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        直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

        2019-06-19 07:31:02黃育龍巫艷明
        直升機(jī)技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:垂直距離工效參考點(diǎn)

        黃育龍,劉 晨,巫艷明

        (1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

        0 引言

        典型的直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)包括周期變距桿、總距桿和腳蹬,其中周期變距桿用來控制直升機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn),總距桿控制直升機(jī)的升降,腳蹬控制直升機(jī)的航向,各機(jī)構(gòu)有機(jī)配合是駕駛直升機(jī)的關(guān)鍵。各操縱點(diǎn)的空間位置和運(yùn)動行程均能影響操作效率和駕駛體驗(yàn)。因此,直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效問題應(yīng)給予足夠重視。

        目前,對座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)功效的研究都集中在固定翼飛機(jī)領(lǐng)域,直升機(jī)方面缺乏相關(guān)研究。直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考文獻(xiàn)[3]中給出的一些具體的參考數(shù)值,缺乏系統(tǒng)的方法和理論,不具有通用性。

        基于此,我們建立了基于人體髖(H)點(diǎn)的座椅及直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的布局方法,用于指導(dǎo)直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

        1 部件人機(jī)工效設(shè)計(jì)原理

        1.1 座椅人機(jī)工效設(shè)計(jì)原理

        駕駛員座椅屬于工作座椅范疇,因此,設(shè)計(jì)上應(yīng)遵循工作座椅的基本原則,座椅的樣式和尺寸應(yīng)符合人機(jī)功效的要求,工作座椅設(shè)計(jì)要求如表1所示。

        表1 工作座椅主要設(shè)計(jì)部分及要求[1]

        1.2 周期變距桿和總距桿的人機(jī)工效設(shè)計(jì)原理

        周期變距桿和總距桿都屬于控制桿,設(shè)計(jì)時應(yīng)依照控制桿的人機(jī)工效準(zhǔn)則。周期變距桿具有前后推拉、左右擺動和圓錐運(yùn)動等形式。桿長應(yīng)依照桿的位移量和操縱力大小來決定。周期變距桿的位移量隨著桿的運(yùn)動形式而有所不同,周期變距桿前后推拉時,最大位移量為350mm;周期變距桿左右運(yùn)動時,最大位移量為950mm。周期變距桿的操縱角以30°~60°為宜。

        總距桿屬于比較特殊的一種控制桿,主要為上下運(yùn)動,如圖1中所示。總距桿左邊緣與座椅中心線距離推薦值在290mm~315mm之間,總距桿沿y軸向上最大距離為340mm,沿y軸向下最大位置為第5百分位人體手臂長與總距桿的交點(diǎn)位置P,x方向位置為距離座椅中立位置參考點(diǎn)76mm左右。

        1.3 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)原理

        作用于腳蹬上的力大小與腿部膝關(guān)節(jié)的角度相關(guān):當(dāng)作用于腳蹬上的力小于227N時,膝關(guān)節(jié)角度以107°為宜;當(dāng)作用于腳蹬上的力大于227N時,膝關(guān)節(jié)角度以130°為宜。

        通常情況下,腳蹬與坐姿有推薦的一些參考角度值;大腿與座椅夾角α取10°~15°,腳與脛骨間的夾角γ取90°~120°,膝關(guān)節(jié)角β取90°~150°。如圖2所示。

        圖1 總距桿位置原理圖[2]

        圖2 腳蹬與坐姿位置示意

        2 人機(jī)工效設(shè)計(jì)計(jì)算

        2.1 腳蹬人機(jī)工效設(shè)計(jì)計(jì)算

        腳蹬位置的確定要以人體髖點(diǎn)(H點(diǎn))為基準(zhǔn),根據(jù)下肢各關(guān)節(jié)角度在舒適范圍內(nèi)變化的要求確定腳部踵點(diǎn)(AHP點(diǎn))位置,再將踵點(diǎn)(AHP點(diǎn))的位置變化轉(zhuǎn)化為座椅的調(diào)節(jié)量。首先建立人體下肢模型如圖3所示。

        圖3 人體下肢簡化模型

        根據(jù)幾何關(guān)系可得AHP點(diǎn)位置:

        α1+α2=α3+α4(1)

        x=L4cos(180-α4-α)+

        L2cos(180-α1-α2)+L1cosα1(2)

        y=L4sin(180-α4-α)+

        L2sin(180-α1-α2)-L1sinα1(3)

        α1,α2,α3,α4為人體下肢關(guān)節(jié)的活動角度范圍,舒適范圍如表3。當(dāng)α4取某一舒適角度,并給定α1時,則可由公式(2)和(3)計(jì)算出α2和α3在舒適范圍變化的一條AHP點(diǎn)線。當(dāng)α4取不同值,就可以得到同一α1下的AHP點(diǎn)舒適曲線。分別帶入P5、P50、P95位人體數(shù)據(jù)(見表2)進(jìn)行計(jì)算,可以得到某一α1下不同人體百分位的AHP點(diǎn)舒適曲線。不同角度α1的AHP點(diǎn)舒適曲線就對應(yīng)人體的AHP點(diǎn)舒適區(qū)域。

        表2 人體模型線性尺寸[3]

        表3 角度說明[4]

        取α4=45°,α1分別取5°、10°、15°和20°四個值進(jìn)行分析計(jì)算。將第5、50、95百分位人體數(shù)據(jù)帶入Matlab中計(jì)算并擬合出不同α1取值情況下的AHP點(diǎn)舒適曲線圖形,如圖4所示。

