蘇 勝，王晗宇，史雪瑞

(西安工業(yè)大學，陜西 西安 710000)

使用計算機輔助人機仿真分析的人機評價方法正越來越多地應用到人機工程評價中來，在人機仿真測試與人體建模軟件中，JACK軟件是一款目前公認的優(yōu)秀人機功效分析軟件，其豐富與準確的人體數據庫與預設姿勢數據庫有效減少了人機仿真分析的工作量。該軟件的靜態(tài)與動態(tài)人機仿真功能均十分強大，并能給出專業(yè)的人機工效分析評價。

某型多管火箭炮是一種高性能武器系統(tǒng)。該火箭炮的特點是彈箭共架、通用發(fā)射，能夠實現(xiàn)中近程火力壓制或對目標進行精確打擊。作為一種新型產品，其內部的人機工程學性能就顯得尤為重要，筆者通過將該型火箭炮乘員艙設計的CAD模型導入JACK軟件，建立符合標準的數字人模型，對乘員艙設計方案進行舒適度分析、可達域分析、可視域分析，獲得了較為客觀的人機工程學評價結果，為以后的優(yōu)化設計改進提供了數據支持與方向。

與以往針對普通車輛駕駛室的人機模擬仿真測試不同，該火箭炮乘員艙可以看作是一個多操作人員的狹小工作環(huán)境，因此在測試時應當根據被測試方案本身的特性進行相應調整。

1 火箭炮乘員艙人機工程分析流程

1.1 火箭炮乘員艙布局

該型火箭炮乘員艙為3+1人布局，乘員組由駕駛員、炮長和裝填手3人組成，可臨時增加1名攜乘人員。駕駛員位于乘員艙內前排左側，負責車輛駕駛；炮長位于乘員艙前排駕駛員右側，負責武器操控；裝填手位于乘員艙后排駕駛員身后，負責發(fā)射間隙的再裝填。方向盤、變速桿和儀表顯示面板位于駕駛員周圍；火控終端為折疊形式，可收納于炮長座椅左側下方，使用時可伸展至炮長面前；電臺位于炮長面前的駕駛臺處。

1.2 虛擬仿真環(huán)境的建立

JACK可以直接由草圖建立模型，但是由于其建模功能不夠強大，因此首先使用SolidWorks對設計方案進行建模，并將文件轉換為.igs格式[1]。

JACK軟件的坐標系設置與建模軟件不同，因此在導入模型后需要對模型進行坐標轉換[2]。圖1為使用JACK軟件中的IMPORT工具將模型文件導入，在JACK中建立模擬仿真環(huán)境。

1.3 建立數字人體模型

在JACK軟件中提供了業(yè)界最為精確的人體生物力學模型，該模型包括運動學算法和生物力學算法。數字人由69個分段(segment)和68個關節(jié)(joint)組成，并且在建立數字人模型的過程中還可以自定義數字人模型身體的各個尺寸，最重要的特點是在JACK軟件中通過反向運動原理調節(jié)數字人模型，使得對數字人模型的調節(jié)更為智能便捷。在數字人的底層代碼中包含了大量的運動學公式，可用以定位和設置數字人姿勢。 設置數字人姿勢時，可以通過直接操縱關節(jié)或從姿勢庫(包含 30 個預定義姿勢)中選擇姿勢來改變數字人的姿勢[3]。

根據該火箭炮的特點，本次仿真驗證根據GJB 2873—1997[4]中國成年人人體尺寸建立P5、P50、P95的男性數字人模型，具體的人體尺寸如表1所示。

表1 中國成年男性主要身體尺寸

圖2為使用JACK軟件內的人體數據庫建立的我國18～25歲男性人體模型，從左向右依次為P5、P50、P95百分位的數字人模型。

依據駕駛員、炮手和裝填手的職責和分工，3人的工作姿勢有所不同：駕駛員需要在乘員艙內保持舒適駕駛姿勢，炮長在乘員艙內需要保持舒適工作姿勢，而裝填手屬于隨車人員，在艙內保持放松坐姿即可。

2 乘員艙人機工效分析

2.1 乘員艙內乘員姿勢的確定

乘員艙內3名乘員主要以坐姿進行操作，對于卡車類駕駛員最舒適的坐姿可以用各主要關節(jié)的角度進行表征：上身應略向后方傾斜，上身與大腿間夾角范圍為90°～115°，大腿與小腿間夾角范圍為90°～135°，小腿與腳掌間夾角范圍為90°～110°，綜合來看，從坐姿生理學的角度，應保證腰弧曲線正常；從坐姿生物力學角度，應保證肢體免受異常力作用[5]。

