易慎光，談樂斌，潘孝斌，陳元泰，單文澤

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

JACK 是一個(gè)廣泛應(yīng)用于提升產(chǎn)品人因工效學(xué)設(shè)計(jì)的人體建模仿真系統(tǒng)，由賓夕法尼亞大學(xué)的人體建模仿真中心在20 世紀(jì)80年代開發(fā)而成，被認(rèn)為是目前最成功的工效學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。它包含了上萬人的基本人體測量數(shù)據(jù)、關(guān)節(jié)柔韌性、健康狀況、勞累程度、和視力限制等醫(yī)學(xué)及生理學(xué)參數(shù)，可以根據(jù)用戶參數(shù)的設(shè)定生成不同類型、不同性別、不同大小的虛擬人體模型，主要用于多約束分析、人的因素分析、視場分析等［1-2］。

某車載速射迫擊炮的高低機(jī)和方向機(jī)手輪為單人操作，在射擊過程中，炮手需要通過不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使炮口指向打擊目標(biāo)。在傳統(tǒng)火炮方向機(jī)和高低機(jī)設(shè)計(jì)、裝配和維護(hù)中，設(shè)計(jì)人員往往重點(diǎn)考慮的是產(chǎn)品功能和性能指標(biāo)要求，而沒有足夠地考慮人機(jī)關(guān)系，忽略了人的生理、心理特點(diǎn)和工作能力極限，降低了炮手操作的舒適性和工作效率。因此，有必要將JACK 虛擬技術(shù)應(yīng)用于某車載速射迫擊炮的手輪設(shè)計(jì)中，避免炮手操作過程中腕部、肘部、肩部、腰部等部位過度疲勞，從而增加炮手操作的安全性和舒適性。

1 手輪工效分析流程

對(duì)于炮手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪過程進(jìn)行人機(jī)工效分析，首先需要建立人機(jī)工效分析的基礎(chǔ)模型，某車載速射迫擊炮操作臺(tái)虛擬模型和炮手人體模型［3］。之后，進(jìn)行炮手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪過程的運(yùn)動(dòng)仿真，通過運(yùn)動(dòng)仿真，可以在靜態(tài)姿勢(shì)下對(duì)可達(dá)性和舒適性進(jìn)行分析，此外，還需分析炮手在操作過程中肩部、腕部、腰部等部位的受力。如圖1 所示為手輪人機(jī)工效分析流程圖。

圖1 手輪人機(jī)工效分析流程

2 手輪工效分析基礎(chǔ)

2.1 建立虛擬炮手模型

針對(duì)某車載速射迫擊炮的手輪尺寸及空間布局與人的生理關(guān)系，分析不同百分位的炮手和手輪尺寸及空間布局之間的人機(jī)工效情況［4］。根據(jù)GJB2873—1997 建立18 ～45歲、身高1 620 mm 以上的男性人體模型及18 ～40 歲、身高1 580 mm 以上的女性人體模型，其身高如表1 所示。

表1 人體身高mm

對(duì)手輪進(jìn)行人機(jī)工效分析時(shí)，以第5 百分位的人體尺寸作為設(shè)計(jì)下限，以第95 百分位的人體尺寸作為設(shè)計(jì)上限。研究第5 至第95 百分位的人體，即可滿足絕大部分人體的設(shè)計(jì)要求。本文選取P5、P50、P95的人體作為研究對(duì)象。

2.2 手輪人機(jī)工效分析模型

某車載速射迫擊炮的高低機(jī)手輪及方向機(jī)手輪的直徑分別為190 mm 和100 mm，且高低機(jī)手輪采用手輪平面與水平面垂直的方式放置，方向機(jī)手輪采用手輪平面與水平面平行的方式放置。在三維軟件Pro/E 中建立高低機(jī)和方向機(jī)的三維優(yōu)化模型(即在不影響使用JACK 軟件進(jìn)行人機(jī)工效分析的前提下，對(duì)手輪模型進(jìn)行優(yōu)化)，將三維模型轉(zhuǎn)化為JACK 支持的wrl 格式，然后導(dǎo)入JACK 中進(jìn)行某車載速射迫擊炮的手輪人機(jī)工效分析。

3 手輪工效分析內(nèi)容

3.1 可達(dá)域分析

針對(duì)炮手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪過程進(jìn)行可達(dá)性分析，分別選取炮手左右手掌心作為軌跡點(diǎn)，創(chuàng)建炮手掌心位置最大可達(dá)域的包絡(luò)線［5］，如圖2 所示。

本文分別選取高低機(jī)手輪軸線高度為33.55 cm、43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 作為研究對(duì)象。分別對(duì)于第5、第50、第95 百分位的人體進(jìn)行可達(dá)域分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于P5的人體，當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度處于33.55 cm時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程不在其可達(dá)域范圍內(nèi)，而當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度處于43.55 cm 時(shí)，炮手需要彎腰約40°才可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度為53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 時(shí)，炮手可以以正常坐立姿勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。對(duì)于P50及P95人體，當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度處于33.55 cm 時(shí)，炮手需要彎腰操作，而當(dāng)當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度處于43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 時(shí)，炮手可以保持正常坐立姿勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。

