任玉剛，李德威，高 翔，唐嘉陵，史先鵬，景春雷，楊 磊

(國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266061)

基于人機工程學的載人潛水器可棄壓載配重裝置計算機輔助設計研究

任玉剛，李德威，高 翔，唐嘉陵，史先鵬，景春雷，楊 磊

(國家深海基地管理中心，山東 青島 266061)

針對“蛟龍?zhí)枴笨蓷墘狠d配重裝置實際應用中存在的問題，運用人機工程學原理，開展了人機工程需求分析和總體設計。結合人機工程學設計標準，利用計算機輔助設計技術對“蛟龍?zhí)枴眽狠d配重裝置進行了改進設計，完成了“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器可棄壓載配重裝置從分析到設計的系列開發(fā)過程。研究方法可為人機工程學原理在海洋工程領域的應用提供借鑒。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器；可棄壓載配重裝置；人機工程學

0 引 言

人機工程學是研究人、機械及其工作環(huán)境之間相互作用的學科。該學科有機地融合了各相關學科的理論，不斷地完善其理論體系和研究方法，形成了一門研究和應用范圍都極為廣泛的綜合性學科。人機工程學在工程技術領域是目前研究的熱點性學科，為機械設計提供了科學的方法指導，大大地推動了機械設備在各行業(yè)中的應用[1-2]。

在載人航天工程領域，人機工程學在美國軍方應用最為先進，僅美國空軍的阿姆斯特朗實驗室就有數(shù)百個人機工程學研究專家。未來，載人航天領域將圍繞交互對接人工控制、出艙活動、空間站等任務進行，包括多通道整合工效學研究、新型交互設備的工效學設計、基于虛擬現(xiàn)實技術的人-機接口設計、面向航天環(huán)境因素模擬器的工效學研究等。

在海洋鉆井平臺上，海洋平臺控制室的設計中充分融入了人機工程學設計理念。控制室的座椅設計為仰角視角，姿態(tài)可調；操縱臺觸摸屏控制、控制椅兩側多功能組合操控手柄及按鈕手動控制多種模式實現(xiàn)；采用CATIA軟件對控制室進行三維(3D)建模并進行模擬分析，對內部顯示操縱裝置布置進行設計校核和模擬操控[3]。

在船舶與潛艇方面，目前許多國家都制定了針對海洋船舶的工效學設計體系，例如美國材料與試驗協(xié)會和美國國家標準學會均制定了海船人機工程學設計規(guī)程，在顯示器、駕駛室內各種駕駛和輔助設備、駕駛操作等方面都體現(xiàn)人機工程學的原則與要求。

在深海載人潛水器上，美國新“阿爾文”號載人潛水器的設計中充分融入了人機工程學的設計理念。例如，艙內座椅進行了重新設計，觀察窗的位置也將根據(jù)座椅進行調整；設計人員采用可觀性更強的顯示器取代開關面板與儀表盤，使操控與顯示全部數(shù)字化。此外，艙內的控制系統(tǒng)、燈光與成像系統(tǒng)、科考設備的人機界面等多個方面也都做了工效學改進。

隨著計算機技術的發(fā)展,人機工程不再局限于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累等應用范疇,而是充分利用計算機的高性能圖形計算能力建立3D 圖形化、交互式的虛擬環(huán)境與仿真評價平臺，計算機輔助人機工程設計(CAED)[4-5]應運而生?！膀札?zhí)枴? 000 m載人潛水器成功完成了應用航次，取得了豐碩的成果，引起了國內外海洋界的轟動。隨著載人潛水器海上應用的經驗積累，發(fā)現(xiàn)“蛟龍?zhí)枴北倔w某些設備設計欠人機化，給操作及保障工作帶來困擾。利用CAED方法可以快捷、高效地完成相關設備的改機設計，并建立一套高技術裝備研發(fā)-試驗-人機化改進的工作體系。在上述背景與思路下，本文圍繞“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器現(xiàn)有可棄壓載配重裝置在實際應用中存在的設計問題，對其進行了改進設計與優(yōu)化研究。

