王緣，王亞平，徐誠

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

射擊精度是槍械的一個(gè)重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo).對(duì)于手持射擊的步槍來說，除了槍械本身的結(jié)構(gòu)會(huì)影響射擊精度外，射手的動(dòng)作行為也起到很關(guān)鍵的作用.槍械結(jié)構(gòu)參數(shù)如槍托長(zhǎng)度、握把形狀、重量和重心位置等會(huì)改變射擊姿態(tài)，從而對(duì)生物響應(yīng)和射擊精度產(chǎn)生影響.因此在射擊全過程中對(duì)人槍動(dòng)態(tài)響應(yīng)和內(nèi)在機(jī)理的研究將為優(yōu)化槍械人機(jī)工效設(shè)計(jì)和提高射擊精度提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐.

國內(nèi)外對(duì)人槍相互作用現(xiàn)象和規(guī)律開展了大量研究.主要分為兩種方法：通過試驗(yàn)方法研究槍械設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)人體肌肉疲勞和射擊精度的影響和建立人槍相互作用模型與仿真分析.如王亞平等[1]利用ADAMS建立了人槍相互作用多剛體模型，分析了槍械結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)人槍系統(tǒng)的影響；楊帆等[2]和金鑫等[3]用LifeMod/ADAMS分析了槍械沖擊作用下人體右肩、抵肩和胸關(guān)節(jié)等受力特性；Choi等[4]和Lee等[5]建立了人體有限元模型，分析了射擊沖擊作用下產(chǎn)生的人體最大壓力和肩部位移；楊洋等[6-9]用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)AnyBody人體仿真模型，分析了手槍和步槍連續(xù)射擊時(shí)肌肉激活程度和人體主動(dòng)控制下的響應(yīng)情況. 以上工作對(duì)研究射擊過程中人槍動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具有重要的指導(dǎo)意義，但上述研究未考慮瞄準(zhǔn)階段姿態(tài)穩(wěn)定性和肌肉疲勞對(duì)射擊階段，特別是首發(fā)的射擊表現(xiàn)的影響；未深入研究影響三發(fā)點(diǎn)射散布的內(nèi)在機(jī)理和傳遞關(guān)系，如上肢肌肉群的疲勞和發(fā)力、關(guān)節(jié)角度響應(yīng)、人槍壓力中心穩(wěn)定性、槍械運(yùn)動(dòng)等對(duì)射擊散布的影響規(guī)律和相關(guān)性等.

本文采用綜合試驗(yàn)測(cè)試方法，采集了人體關(guān)節(jié)角度變化和槍械運(yùn)動(dòng)、人體上肢主要肌肉響應(yīng)、人槍壓力中心變化軌跡等，獲得了步槍立姿無依托瞄準(zhǔn)—射擊過程中人槍動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，分析了槍托長(zhǎng)度對(duì)點(diǎn)射散布影響的內(nèi)在機(jī)理，為人槍系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、槍械人機(jī)工效設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案

所選測(cè)試槍支為配有伸縮槍托的M4卡賓槍，試驗(yàn)設(shè)置槍托長(zhǎng)度分別為25.4和17.4 cm(到握把的握持長(zhǎng)度分別為35和27 cm)，分別稱為長(zhǎng)槍托和短槍托. 試驗(yàn)選擇3名有經(jīng)驗(yàn)的男性射手作為測(cè)試者，身高(175±5)cm，年齡(27±3)歲，體重(78±5)kg. 所有測(cè)試者均身體健康，右利手，無任何神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)方面的疾病. 試驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)100 m靶道，充足自然光照射，溫度為20 ℃.

試驗(yàn)前，令每名射手先熟悉環(huán)境與步槍，進(jìn)行多次三發(fā)點(diǎn)射射擊. 正式試驗(yàn)時(shí)，射手在聽到“開始”口令后，執(zhí)行從自由持槍狀態(tài)到瞄準(zhǔn)、射擊、再瞄準(zhǔn)和恢復(fù)自由站立狀態(tài)的動(dòng)作. 每名射手分別在兩種槍托長(zhǎng)度下進(jìn)行10組三發(fā)點(diǎn)射，為避免疲勞每組試驗(yàn)間隔5 min.

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

采用Codamotion三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取人體上肢關(guān)節(jié)、背部、腰部及槍械特征點(diǎn)的位置、速度、關(guān)節(jié)角度和角速度參數(shù)，用于描述人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng). 采樣頻率為200 Hz，按照?qǐng)D1分別設(shè)置人體上的12個(gè)特征點(diǎn)和槍上的1個(gè)特征點(diǎn).

