文/呂建清

飛機(jī)駕駛艙腳蹬位置研究

文/呂建清

腳蹬操縱系統(tǒng)是飛機(jī)駕駛艙中的主要操縱部件，是駕駛艙設(shè)計(jì)中的重要參考。腳蹬的功能是進(jìn)行空中的航向操縱和地面的轉(zhuǎn)向及剎車(chē)。腳蹬的前后、上下極限位置的范圍是在飛行員的眼位參考點(diǎn)和座椅參考點(diǎn)等駕駛艙設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的中立位置明確后，再綜合確定的。這時(shí)可利用不同百分位飛行員的足底運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)確定腳蹬踏板的初始位置和行程。本文根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，參考飛行員坐在座椅上，下肢操作腳蹬踏板的舒適性角度范圍，結(jié)合《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》（GJB4856-2003）中的人體數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出適合中國(guó)飛行員的腳蹬踏板的行程范圍和初始位置，為駕駛艙中腳蹬踏板位置確定提供定量的數(shù)據(jù)支持。

1　腳蹬人機(jī)工程的設(shè)計(jì)原理

針對(duì)人體下肢位置關(guān)系推薦的一些參考角度值見(jiàn)表1所示。

表1　人體舒適角度范圍（單位°）

表2　腳蹬設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值（單位mm）

腳蹬踏板的外形尺寸，主要取決于腳蹬運(yùn)動(dòng)掃掠的空間和踏板間距，但必須保證腳與腳蹬踏板之間有足夠的接觸面積，滿足腳蹬踏板的可靠操控，腳蹬踏板的操縱運(yùn)動(dòng)范圍不應(yīng)該超過(guò)舒適操控的范圍。腳蹬踏板運(yùn)動(dòng)的前后距離不足，方向操縱會(huì)過(guò)于靈敏，造成飛機(jī)姿態(tài)變化過(guò)快；腳蹬踏板運(yùn)動(dòng)的前后距離過(guò)大，方向操縱會(huì)過(guò)于遲鈍。表2為推薦的踏板設(shè)計(jì)參數(shù)。

2　基于人機(jī)工程學(xué)的腳蹬區(qū)域計(jì)算

飛行員執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，雙腳置于腳蹬踏板上，手還需要操作駕駛盤(pán)或駕駛桿和油門(mén)桿等操作器件，同時(shí)還要觀察機(jī)外情況和駕駛艙內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，這樣的人機(jī)關(guān)系決定了飛行員的駕駛姿勢(shì)?？紤]飛行員操作腳蹬踏板的方便舒適，且不能影響其它操縱器件的操作和飛行員視野及對(duì)儀表的認(rèn)讀，同時(shí)要兼顧身材高大者和身材矮小者，用作圖的方法來(lái)表示人體的各種駕駛姿勢(shì)和計(jì)算腳蹬的位置工作量非常大。為方便確定腳蹬踏板位置，美國(guó)汽車(chē)工程協(xié)會(huì)（SAE）推薦使用二維人體模型來(lái)確定位置。

在初步研究飛行員的姿勢(shì)后，可以將飛行員人體數(shù)模簡(jiǎn)化成由多個(gè)連桿和關(guān)節(jié)連接成簡(jiǎn)化人體模型，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)用相應(yīng)連桿之間的連接點(diǎn)表示，該模型默認(rèn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心不會(huì)偏移。為了飛行員能在駕駛時(shí)保持一定的舒適工作狀態(tài)，緩解工作的疲勞，基于人機(jī)工程原理，研究人員統(tǒng)計(jì)出駕駛時(shí)用到的姿勢(shì)的舒適角度范圍，如表1所表示。根據(jù)《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》可整理出本文計(jì)算時(shí)使用的第5百分位、第50百分位和第95百分位男性飛行員的身體數(shù)據(jù)，如表3所示。

將CATIA人體模型進(jìn)行處理，如圖1所示。

本文研究的內(nèi)容是在飛行員舒適姿態(tài)下的足底轉(zhuǎn)軸與足底交點(diǎn)位置（A點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。首先假定飛行員左右髖關(guān)節(jié)之間中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）。計(jì)算公式如下：

表3　中國(guó)男性飛行員人體尺寸（單位mm）

圖1　人體模型示意圖

從公式中可知，足底轉(zhuǎn)軸與足底交點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)區(qū)域的確定取決于α角、β角和δ角，這三個(gè)角度的變化以及不同百分位飛行員人體尺寸數(shù)據(jù)。通過(guò)人體關(guān)節(jié)角度的隨機(jī)組合計(jì)算，即可確定舒適姿勢(shì)下的腳蹬運(yùn)動(dòng)掃掠包絡(luò)范圍。結(jié)合座椅參考點(diǎn)的中立位置和前后極限位置，使用《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》中第5百分位和第95百分位的人體數(shù)據(jù)，就可以分別確定出腳蹬踏板的中立位置和運(yùn)動(dòng)、調(diào)節(jié)范圍。

3　舒適姿勢(shì)下的A點(diǎn)包絡(luò)區(qū)域求解

使用matlab軟件來(lái)輔助計(jì)算求解，流程如圖2所示，可得到A點(diǎn)位置可能的變化范圍，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，并將三維點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，通過(guò)逆向工程轉(zhuǎn)換形成腳部舒適域包絡(luò)圖。結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，身材高大的飛行員的腳蹬踏板初始位置更加靠前才能保證飛行員駕駛時(shí)的感覺(jué)舒適，這和實(shí)際駕駛時(shí)的情況是相符的。結(jié)合先前確定的座椅的中立位置和可調(diào)范圍，即可確定腳蹬初始位置和前后運(yùn)動(dòng)行程。

圖2　A點(diǎn)位置計(jì)算流程圖

圖3　3個(gè)百分位飛行員舒適A點(diǎn)區(qū)域示意圖

4　結(jié)論

本文基于飛行員下肢在舒適角度范圍內(nèi)的操縱腳蹬踏板的算法，通過(guò)計(jì)算飛行員操作腳蹬踏板時(shí)，下肢的3個(gè)關(guān)節(jié)不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，利用CATIA軟件中的二次開(kāi)發(fā)功能，以三維圖形化的方式求解出足底A點(diǎn)的舒適域包絡(luò)圖，實(shí)現(xiàn)了符合中國(guó)飛行員舒適狀態(tài)下足底A點(diǎn)區(qū)域可視化的計(jì)算。證明作者提出的下肢各關(guān)節(jié)在舒適角度范圍內(nèi)時(shí)，腳蹬踏板位置計(jì)算方法的可行性。

呂建清（1981-），男，工程師，本科，任職于中航通飛研究院有限公司，研究方向?yàn)轱w機(jī)總體布置。