圖3為卡車類駕駛員舒適駕駛姿勢示意圖。根據乘員艙內3名乘員不同的工作性質，對數字人模型的姿勢進行調整，在結束調整之后將數字人H點與上一步已導入的模型內駕駛座椅標志點重合，即可完成對整個虛擬仿真環(huán)境的構建。

2.2 舒適度及下背部受力分析

駕駛座椅在乘員艙中的作用非常重要，好的駕駛座椅設計能夠使駕駛員在駕駛過程中操作方便、高效、不易疲勞，駕駛過程舒適、安全。駕駛座椅設計時需要考慮駕駛員在不同身材情況下的操作舒適度和視野要求，通常駕駛座椅設計要求前后及高低方向均可調整。座椅處于標準位置時應能夠滿足50%身材駕駛員的視野要求和舒適度要求，最高、最前調節(jié)座椅應滿足P5駕駛員的視野要求和舒適度要求，最低、最后調節(jié)座椅應滿足P95駕駛員的視野要求和舒適度要求。

在JACK軟件中，使用車輛分析工具(Occupant Packaging Toolkit，OPT)中的Comfort Assessment工具可以對乘員艙內乘員的舒適度進行分析。該工具提供了多種舒適度參考數據，根據該型號火箭炮本身的特點，乘員艙內的舒適度不僅僅與某個關節(jié)有關，而是和全身關節(jié)都相關，因此選用Krist數據，與OPT中其他數據相比，該數據不研究關節(jié)，而是研究整體姿勢。

Krist數據給出從0～80的一個數字作為舒適度的評分，分數值越低代表舒適度越大。該數據包含的主要人體數據有頸部、左右肩部、脊柱、髖關節(jié)、雙臂及雙腿。此外，F(xiàn)atigue一欄的分數指的是乘員感到疲勞的快慢，Comfort的分數則是對上述所有部位舒適度的綜合評估。

圖4為駕駛員舒適度分析結果，從圖中可以看到，駕駛員在肩部的數字較高，表明肩部舒適度較低，各項數據均處于可接受的舒適度范圍之內，但Shoulder(肩部)這一項的數值較大，該數值直接影響到了Fatigue和Comfort兩項的結果，導致舒適度評價相對較低且降低了該駕駛姿勢下所能維持的駕駛時間。因此，應當在駕駛座椅上設計可折疊扶手，便于駕駛員長時間駕駛時支撐手臂放松肩部。

圖5為炮長舒適度分析結果。對于炮長的測試結果可以看到，各項數值均保持較低水平，證明舒適度良好，且可保證長時間以該姿勢進行操控工作。

圖6為裝填手舒適度分析結果。裝填手處于放松坐姿狀態(tài)，各關節(jié)評價數值較低，證明舒適度良好。

Lower Back Analysis工具的原理是建立在生物學上人體的下背部受力模型，計算L4和L5節(jié)脊椎處所受到的壓力，并將其與軟件內所包含的NIOSH(美國職業(yè)安全與健康研究所)數據庫所給出的推薦值和極限值進行比較，據此判斷駕駛員使用某一座椅駕駛時的駕駛姿勢是否符合標準以及是否超過人體下背部受力極限進而導致受傷，并提出改進意見[6]。筆者使用該工具對駕駛員下背部受力進行分析。

分析時，給P95的數字人模型雙手施加20 N向正下方的載荷，模擬駕駛員在駕駛過程中手握方向盤的狀態(tài)，最終的分析結果如圖7所示。從圖中可以看到，L4和L5節(jié)脊椎處所受壓力和剪力均較低，說明駕駛員在駕駛過程中背部受力處于合理范圍之內，滿足駕駛舒適度的需求。由于炮長和裝填手在工作過程中不需長期抓握某一操作裝置，因此不對炮長和裝填手進行下背部受力分析。

2.3 可達域分析

該型號火箭炮駕駛員需要在駕駛過程中較為便捷地操控方向盤、變速桿以及駕駛臺上的操縱裝置；同時，該型火箭炮作為一種地面武器，位于副駕駛座椅的炮長在完成全部火箭彈發(fā)射工作的過程中也需要操縱電臺、火控終端等一系列設備，因此需要對二人的可達域進行分析。