采用Delsys表面肌電測(cè)試系統(tǒng)獲取上肢主要肌肉的肌電信號(hào)，用于說明肌肉疲勞和激活程度. 采樣頻率為1 000 Hz，參照已有研究選取上肢肌肉如表1所示，傳感器位置參照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[8].

表1 測(cè)試選取的上肢肌肉

采用RSscan International足底壓力測(cè)試系統(tǒng)采集人槍壓力中心的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，用于描述人槍系統(tǒng)穩(wěn)定性，采樣頻率為100 Hz.

足底壓力測(cè)試系統(tǒng)、表面肌電系統(tǒng)與三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)同步觸發(fā)，保證數(shù)據(jù)的同步性.標(biāo)準(zhǔn)半身環(huán)靶放置在50 m位置以獲取三發(fā)點(diǎn)射散布數(shù)據(jù)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示.

1.3 分析方法與參數(shù)

采用Kappa檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的一致性分析，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行不同槍托長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的差異性分析，皮爾森相關(guān)分析進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，給定的顯著性水平為0.05.

本文采用了以下分析參數(shù)：

① 特征點(diǎn)空間坐標(biāo)位置：步槍和射手身體上的特征點(diǎn)空間坐標(biāo)位置用于描述射擊全過程中人—槍運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，單位mm.

② 槍械運(yùn)動(dòng)速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)槍械上特征點(diǎn)位置的變化，單位為mm/ms.

③ 關(guān)節(jié)角度：關(guān)節(jié)特征點(diǎn)連線構(gòu)成肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和肩的屈伸角度，單位為(°).

④ 關(guān)節(jié)角速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)關(guān)節(jié)角度的變化，單位為(°)/ms.

⑤ 肌肉貢獻(xiàn)率：由各肌肉平均振幅RMS除以所有通道總幅值所得，單位%.

⑥ 積分肌電值iEMG：在一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位放電總量，表征肌肉激活程度，單位為μV·s.

⑦ 中值頻率FM：表面肌電信號(hào)快速傅里葉轉(zhuǎn)換得到的頻域指標(biāo)，用以描述肌肉疲勞程度，F(xiàn)M越小說明肌肉越疲勞，單位為Hz.

⑧ 人槍壓力中心晃動(dòng)幅值XCOF、YCOF：反映足底壓力板對(duì)射手垂直反作用力中心點(diǎn)位置的最大變化，X方向?yàn)樯鋼舴较?，Y為與射擊方向垂直的左右方向，單位為mm.

⑨ 人槍壓力中心變化標(biāo)準(zhǔn)差：反映人槍壓力中心點(diǎn)變化的離散程度，描述系統(tǒng)穩(wěn)定性.

⑩ 人槍壓力中心平均晃動(dòng)速度v：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)壓力中心晃動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度，單位為mm/ms.

2 射擊效率分析

通過數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)，可知三位射手人槍壓力中心、運(yùn)動(dòng)、肌電特性具有較好的一致性(假設(shè)檢驗(yàn)中的P<0.01)，下面以典型樣本為例進(jìn)行分析說明.

本文將采用出槍時(shí)間、瞄準(zhǔn)時(shí)間、射擊準(zhǔn)確度和三發(fā)點(diǎn)射散布來表征射擊效率.

表2中列出不同槍托下射擊效率的結(jié)果，可看出，兩種不同槍托長(zhǎng)度導(dǎo)致出槍時(shí)間和三發(fā)射擊準(zhǔn)確度存在顯著性差異，短槍托時(shí)出槍時(shí)間顯著下降了23.7%，平均彈著點(diǎn)至瞄準(zhǔn)點(diǎn)距離增加了39.8%. 不同槍托長(zhǎng)度對(duì)瞄準(zhǔn)時(shí)間和三發(fā)點(diǎn)射散布沒有造成顯著性差異. 短槍托時(shí)，出槍變快，但射擊準(zhǔn)確度下降.

表2 不同槍托長(zhǎng)度對(duì)射擊效率影響

本試驗(yàn)所選取的長(zhǎng)槍托為射手主觀認(rèn)為的最舒適位置，處于推薦范圍內(nèi)；短槍托為射手主觀認(rèn)為的最疲勞位置，短于已有研究的槍托長(zhǎng)度. 射手主觀認(rèn)為短槍托時(shí)肌肉疲勞程度增加，射擊表現(xiàn)變差，與試驗(yàn)結(jié)果相符.