1 問題提出及方案設計

1.1 問題描述

如圖1所示，現(xiàn)有可棄壓載配重為整體安裝式，需人工將壓載重塊抬到載人潛水器底部甲板，利用經驗進行調整，最終將壓載機構送入導向機構，完成潛水器下潛準備。這種安裝方式存在安裝效率低下、安裝過程危險等欠人性化設計缺陷，因此需要開展可棄壓載配重裝置的改進設計與優(yōu)化研究，使可棄壓載配重裝置達到人與物的完美協(xié)調，既能優(yōu)化原有裝置的設計缺陷、提高工作效率，又能改善工作環(huán)境、保障人員安全。結合課題組人員海上工作實踐，在充分了解設計項目的工作流問題及人員的操作問題后，提出原裝置的問題及解決方案。以人為中心，研究設計符合人機工程學原則[6-7]的載人潛水器可棄壓載配重裝置，改變了傳統(tǒng)的深海載人潛水器壓載重塊的整體式安裝結構，采用分片式結構，使壓載重塊利于人員單手操作，采用組合安裝方式，把人-機-環(huán)境作為一個統(tǒng)一的整體來研究，創(chuàng)造最適合于人的作業(yè)環(huán)境。

圖1 “蛟龍?zhí)枴眽狠d配重塊安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of droppable ballast device on the Jiaolong manned submersible

1.2 方案設計

本項目擬采用的技術路線如圖2所示，主要研究步驟如下。

(1)概念性設計研究：全面分析壓載配重作業(yè)過程的工作內容和流程，分析實際問題，確定可棄壓載配重裝置人機工程學設計要求。

(2)初步及詳細設計研究：明確可棄壓載裝置的各種限制條件，確定各類設施設計的極限百分比，對各類設施的功能特性、設計限度及安裝人員的能力限度進行分析。

(3)集成設計研究：集成上述研究結果，對設計方案進行集成制造、組裝、調試，并進行總體分析與全面論證，確保各類設施能夠協(xié)同配合。

(4)評價與問題改進：充分采用主觀詢問調查、性能指標測試、仿真模型模擬等各種評價方法對環(huán)境要素單體及所構成的環(huán)境系統(tǒng)的可靠性、可行性、可維護性、操作方便程度、使用效率、性能價格比等進行評價，并預測可能出現(xiàn)的問題，提出改進意見并進行修改完善。

(5)方案定型：復核相關設計尺寸，完善設計方案，對試制產品進行全面的人機工程學標準復核，最終形成設計任務書與使用說明書，進行相關研究成果試制。

圖2 人機工程輔助設計系統(tǒng)框架模型Fig.2 Fundamental frame of computer aided ergonomics design

2 關鍵技術與方法

2.1 人機工程學標準

采用理論標準、直觀體驗與人-機交互設計三者相結合的方法進行研究[8]。

(1) 理論標準：以全國人類工效學標準化技術委員會組織制定的國家標準為理論依據(jù)，深入研究與本項目相關的國家標準的制定指導思想與具體實施細則，本項目所形成的研究方案均在國家標準的規(guī)范框架內設計制定。

(2) 直觀體驗：潛航員和技術人員在多次海試過程中積累了大量載人潛水器可棄壓載裝置作業(yè)的實際經驗，他們對于可棄壓載配重裝置的安裝有著切身體會。本項目的研究將把潛航員和技術人員的直觀體驗融入可棄壓載配重裝置要素設計的細節(jié)中，密切與實際應用相結合，進行具體的產品設計，使人-機-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能達到最佳狀態(tài)，最終滿足舒適、宜人、安全、高效、經濟等指標。

(3) 人-機交互設計：引入計算機輔助設計/制造/工程(CAD/CAM/CAE)等計算機輔助設計技術，采用人-機交互設計理念，在計算機輔助設計系統(tǒng)的支持下，進行人機工程相關的各類創(chuàng)造性設計活動。對裝置進行三維建模，并將仿真作為一個重要的設計手段，采用Ansys Workbench進行有限元分析，最終導出工程圖紙及數(shù)控代碼進行加工制造。

人類工效學標準體系的框架主要包括三個方面的內容：技術管理標準(例如人類工效學的一般指導原則)；工效設計數(shù)據(jù)標準(例如人類主要特性的基本標準，有關設備、程序、產品或系統(tǒng)的操作或使用中的人的因素的標準，有關環(huán)境物質因素對人類影響的標準等)；工效評價標準(例如用于人類工效學測試程序和數(shù)據(jù)處理的標準)。標準體系框架如圖3所示。