JACK軟件中的Reach Zones可以生成一個著色區(qū)域，這個區(qū)域能夠描繪出被分析數字人模型的最大可觸及范圍。借助這個工具可以生成雙肩和腰部運動的聯(lián)合驅動最大可達區(qū)域，通過觀察該區(qū)域占據操作面板的大小，進而分析乘員艙內各設備的排布是否合理，操作人員能否方便快速地操作相關設備。

選擇身材較小的P5人體模型對可達域進行評估，駕駛員的可達域如圖8所示，以肩部作為基準點，駕駛員的可達域覆蓋所在位置駕駛臺大部分區(qū)域，將方向盤、變速桿等裝置包含其內。即表明駕駛員在不移動腰部的情況下，能夠方便操作大部分駕駛所需的設備。

圖9為炮長的可達域，折疊火控終端處于工作狀態(tài)時炮長的可達域完全覆蓋瞄準終端和駕駛臺放置電臺處，滿足操作需求；折疊火控終端處于折疊收納狀態(tài)時，炮長需側身彎腰才能觸及火控終端，因此可將折疊臂長度加長或設計為可伸縮式，方便炮長進行火控終端在收納狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的轉換動作。在一般工作狀態(tài)時二人的可達域互不干涉。因此操作臺的設計是合理的。

2.4 可視域分析

顯示面板是駕駛員在駕駛過程中最重要的人機交互界面，通過接收操控面板所提供的信息，駕駛員可以獲得車輛運行狀態(tài)、設備在運行中的各種參數，從而快速準確地完成各種操作。因此操控面板的設計應符合人的視覺特性，以減少誤讀概率。圖10為人眼與顯示面板的空間關系。

依據顯示面板設計的人機工程學原理: 顯示面板應位于操作人員頭部和雙眼的自然轉動范圍之內，以使操作人員在觀察過程中不必轉動頭部、眼睛和軀干即可看清顯示面板，一般最佳視距為560～ 760 mm 范圍內，其高度最好與眼平齊，板面上邊緣的視線與水平視線的夾角不大于 10°，下邊緣的視線與水平視線的夾角不大于 45°。儀表板應與操作者的視線成直角，至少不應小于60°，當操作者在正常坐姿下操作時，頭部一般略自然前傾，所以布置儀表板時應使板面相應傾斜。通常，儀表板與地面的夾角為60°～75°。根據視覺運動規(guī)律，儀表板面一般應呈左右方向為長邊的長方形形狀。最常用、最主要的儀表應盡可能安排在人的最優(yōu)視區(qū)，即視野中心3°范圍內[7]。

在JACK軟件中使用Viewcones工具，可以生成數字人在當前狀態(tài)下的錐形可視域，并且可以將鏡頭與數字人眼合并，顯示數字人在當前狀態(tài)下觀察到的區(qū)域。分析結果如圖11所示，駕駛員在舒適駕駛狀態(tài)下，主儀表區(qū)全部處在駕駛員可視域內，符合視野設計要求。位于副駕駛座椅的炮長處在工作姿態(tài)時，折疊火控終端也處于視野之內，說明設計也是合理的，但折疊火控終端處在視野偏下位置，在實際使用過程中，炮長需低頭才能將火控終端操控界面位于視野正中，說明火控終端折疊臂長度需調整。

3 結論

根據上述對乘員艙人機仿真分析，可以得出以下基本結論：

1)該型火箭炮乘員艙空間布局符合人機要求，駕駛員、炮長及裝填手在操作過程中舒適度良好。

2)各信息顯示及操控裝置全部處在駕駛員、炮長可視域、可達域內。

3)座椅設計基本滿足舒適度需要，但由于該型號火箭炮自身的結構特點，導致方向盤位置上升，駕駛員在駕駛過程中會由于肩部關節(jié)的抬升縮短保持駕駛姿勢的時間，未來仍有進一步優(yōu)化的空間。

4)建議將駕駛臺主交互面板角度進行調整，降低方向盤高度；增加座椅可調高度、設置扶手；重新分配乘員3人的工作職責，如把優(yōu)先操作較低的電臺等設備交由裝填手操作；乘員艙內還應設置存放個人裝具和槍械的收納空間。