影響射擊表現(xiàn)的是擊發(fā)前瞄準(zhǔn)和射擊階段，不同槍托長(zhǎng)度下，這兩個(gè)階段人槍相互作用及影響機(jī)理不同，因此本文下面分別對(duì)瞄準(zhǔn)和射擊階段進(jìn)行具體分析.

3 瞄準(zhǔn)階段分析

本文射擊試驗(yàn)中要求射手站姿持槍瞄準(zhǔn)后擊發(fā)，導(dǎo)致射擊前的瞄準(zhǔn)時(shí)間不同，因此這里取擊發(fā)前1 s過程進(jìn)行分析.

3.1 人槍壓力中心晃動(dòng)響應(yīng)

從以往的試驗(yàn)與文獻(xiàn)可知，左右腳壓差取決于被試者自身的調(diào)節(jié)能力，在射擊全過程中無明顯變化規(guī)律，因此主要對(duì)人槍壓力中心晃動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3 瞄準(zhǔn)階段人槍壓力中心晃動(dòng)所示.

表3 瞄準(zhǔn)階段人槍壓力中心晃動(dòng)Tab.3 The man-rifle pressure center of fluctuation in aiming stage

在瞄準(zhǔn)階段，人槍壓力中心在射擊方向上的晃動(dòng)幅值XCOF與首發(fā)射擊準(zhǔn)確度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.726，P=0.018)，射擊方向上晃動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差與首發(fā)射擊準(zhǔn)確度也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.734，P=0.014). 人槍壓力中心在左右方向上的晃動(dòng)幅值YCOF和標(biāo)準(zhǔn)差均與首發(fā)射擊準(zhǔn)確度無關(guān)(P=0.210，P=0.072>0.05).

因此，人槍壓力中心在射擊方向上的晃動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差更能反映首發(fā)射擊準(zhǔn)確度，對(duì)首發(fā)彈著點(diǎn)影響最大. 兩種槍托下在射擊方向上晃動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和XCOF均沒有差異，首發(fā)射擊準(zhǔn)確度也沒有差異，說明瞄準(zhǔn)階段中人槍系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)槍托長(zhǎng)度變化不敏感.

3.2 上肢各肌群響應(yīng)

肌電信號(hào)振幅越大，說明肌肉激活程度越大，相對(duì)肌力也越大. 對(duì)瞄準(zhǔn)過程中原始肌電圖進(jìn)行濾波(帶通，50～350 Hz)和整流處理，得到瞄準(zhǔn)階段上肢各主要肌群貢獻(xiàn)率.

從上肢各肌群貢獻(xiàn)率可知，瞄準(zhǔn)過程中主要發(fā)力肌群為左右臂肱橈肌、斜方肌和肱二頭肌，主要肌群在長(zhǎng)槍托和短槍托下的總貢獻(xiàn)率分別為88.8%和89.2%. 如圖3所示，槍托變短時(shí)，各肌群貢獻(xiàn)率變化最大的為右臂肱二頭肌，下降了45.4%，具有顯著性差異(P=0.000).

由于每次試驗(yàn)瞄準(zhǔn)時(shí)間不同，無法使用積分肌電值進(jìn)行比較，采用表征肌肉疲勞程度的頻域指標(biāo)中位頻率FM進(jìn)行分析.

小肌肉群中，貢獻(xiàn)率下降了8.8%的左肩三角肌中束FM與首發(fā)射擊準(zhǔn)確度顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.699，P=0.036)，與三發(fā)點(diǎn)射散布顯著正相關(guān)(r=0.714，P=0.031). 因此在瞄準(zhǔn)過程中，左肩三角肌中束FM低則肌肉疲勞，導(dǎo)致首發(fā)射擊準(zhǔn)確度下降和三發(fā)點(diǎn)射散布變差.

3.3 關(guān)節(jié)角度響應(yīng)

由于射手臂長(zhǎng)不同，僅用槍托長(zhǎng)度或握持長(zhǎng)度去判定人體動(dòng)態(tài)響應(yīng)是不準(zhǔn)確的，因此本文采用左、右肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)角度和右臂與軀干夾角來描述槍托長(zhǎng)度對(duì)射手產(chǎn)生的影響.

