蘇 勝，王晗宇，史雪瑞

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710000)

使用計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)仿真分析的人機(jī)評價方法正越來越多地應(yīng)用到人機(jī)工程評價中來，在人機(jī)仿真測試與人體建模軟件中，JACK軟件是一款目前公認(rèn)的優(yōu)秀人機(jī)功效分析軟件，其豐富與準(zhǔn)確的人體數(shù)據(jù)庫與預(yù)設(shè)姿勢數(shù)據(jù)庫有效減少了人機(jī)仿真分析的工作量。該軟件的靜態(tài)與動態(tài)人機(jī)仿真功能均十分強(qiáng)大，并能給出專業(yè)的人機(jī)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(diǎn)是彈箭共架、通用發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)中近程火力壓制或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精確打擊。作為一種新型產(chǎn)品，其內(nèi)部的人機(jī)工程學(xué)性能就顯得尤為重要，筆者通過將該型火箭炮乘員艙設(shè)計(jì)的CAD模型導(dǎo)入JACK軟件，建立符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字人模型，對乘員艙設(shè)計(jì)方案進(jìn)行舒適度分析、可達(dá)域分析、可視域分析，獲得了較為客觀的人機(jī)工程學(xué)評價結(jié)果，為以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支持與方向。

與以往針對普通車輛駕駛室的人機(jī)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(yīng)當(dāng)根據(jù)被測試方案本身的特性進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

1 火箭炮乘員艙人機(jī)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(nèi)前排左側(cè)，負(fù)責(zé)車輛駕駛；炮長位于乘員艙前排駕駛員右側(cè)，負(fù)責(zé)武器操控；裝填手位于乘員艙后排駕駛員身后，負(fù)責(zé)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(cè)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(qiáng)大，因此首先使用SolidWorks對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模，并將文件轉(zhuǎn)換為.igs格式[1]。

JACK軟件的坐標(biāo)系設(shè)置與建模軟件不同，因此在導(dǎo)入模型后需要對模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[2]。圖1為使用JACK軟件中的IMPORT工具將模型文件導(dǎo)入，在JACK中建立模擬仿真環(huán)境。

1.3 建立數(shù)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(xué)模型，該模型包括運(yùn)動學(xué)算法和生物力學(xué)算法。數(shù)字人由69個分段(segment)和68個關(guān)節(jié)(joint)組成，并且在建立數(shù)字人模型的過程中還可以自定義數(shù)字人模型身體的各個尺寸，最重要的特點(diǎn)是在JACK軟件中通過反向運(yùn)動原理調(diào)節(jié)數(shù)字人模型，使得對數(shù)字人模型的調(diào)節(jié)更為智能便捷。在數(shù)字人的底層代碼中包含了大量的運(yùn)動學(xué)公式，可用以定位和設(shè)置數(shù)字人姿勢。 設(shè)置數(shù)字人姿勢時，可以通過直接操縱關(guān)節(jié)或從姿勢庫(包含 30 個預(yù)定義姿勢)中選擇姿勢來改變數(shù)字人的姿勢[3]。

根據(jù)該火箭炮的特點(diǎn)，本次仿真驗(yàn)證根據(jù)GJB 2873—1997[4]中國成年人人體尺寸建立P5、P50、P95的男性數(shù)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(nèi)的人體數(shù)據(jù)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(shù)字人模型。

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

2 乘員艙人機(jī)工效分析

2.1 乘員艙內(nèi)乘員姿勢的確定

乘員艙內(nèi)3名乘員主要以坐姿進(jìn)行操作，對于卡車類駕駛員最舒適的坐姿可以用各主要關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行表征：上身應(yīng)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(xué)的角度，應(yīng)保證腰弧曲線正常；從坐姿生物力學(xué)角度，應(yīng)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(jù)乘員艙內(nèi)3名乘員不同的工作性質(zhì)，對數(shù)字人模型的姿勢進(jìn)行調(diào)整，在結(jié)束調(diào)整之后將數(shù)字人H點(diǎn)與上一步已導(dǎo)入的模型內(nèi)駕駛座椅標(biāo)志點(diǎn)重合，即可完成對整個虛擬仿真環(huán)境的構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求前后及高低方向均可調(diào)整。座椅處于標(biāo)準(zhǔn)位置時應(yīng)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(diào)節(jié)座椅應(yīng)滿足P5駕駛員的視野要求和舒適度要求，最低、最后調(diào)節(jié)座椅應(yīng)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(nèi)乘員的舒適度進(jìn)行分析。該工具提供了多種舒適度參考數(shù)據(jù)，根據(jù)該型號火箭炮本身的特點(diǎn)，乘員艙內(nèi)的舒適度不僅僅與某個關(guān)節(jié)有關(guān)，而是和全身關(guān)節(jié)都相關(guān)，因此選用Krist數(shù)據(jù)，與OPT中其他數(shù)據(jù)相比，該數(shù)據(jù)不研究關(guān)節(jié)，而是研究整體姿勢。

