(zhuǎn)換成清晰值，結(jié)合人員可靠度系數(shù)計算與統(tǒng)計得樣本綜合評價結(jié)果(見表11)。

表11 20組樣本抓握舒適度綜合評價結(jié)果

首先，基于手掌各區(qū)域承壓能力與抓握方式層面[25]針對同一造型握柄下樣本評價結(jié)果討論,提取手掌區(qū)域承壓能力分布結(jié)果(見圖5)。

圖5 手掌各區(qū)域承壓能力分布Fig.5 Distribution of pressure bearing capacity in each area of palm

參照圖5與表11，紡錘形握柄中樣本3評價結(jié)果相對最高，樣本5最低且較樣本3評價值降低約74.1%，樣本2與樣本3相對接近。由于紡錘形握柄中間凸出兩端較細(xì)，樣本1截面直徑過小降低了抓握時與手掌接觸面積，握力不能均勻分散并傳導(dǎo)至手部肌肉分布面積較大且承壓能力較強(qiáng)的大、小魚際肌區(qū)域；而通過握柄中部的凸起部分作用于肌肉分布較少，神經(jīng)敏感度較高且承壓能力較弱的掌心，以及承壓能力中等或偏弱的中指、無名指的近節(jié)與中節(jié)指段附近，長時間抓握操作中將壓迫手部神經(jīng)末梢，阻礙血液循環(huán)造成麻木等不舒適的感受。樣本5截面直徑過大，為避免打滑抓握時施加較大的握力，造成承壓能力中等或偏弱的5指近節(jié)指段與指骨間肌等區(qū)域壓力集中，則舒適度也較低。樣本2與樣本3尺寸合理，抓握時與手掌接觸面較大，使握力較好分布于承壓能力中等或偏強(qiáng)的食指、中指、無名指指球肌，手掌前端指骨間肌以及承壓能力強(qiáng)的大、小魚際肌區(qū)域，抓握舒適度相對較高。樣本4截面直徑偏大則次于以上二者。同理可對圓柱形、梨形與錐形握柄樣本評價結(jié)果展開討論。

其次，對比不同造型握柄之間的評價結(jié)果，將4類造型握柄下樣本評價數(shù)據(jù)求均值，依次為5.920、5.544、5.637、4.916，紡錘形相對最高，錐形最低且較紡錘形評價值降低約16.96%。進(jìn)一步提取不同造型握柄抓握時與手部接觸方式(見圖6)。

圖6 握柄抓握時與手部接觸方式Fig.6 Contact pattern of grips and hands when grasping handles

參照圖5與圖6(a)、圖6(c)，紡錘形與梨形握柄若截面直徑設(shè)計合理，抓握時能較好貼合于手部使握力分散傳導(dǎo)給大、小魚際肌區(qū)域，且握柄造型設(shè)計有助于降低手腕橈側(cè)與尺側(cè)偏轉(zhuǎn)角度。由圖5、圖6(b)可知，截面直徑合理的圓柱形握柄抓握時與掌心之間存在空隙，有效降低抓握力與摩擦力對掌心等敏感部位的刺激。由圖5、圖6(d)可知，錐形握柄抓握時盡管可將握力均勻分布于小魚際肌區(qū)域，但其外形設(shè)計易造成手腕橈側(cè)偏轉(zhuǎn)則舒適度略次于前三者。

2.4 手輪握柄尺寸優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)綜合評價及討論結(jié)果，若握柄采用紡錘形、圓柱形、梨形，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)依次優(yōu)先參考樣本3，樣本8、樣本13，截面直徑均采用30 mm，相比較于其他截面尺寸，抓握時與手部接觸方式及壓力分布最合理，舒適度較高。此外紡錘形握柄截面直徑采用26 mm，圓柱形與梨形截面直徑均采用34 mm，以上三者也相對較優(yōu)。設(shè)計中面向不同手部尺寸的人群，以30 mm直徑為基礎(chǔ)可在適度范圍內(nèi)調(diào)整截面尺寸，但不宜低于26 mm或高于34 mm，以期避免顯著降低抓握舒適性從而影響工效。若使用錐形握柄，優(yōu)先參考樣本19即截面直徑采用34 mm，由于該類型握柄前端較細(xì)，則最優(yōu)截面直徑也略大于其他3種造型的握柄，同理設(shè)計中也可適當(dāng)調(diào)整尺寸，最小不宜低于30 mm，最大不宜超過38 mm.