如圖4所示，瞄準(zhǔn)階段右臂與軀干夾角對(duì)槍托長(zhǎng)度變化敏感(P=0.000)，長(zhǎng)槍托時(shí)夾角為30°左右，而短槍托時(shí)夾角下降為20°左右.

瞄準(zhǔn)階段中，右肘關(guān)節(jié)角度與右肩三角肌中束FM(r=0.644，P=0.031)和左肩三角肌中束FMZ(r=0.584，P=0.049)均顯著相關(guān)，槍托變短引起右肘關(guān)節(jié)角度變小，右臂穩(wěn)定性變?nèi)醵蟊垩a(bǔ)償發(fā)力，左肩三角肌中束相應(yīng)變得疲勞，導(dǎo)致射擊表現(xiàn)下降，與前述肌肉分析規(guī)律一致.

4 射擊階段分析

4.1 人槍壓力中心晃動(dòng)響應(yīng)

人槍壓力中心在射擊方向上向后的位移與槍械向后位移顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.825，P=0.000)，人槍壓力中心向右的位移與槍向右運(yùn)動(dòng)位移也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.735，P=0.000). 說明在射擊過程中，人槍壓力中心的移動(dòng)方向與槍的運(yùn)動(dòng)方向相反，槍械向右運(yùn)動(dòng)而人槍壓力中心向左運(yùn)動(dòng)，槍械后移而人槍壓力中心向前運(yùn)動(dòng)，與已有研究規(guī)律一致[9].

射擊過程中槍械對(duì)人體的作用力通過上肢、骨盆最后傳遞到下肢，射擊過程中人槍壓力中心的速度變化不能辨識(shí)出三個(gè)射擊循環(huán)，不具備三發(fā)規(guī)律性(如圖5所示)，人槍壓力中心相關(guān)參數(shù)與射擊散布無顯著相關(guān)性.

4.2 上肢各肌群響應(yīng)

從上肢各肌肉貢獻(xiàn)率(圖6)看出，與瞄準(zhǔn)階段相同，點(diǎn)射過程中主要發(fā)力肌群為左右臂肱橈肌、斜方肌和肱二頭肌，主要肌群在長(zhǎng)槍托和短槍托下總貢獻(xiàn)率分別為87.6%和88.3%. 短槍托時(shí)，右臂肱二頭肌和右肩斜方肌的肌肉貢獻(xiàn)率發(fā)生顯著變化(P=0.000)，較長(zhǎng)槍托時(shí)分別下降了31.7%和增加了17.7%. 與瞄準(zhǔn)階段相比，射擊階段中右肩斜方肌貢獻(xiàn)率增加，其作用是在射擊時(shí)穩(wěn)定肩胛骨使肩部不晃動(dòng).

由于射擊階段內(nèi)肌肉是快速響應(yīng)，肌電信號(hào)幅值變化很大，不能采用中位頻率值描述肌肉疲勞. 而三發(fā)點(diǎn)射過程總時(shí)長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)定，因此采用積分肌電值iEMG描述肌肉活動(dòng)狀態(tài).

右臂肱二頭肌iEMG與三發(fā)點(diǎn)射散布呈顯著正相關(guān)(r=0.637，P=0.035)，右臂肱三頭肌iEMG與三發(fā)點(diǎn)射散布呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.742，P=0.009).其中，右臂肱三頭肌iEMG與平均彈著點(diǎn)距瞄準(zhǔn)點(diǎn)在水平方向上偏移距離呈顯著正相關(guān)(r=0.939，P=0.036).

因此，在槍托長(zhǎng)度變化下最能反映點(diǎn)射散布的特征量為右臂肱三頭肌積分肌電值，對(duì)水平方向射擊準(zhǔn)確度影響最大.

4.3 關(guān)節(jié)角度響應(yīng)

射擊階段中，人體承受槍械作用力導(dǎo)致射擊姿態(tài)發(fā)生變化，用射擊過程中關(guān)節(jié)角度變化、速度和變化幅值來表征人體響應(yīng).

如圖7所示，右肘關(guān)節(jié)角度變化與槍械在射擊方向上位移顯著相關(guān)(r=0.860，P=0.000)，射擊過程中，總體上槍械后移距離變大，右臂與軀干夾角變小導(dǎo)致右肘關(guān)節(jié)角度隨之變大. 彈丸出槍口和后坐到位撞擊后，右肘關(guān)節(jié)角度在經(jīng)過15～20 ms內(nèi)達(dá)到最小值.