圖3 人類工效學標準體系框架Fig.3 Human ergonomics standard system framework

2.2 人體測量

在國家標準GB 3975—1983[9]中規(guī)定了人機工程學使用的有關人體測量參數(shù)的測點及測量項目，其中包括：頭部測量點16個，測量項目12項；軀干和四肢部位的測量點22個，測量項目69項。測量項目涉及立姿40項、坐姿40項以及體重1項。但在可棄壓載裝置的設計中，有一些數(shù)據(jù)是不需要都測量處理的，所以根據(jù)GB 3975—1983中規(guī)定有選擇地進行了關鍵數(shù)據(jù)的測量。GB 5703—2010[10]中又規(guī)定了人機工程學使用的人體參數(shù)的測量方法。測量時，必須按照該標準規(guī)定的測量方法進行，測量結果方為有效?；诖?，結合直觀體驗，測量項目包括人體主要尺寸：身高、上臂長、前臂長、大腿長、肩寬、手腕長。

圖4 人體測量基準及人體測量尺寸Fig.4 Datum and sizes of human body measurement

人機工程學將人體測量的數(shù)據(jù)以百分位數(shù)[11]來表示人體尺寸的等級。百分位數(shù)是一種位置指標，以符號Pk表示。一個百分位數(shù)將測量值分為兩個部分：有k%的測量值等于或小于此數(shù)，有(100—k)%的測量值大于此數(shù)。最常用的是第5、50、95百分位數(shù),分別記作P5、P50、P95。以第95百分位(P95)作為大身材，以第5百分位(P5)作為小身材，第50百分位(P50)則為中等身材。P95表示95%的人群身材尺寸均小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。其他百分位數(shù)的含義依此類推。一般的靜態(tài)人體測量數(shù)據(jù)應符合正態(tài)分布，因此可以根據(jù)均值和標準計算百分位值，也可以計算某一人體尺寸所屬的百分位數(shù)。若已知某項人體測量的均值為X,標準差為α,則任一百分位的人體測量尺寸Pk可按下式計算：

Pk=X±αk.

(1)

對于式(1)，當求1%～50%之間的數(shù)據(jù)時，式中取“—”號；當求50%～95%之間的數(shù)據(jù)時，式中取“+”號。設計中常用的百分比值與變換系數(shù)k的關系可查相關表格。

表1 相關人員尺寸統(tǒng)計Table 1 Dimension statistics of the project-related personnel mm

表2 人體測量尺寸百分數(shù)統(tǒng)計Table 2 Percentage statistics of concerned human body dimensions mm

為準確完成設計，對參與可棄壓載配置裝置工作的潛航員及工程技術人員的人體尺寸進行了測量。根據(jù)人機工程學設計原則，包容空間尺寸設計按第95百分位數(shù)(P95)，被包容空間尺寸設計按第5百分位數(shù)(P5)，最佳作業(yè)區(qū)位置尺寸按第50百分位數(shù)(P50)，可調節(jié)結構尺寸的調節(jié)范圍為第5至第95百分位數(shù)，由此確定設計的修正量及功能尺寸。

3 人機工程學計算機輔助設計

設計時要統(tǒng)籌考慮人機環(huán)境的關聯(lián)與影響，因此必須基于人機工程學理論和標準進行功能尺寸設計。人體測量學數(shù)據(jù)必須充分反映設計對象的使用者群體的特征，同時必須與操作人員實際直觀體驗相結合。數(shù)據(jù)運用的原則如下：

(1) 為避免潛水器結構重心、穩(wěn)心的變化，在盡量不改變原有壓載鐵外形尺寸的基礎上，進行壓載重塊安裝機構的設計建模。

(2) 確定對于設計至關重要的人體尺寸。

(3) 運用人體測量學數(shù)據(jù)時，可以按照四種方式進行設計：包容空間尺寸設計，被包容空間設計，最佳作業(yè)區(qū)位置尺寸設計，可調節(jié)結構尺寸設計。