Krist數(shù)據(jù)給出從0～80的一個數(shù)字作為舒適度的評分，分?jǐn)?shù)值越低代表舒適度越大。該數(shù)據(jù)包含的主要人體數(shù)據(jù)有頸部、左右肩部、脊柱、髖關(guān)節(jié)、雙臂及雙腿。此外，F(xiàn)atigue一欄的分?jǐn)?shù)指的是乘員感到疲勞的快慢，Comfort的分?jǐn)?shù)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(jié)果，從圖中可以看到，駕駛員在肩部的數(shù)字較高，表明肩部舒適度較低，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均處于可接受的舒適度范圍之內(nèi)，但Shoulder(肩部)這一項(xiàng)的數(shù)值較大，該數(shù)值直接影響到了Fatigue和Comfort兩項(xiàng)的結(jié)果，導(dǎo)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(yīng)當(dāng)在駕駛座椅上設(shè)計(jì)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(jié)果。對于炮長的測試結(jié)果可以看到，各項(xiàng)數(shù)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(jìn)行操控工作。

圖6為裝填手舒適度分析結(jié)果。裝填手處于放松坐姿狀態(tài)，各關(guān)節(jié)評價數(shù)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(xué)上人體的下背部受力模型，計(jì)算L4和L5節(jié)脊椎處所受到的壓力，并將其與軟件內(nèi)所包含的NIOSH(美國職業(yè)安全與健康研究所)數(shù)據(jù)庫所給出的推薦值和極限值進(jìn)行比較，據(jù)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(biāo)準(zhǔn)以及是否超過人體下背部受力極限進(jìn)而導(dǎo)致受傷，并提出改進(jìn)意見[6]。筆者使用該工具對駕駛員下背部受力進(jìn)行分析。

分析時，給P95的數(shù)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(jié)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(nèi)，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(jìn)行下背部受力分析。

2.3 可達(dá)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(shè)備，因此需要對二人的可達(dá)域進(jìn)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(shù)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(yùn)動的聯(lián)合驅(qū)動最大可達(dá)區(qū)域，通過觀察該區(qū)域占據(jù)操作面板的大小，進(jìn)而分析乘員艙內(nèi)各設(shè)備的排布是否合理，操作人員能否方便快速地操作相關(guān)設(shè)備。

選擇身材較小的P5人體模型對可達(dá)域進(jìn)行評估，駕駛員的可達(dá)域如圖8所示，以肩部作為基準(zhǔn)點(diǎn)，駕駛員的可達(dá)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(nèi)。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(shè)備。

圖9為炮長的可達(dá)域，折疊火控終端處于工作狀態(tài)時炮長的可達(dá)域完全覆蓋瞄準(zhǔn)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(cè)身彎腰才能觸及火控終端，因此可將折疊臂長度加長或設(shè)計(jì)為可伸縮式，方便炮長進(jìn)行火控終端在收納狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換動作。在一般工作狀態(tài)時二人的可達(dá)域互不干涉。因此操作臺的設(shè)計(jì)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(jī)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(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備在運(yùn)行中的各種參數(shù)，從而快速準(zhǔn)確地完成各種操作。因此操控面板的設(shè)計(jì)應(yīng)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(guān)系。

依據(jù)顯示面板設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)原理: 顯示面板應(yīng)位于操作人員頭部和雙眼的自然轉(zhuǎn)動范圍之內(nèi)，以使操作人員在觀察過程中不必轉(zhuǎn)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(nèi)，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(yīng)與操作者的視線成直角，至少不應(yīng)小于60°，當(dāng)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(yīng)使板面相應(yīng)傾斜。通常，儀表板與地面的夾角為60°～75°。根據(jù)視覺運(yùn)動規(guī)律，儀表板面一般應(yīng)呈左右方向?yàn)殚L邊的長方形形狀。最常用、最主要的儀表應(yīng)盡可能安排在人的最優(yōu)視區(qū)，即視野中心3°范圍內(nèi)[7]。

在JACK軟件中使用Viewcones工具，可以生成數(shù)字人在當(dāng)前狀態(tài)下的錐形可視域，并且可以將鏡頭與數(shù)字人眼合并，顯示數(shù)字人在當(dāng)前狀態(tài)下觀察到的區(qū)域。分析結(jié)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(nèi)，符合視野設(shè)計(jì)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(nèi)，說明設(shè)計(jì)也是合理的，但折疊火控終端處在視野偏下位置，在實(shí)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(diào)整。

3 結(jié)論

根據(jù)上述對乘員艙人機(jī)仿真分析，可以得出以下基本結(jié)論：

1)該型火箭炮乘員艙空間布局符合人機(jī)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(dá)域內(nèi)。

3)座椅設(shè)計(jì)基本滿足舒適度需要，但由于該型號火箭炮自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致方向盤位置上升，駕駛員在駕駛過程中會由于肩部關(guān)節(jié)的抬升縮短保持駕駛姿勢的時間，未來仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

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