右肘關(guān)節(jié)角速度和槍械的后移速度也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.984，P=0.002). 在一個(gè)射擊循環(huán)過程中，彈丸出槍口時(shí)槍械后移速度最大，右肘關(guān)節(jié)角度減小的速度也最大，其次為槍機(jī)后坐到位撞擊導(dǎo)致槍械后移速度變大，右肘關(guān)節(jié)角度減小的速度也變大，槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位撞擊時(shí)槍械向前速度變大，右肘關(guān)節(jié)角度增加的速度也相應(yīng)變大.

射擊初始時(shí)右臂與軀干的夾角與右臂肱三頭肌iEMG顯著相關(guān)(r=-0.902，P=0.036)，初始右臂與軀干的夾角越小，射擊時(shí)肱三頭肌發(fā)力也就越大，從而導(dǎo)致三發(fā)點(diǎn)射散布變差.

左肘關(guān)節(jié)角度變化幅值與右臂肱三頭肌iEMG顯著相關(guān)(r=0.790，P=0.006)，與三發(fā)點(diǎn)射散布也為顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.601，P=0.044),如表4所示.

表4 不同槍托位置下關(guān)節(jié)角度變化幅值Tab.4 The amplitude of joint angle in different buttstock length

射擊階段中槍托變?yōu)樽疃虝r(shí)，右肘和右臂與軀干夾角下降，導(dǎo)致右臂肱二頭肌不易發(fā)力，左肘關(guān)節(jié)角度變化幅值增加，說明左臂不穩(wěn)定性增加.導(dǎo)致右臂肱三頭肌補(bǔ)償左右臂的不穩(wěn)定性而承擔(dān)抵抗后坐力和控制散布的作用，右臂不穩(wěn)定而右臂肱三頭肌積分肌電值顯著增加，導(dǎo)致三發(fā)點(diǎn)射散布變差.

5 結(jié) 論

本文研究了瞄準(zhǔn)-射擊過程中人槍動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)不同槍托長(zhǎng)度所引起的關(guān)節(jié)角度不同會(huì)對(duì)射擊效率和人體生物響應(yīng)特性產(chǎn)生顯著影響，揭示了影響三發(fā)點(diǎn)射散布的內(nèi)在機(jī)理. 主要結(jié)論如下：

① 擊發(fā)前1 s的瞄準(zhǔn)階段，人槍壓力中心在射擊方向上晃動(dòng)幅度(COFx)越大、分布越離散說明人槍系統(tǒng)越不穩(wěn)定，首發(fā)射擊準(zhǔn)確度越低. 射擊過程中，人槍壓力中心的移動(dòng)方向與槍的運(yùn)動(dòng)方向相反.

② 瞄準(zhǔn)和射擊階段主要發(fā)力肌群為左右臂肱橈肌、斜方肌和肱二頭肌. 與瞄準(zhǔn)階段相比，射擊階段中右肩斜方肌貢獻(xiàn)率增加，其作用是穩(wěn)定肩胛骨使肩部不晃動(dòng). 瞄準(zhǔn)階段，左肩三角肌中束越疲勞，首發(fā)射擊準(zhǔn)確度越低. 射擊過程中，右臂肱二頭肌發(fā)力越小，右臂肱三頭肌補(bǔ)償發(fā)力就越大，右臂不穩(wěn)定性增加而三發(fā)點(diǎn)射散布變差.

③ 兩種不同槍托長(zhǎng)度導(dǎo)致出槍時(shí)間和射擊準(zhǔn)確度存在顯著性差異，短槍托時(shí)出槍時(shí)間、瞄準(zhǔn)時(shí)間、射擊準(zhǔn)確度和三發(fā)點(diǎn)射散布均有變差. 對(duì)槍托長(zhǎng)度變化最敏感的參數(shù)是右肘關(guān)節(jié)角度和右臂與軀干夾角，而在槍托長(zhǎng)度變化下最能反映三發(fā)點(diǎn)射散布的特征量為右臂肱三頭肌積分肌電值. 短槍托時(shí)，右肘角度變小使得瞄準(zhǔn)階段左肩三角肌中束疲勞，導(dǎo)致首發(fā)射擊準(zhǔn)確度下降；右臂與軀干夾角變小使得射擊過程中肱二頭肌不易發(fā)力，右臂肱三頭肌補(bǔ)償發(fā)力而穩(wěn)定性差，三發(fā)點(diǎn)射散布變差.