圖2 右手可達(dá)區(qū)域

3.2 工作姿勢(shì)分析

炮手操作時(shí)的姿勢(shì)可能對(duì)炮手造成損害或傷害，不同的操作姿勢(shì)會(huì)對(duì)炮手背部、手部和腿部負(fù)荷造成影響，從而影響其操作的舒適度。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)高低機(jī)手輪軸線高度為33.55 cm 時(shí)，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)135 ～225°時(shí)，炮手的OWAS 評(píng)級(jí)為3 級(jí)(1 級(jí)說明姿勢(shì)正常，2 級(jí)說明姿勢(shì)有一定的不良影響，3 級(jí)說明姿勢(shì)有不良影響，4 級(jí)說明姿勢(shì)非常有害)，如圖3 所示，說明該姿勢(shì)對(duì)炮手有不良的影響，需要進(jìn)行糾正。當(dāng)手輪高度大于43.55 cm 時(shí)，炮手的OWAS 評(píng)級(jí)為2 級(jí)，說明該姿勢(shì)對(duì)炮手可能會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

圖3 炮手工作姿勢(shì)評(píng)價(jià)

4 炮手受力分析

4.1 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型，計(jì)算L4/L5 脊椎處的壓力，并將這個(gè)壓力和NIOSH(搬運(yùn)受力分析)的推薦壓力及極限壓力進(jìn)行比較［6-7］。3400N 是NIOSH 標(biāo)準(zhǔn)給出的背部壓力的推薦力，當(dāng)下背部壓力超過這個(gè)值就意味著該動(dòng)作會(huì)增大少部分人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

將炮手轉(zhuǎn)動(dòng)某車載速射迫擊炮高低機(jī)手輪的過程進(jìn)行分解，分別研究手輪在轉(zhuǎn)動(dòng)0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時(shí)炮手的下背部受力狀況。在轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，炮手的右手承受69 N 的手輪力［8］。可以從圖4、圖5、圖6 中看出，當(dāng)炮手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)，第50 百分位及第95 百分位人體的下背部受力呈現(xiàn)曲線變化，且當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，炮手的下背部承受的力最大;而當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)到270°時(shí)，炮手的下背部承受的力最小。當(dāng)把高低機(jī)手輪的軸線高度(手輪的軸線高度為手輪軸線至腳踏底板的垂直高度)由33.55 cm 分別調(diào)至43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 時(shí)，炮手的下背部受力變化依然呈現(xiàn)上述變化。

圖4 第5 百分位人體下背部受力

圖5 第50 百分位人體下背部受力

圖6 第95 百分位人體下背部受力

可以看出，炮手下背部所承受的壓力最大不超過2 500 N，小于NIOSH 標(biāo)準(zhǔn)給出的背部壓力的推薦值(3 400 N)。這說明當(dāng)炮手右手承載69 N 的手輪力，并保持坐立姿勢(shì)操作手輪時(shí)，炮手的下背部受傷的風(fēng)險(xiǎn)較小。

4.2 肩部受力分析

本文選取P5、P50和P95的人體作為研究對(duì)象，研究手輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程對(duì)于炮手的右肩部承載能力產(chǎn)生的影響。肩部承載能力百分比越高，說明能夠在該姿勢(shì)強(qiáng)度下完成工作的人員的百分?jǐn)?shù)越高。從圖7、圖8、圖9 可以看出，隨著手輪軸線高度的變化，炮手右肩部的承載能力也出現(xiàn)明顯變化。對(duì)于第5 百分位的人體，當(dāng)手輪軸線高度處于43.55 ～53.55 cm 時(shí)，炮手的右肩部承載能力較好; 對(duì)于第50 百分位的人體，當(dāng)手輪軸線高度處于33.55 ～63.55 cm 時(shí)，炮手的右肩部承載能力較好;對(duì)于第95 百分位的人體，當(dāng)手輪軸線高度處于43.55 ～53.55 cm 時(shí)，炮手的右肩部承載能力較好。

圖7 第5 百分位人體右肩部承載能力百分比

圖8 第50 百分位人體右肩部承載能力百分比

圖9 第95 百分位人體右肩部承載能力百分比

4.3 正反轉(zhuǎn)對(duì)炮手受力的影響

炮手在操作某車載速射迫擊炮的高低機(jī)和方向機(jī)手輪時(shí)，需要正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)手輪，使得炮口指向目標(biāo)位置。本文選取第50 百分位的人體作為研究對(duì)象，研究當(dāng)手輪高度為43.55 cm 及手輪力為69 N 時(shí)，炮手的下背部及肩部受力變化。從圖10 可以看出，炮手的下背部受力呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)到0°及180°時(shí)，炮手所受手輪力方向相反，但下背部受力基本相同，這說明此時(shí)手輪力的方向?qū)τ谂谑窒卤巢康氖芰τ绊懖淮?而當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)到90°及270°時(shí)，這時(shí)炮手所受手輪力方向相反，其下背部受力變化也較大，說明此時(shí)手輪力的方向?qū)τ谂谑窒卤巢渴芰Φ挠绊懸草^大。從圖11 可以看出，炮手的肩部受力也呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且手輪力的方向變化對(duì)于炮手的肩部受力影響較大。

圖10 正反轉(zhuǎn)對(duì)下背部受力的影響

圖11 正反轉(zhuǎn)對(duì)肩部受力的影響

5 結(jié)論

本文應(yīng)用JACK 軟件對(duì)某車載速射迫擊炮的手輪進(jìn)行人機(jī)功效分析，經(jīng)過評(píng)估得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)炮手承受69 N 的手輪力時(shí)，其下背部受力均在NIOSH 標(biāo)準(zhǔn)給出的背部壓力的推薦值以內(nèi)。

2)對(duì)于P5、P50和P95的人體，手輪軸線高度為43.55 ～53.55 cm 時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程均在其可達(dá)域范圍內(nèi)，且炮手的右肩部承載能力最好。

3)該人機(jī)工效評(píng)估方法，也可用于其他各類武器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工效評(píng)估。

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