(4) 樣機試驗，模擬真實環(huán)境進行再優(yōu)化。

具體將整體式壓載重塊分片化，改為分片安裝的形式，每片壓載配重片重量不超過10 kg，改進的壓載鐵安裝機構由外框底座、壓載配重鉛小塊、壓載配重鉛大塊、連接導向桿、擋板及壓載配重片等部件組成，如圖5所示。設計如下：(1)外框底座為三面封閉一面開口，是整個機構的承載基礎，底座內有壓載配重片安裝的導柱(導柱上端有U型環(huán)與其他機構連接)；(2)壓載配重片重量不超過10 kg，便于單人操作安裝，壓載配重片有U型半開口槽，U槽中內側設計有螺紋孔，可以安裝一對彈簧柱塞(見圖6)，實際操作時將配重片由U型槽卡入底座導柱內，U槽內的一對彈簧柱塞利用反自鎖能力將配重片徑向固定住，完成配重片安裝后把鎖止螺母上緊，以保證配重片的軸向固定，多塊配重片可以隨意添加從而實現(xiàn)重量可變的可變壓載機構，最后用緊固螺釘將擋板固定在底座框一側，實現(xiàn)壓載鐵四面全封閉。配重片外觀如圖7所示。

圖5 優(yōu)化的壓載機構Fig.5 Optimized dropping ballasts

圖6 彈簧柱塞Fig.6 Spring plunger

圖7 配重片F(xiàn)ig.7 Counterweight washer

圖8為改進前后對比圖。改進前是整體式安裝，由于壓載配重單個重量超過200 kg，無論是搬運還是安裝都極其困難，存在安全隱患。采用人機工程學方法改進后，將配重分片化設計，單人即可完成搬運及安裝，工作效率得到提升，尤其是安全性得到了極大改善。原有的海上安裝方案，每次安裝耗時1～2 h，需4～7人安裝，同時安裝過程中危險系數(shù)較大，極易發(fā)生由于海況影響導致壓載鐵傾倒砸傷人員事故；改進后的可棄壓載配重裝置采用了分片化設計，實驗室模擬數(shù)據(jù)表明，安裝過程中僅需1～2人進行作業(yè)，耗時25 min(海上由于海況條件預計30～50 min)，人員效率和作業(yè)效率大大提高，同時也極大地提升了作業(yè)過程中的安全性。

圖8 改進前后安裝對比Fig.8 Installment before and after optimization

4 結 語

本文對大深度載人潛水器壓載重塊安裝機構進行了建模分析，設計了一套下潛和上浮壓載重塊安裝機構，并通過實際應用驗證了此種設計方法的正確性。隨著以“蛟龍?zhí)枴睘榇淼拇笊疃容d人深海探測裝備技術的工程應用和發(fā)展，將會有越來越多的實用性、經驗性及新型技術應用于這些裝備中，從而優(yōu)化和完善大深度載人潛水器本體裝備，確保載人潛水器以良好的技術狀態(tài)做好海上工程應用。

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[10] 全國人類工效學標準化技術委員會.GB 5703—2010.用于技術設計的人體測量基礎項目[S].2011.

[11] Panero J,Zelink M.Human Dimension & Interior Space[M].London:The Architectural Press,1979.

ResearchofDroppableBallastDeviceofMannedSubmersibleBasedonComputer-AidedErgonomicsDesign

REN Yu-gang,LI De-wei,GAO Xiang,TANG Jia-ling,SHI Xian-peng,JING Chun-lei,YANG Lei

(NationalDeepSeaCenter,Qingdao,Shandong266061,China)

Aiming at the practical application problems of droppable ballast device,we carry out the optimization and research of droppable ballast device on the "Jiaolong" manned submersible based on ergonomics principle.The device is designed according to ergonomics standard,and computer-aided design technologies are used in the design.The whole process of analyzing,planning,and designing of droppable ballast device optimization will play an active role in inspring the ergonomics analysis and design of marine technologies and equipment.

Jiaolong manned submersible; droppable ballast; ergonomics

2016-01-27

山東省自然科學基金(ZR2014EEP007)

任玉剛(1987—)，男，碩士，主要從事深海技術裝備研發(fā)。

P754.3；TB18

A

2095-7297(2016)01-0046-06