4種造型的握柄中應(yīng)優(yōu)先考慮紡錘形、圓柱形、梨形握柄。紡錘形、梨形握柄與手掌貼合度較高因而抓握時手部支撐感較強(qiáng)，適合短時間高強(qiáng)度操作任務(wù)；而圓柱形握柄能較好避免掌心與握柄之間的接觸與摩擦，適用于長時間連續(xù)的操作任務(wù)；錐形握柄設(shè)計中應(yīng)避免前端過細(xì)以降低抓握時手腕偏轉(zhuǎn)角度。

3 瞄準(zhǔn)機(jī)手輪人機(jī)工效評估與優(yōu)化模型

為更好拓展本文中流程與方法的應(yīng)用范圍，依托于應(yīng)用層、評估層、數(shù)據(jù)層、知識層提出并構(gòu)建瞄準(zhǔn)機(jī)手輪要素工效評估與優(yōu)化理論模型，模型包含動態(tài)操作姿勢評估與靜態(tài)抓握感受評價兩部分。動態(tài)操作姿勢評估可通過對炮手操作行為姿勢的量化研究，提出手輪各項(xiàng)要素的優(yōu)化設(shè)計策略，如輪徑、安裝軸線夾角與高度、軸線高差尺寸等(見圖7)。靜態(tài)抓握感受評價可針對影響炮手抓握舒適度的手輪要素展開研究，如握柄表面形態(tài)、材質(zhì)、截面直徑等(見圖8)。模型應(yīng)用層涵蓋評估與優(yōu)化設(shè)計兩部分；評估層基于人機(jī)仿真與綜合評價研究框架與邏輯；數(shù)據(jù)層包含文獻(xiàn)資料、評估指標(biāo)、仿真評估、綜合評價方法等數(shù)據(jù)庫，為評估層提供與之匹配的軟件系統(tǒng)、方法與數(shù)據(jù)支撐；知識層呈現(xiàn)了理論知識本體信息，如評估方法理論知識、評估與設(shè)計的約束條件、基礎(chǔ)算法等，揭示了數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成元素。

圖7 牽引加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪要素人機(jī)工效評估與優(yōu)化理論模型(動態(tài)操作姿勢評估)Fig.7 Theoretical ergonomic evaluation and optimization model for handwheel factors of towed gun-howitzer sighting device (dynamic operation posture evaluation)

圖8 牽引加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪要素人機(jī)工效評估與優(yōu)化理論模型(靜態(tài)抓握感受評價)Fig.8 Theoretical ergonomic evaluation and optimization model for handwheel factors of towed gun-howitzer sighting device (static grasp comfort evaluation)

4 結(jié)論

本文立足于人機(jī)工效層面，運(yùn)用仿真、綜合評價方法針對牽引加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪輪徑、安裝軸線高差、握柄截面尺寸展開研究，對結(jié)果討論分析由此提出優(yōu)化設(shè)計策略；依托動態(tài)行為姿勢評估與靜態(tài)抓握感受評價維度梳理并構(gòu)建瞄準(zhǔn)機(jī)手輪要素工效評估與優(yōu)化理論模型。得到以下主要結(jié)論：

1)人機(jī)仿真評估結(jié)果表明，瞄準(zhǔn)機(jī)手輪尺寸優(yōu)化設(shè)計中：若對輪徑、安裝軸線高差均無特殊約束與限制，應(yīng)優(yōu)先參考樣本8，采用250 mm的輪徑且軸線高差為200 mm；若以上二者尺寸有相應(yīng)限制條件設(shè)計時應(yīng)在約束范圍內(nèi)篩選，并參考最優(yōu)者的尺寸參數(shù)。

2)人機(jī)綜合評價結(jié)果表明：若瞄準(zhǔn)機(jī)手輪握柄采用紡錘形、圓柱形、梨形方式，截面直徑優(yōu)化中均優(yōu)先參考30 mm；若采用錐形方式截面直徑優(yōu)先參考34 mm；此外針對手部尺寸較大或較小的人群可有彈性地調(diào)整截面直徑。4種造型的握柄相比較，紡錘形、圓柱形、梨形略優(yōu)于錐形，短時高強(qiáng)度操作任務(wù)中應(yīng)優(yōu)先考慮紡錘形、梨形握柄，長時連續(xù)操作任務(wù)時則優(yōu)先考慮圓柱形握柄。

3)以設(shè)計策略為指導(dǎo)可對瞄準(zhǔn)機(jī)手輪尺寸優(yōu)化設(shè)計。在繁重、高強(qiáng)度的牽引火炮瞄準(zhǔn)操作中，有效降低手部、上肢、肩部、背部疲勞速度與受傷概率，炮手無需高頻率改變或調(diào)整操作姿勢；提升人機(jī)工效與操作舒適度，有助于火炮快速、精確地瞄準(zhǔn)。

4)探索性地提出瞄準(zhǔn)機(jī)手輪要素評估與優(yōu)化理論模型，以期為其他武器裝備操作的人機(jī)工效評估提供借鑒與參考，后續(xù)評估中可依據(jù)具體操作姿勢適當(dāng)考慮加入軀干、臂部、膝蓋、腳踝等部位的承載力指標(biāo)，使評估結(jié)果更加細(xì)化、多樣。

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