        由圖4可以得到如下結(jié)論:

        1) 要使第5百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍,AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約為620mm,垂直距離約為270mm。

        2) 要使第50百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍,AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約為650mm,垂直距離約300mm。

        3) 要使第95百分位人體AHP點(diǎn)在舒適范圍,AHP點(diǎn)離H點(diǎn)水平距離約680mm,垂直距離約320mm。

        4) 由AHP點(diǎn)相關(guān)計(jì)算可知,要使不同百分位人體AHP點(diǎn)舒適區(qū)域重合,座椅在水平方向上具有60mm左右的調(diào)節(jié)量,在垂直方向上具有50mm的調(diào)節(jié)量。

        5) 座椅位置依照第50百分位人體尺寸設(shè)計(jì),可以使第5和95百分位尺寸人體都達(dá)到AHP點(diǎn)舒適域,且能使座椅的調(diào)節(jié)量最小。

        圖4 第5、50、95百分位AHP點(diǎn)舒適區(qū)域

        2.2 周期變距桿人機(jī)工效設(shè)計(jì)計(jì)算

        要確定周期變距桿的位置,應(yīng)以座椅位置為參照,周期變距桿的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮使人體右手操作在舒適范圍內(nèi)。為了便于分析,現(xiàn)將問題轉(zhuǎn)化為二維俯視圖和二維側(cè)視圖求解。在俯視圖中,肩關(guān)節(jié)向身體內(nèi)側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αx為0°~50°;在俯視圖中,肩關(guān)節(jié)向軀干上側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度αz為15°~35°;肘關(guān)節(jié)彎曲角度αy為60°~100°(以上為針對駕駛時的舒適角度)[5];靠背角αo取17°,如圖5所示。

        圖5 上肢連桿投影圖

        如圖5將上肢連桿在中心垂直面上投影,設(shè)髖點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),則可通過集合關(guān)系得到手參考點(diǎn)的坐標(biāo)值。

        (4)

        根據(jù)表4所示上肢線性尺寸和取αx、αy、αz為舒適的角度時,就可以由式(6)和式(7)計(jì)算出駕駛員握點(diǎn)的舒適域,從而為周期變距桿的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。再代入Matlab計(jì)算:αx取一舒適值20°。由于αy值(60°~100°)的變化對于αz值(15°~35°)的影響較小,αz可分別取15°和35°,αy取60°~100°間某一步長變化。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線,兩條曲線間區(qū)域就為對應(yīng)αx的手舒適域。圖6為Matlab中繪制的二維圖形。

        表4 上肢線性尺寸[3]

        圖6 第5、50、95百分位右手舒適區(qū)域

        由圖6可以得到如下結(jié)論:

        1) 要使第5百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi),右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為280mm,垂直距離約為430mm。

        2) 要使第50百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi),右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為300mm,垂直距離約為440mm。

        3) 要使第95百分位人體右手落在舒適范圍內(nèi),右手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為320mm,垂直距離約為450mm。

        4) 由右手相關(guān)計(jì)算可知,要使不同百分位人體右手參考點(diǎn)舒適區(qū)域重合,在水平方向上具有40mm左右的調(diào)節(jié)量,在垂直方向上具有20mm的調(diào)節(jié)量。

        5) 依照第50百分位人體尺寸設(shè)計(jì)周期變距桿,加入座椅的調(diào)節(jié)量,能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體右手落在舒適域內(nèi)。

        2.3 總距桿人機(jī)工效設(shè)計(jì)計(jì)算

        總距桿位置計(jì)算公式與周期變距桿一樣,由于操作方式不同,αx取一舒適值15°,αz可分別取15°和35°,αy取60°~100°間某一步長變化(以上針對操作總距舒適位置)。這樣可以得到某一αx的兩條舒適線,兩條曲線間區(qū)域就為對應(yīng)αx的左手舒適域。圖7為Matlab中計(jì)算得到的左手舒適區(qū)域。

        圖7 第5、50、95百分位左手舒適區(qū)域

        由圖7可以得到如下結(jié)論:

        1) 要使第5百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi),左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為290mm,垂直距離約為435mm。

        2) 要使第50百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi),左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為315mm,垂直距離約為450mm。

        3) 要使第95百分位人體左手落在舒適范圍內(nèi),左手參考點(diǎn)距離H點(diǎn)水平距離約為340mm,垂直距離約為465mm。

        4) 由左手相關(guān)計(jì)算可知,要使不同百分位人體左手參考點(diǎn)舒適區(qū)域重合,在水平方向上具有50mm左右的調(diào)節(jié)量,在垂直方向上具有30mm的調(diào)節(jié)量。

        5) 依照第50百分位人體尺寸設(shè)計(jì)總距桿,加入座椅的調(diào)節(jié)量,能使第5百分位和第95百分位尺寸的人體左手落在舒適域內(nèi)。

        2.4 計(jì)算結(jié)論

        將以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整合,得出基于第50百分位人體舒適姿勢的直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)布局模型,踵點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)650mm,y方向300mm;右手參考點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)300mm,y方向450mm;左手參考點(diǎn)x方向距離髖點(diǎn)320mm,y方向150mm;座椅的調(diào)節(jié)為前后60mm,上下50mm。如圖8所示。

        圖8 操縱機(jī)構(gòu)布局模型

        3 人機(jī)工效驗(yàn)證

        3.1 模型導(dǎo)入

        以某型直升機(jī)駕駛艙為例,將第50百分位飛行員人體模型置于其中,使人體處于操作狀態(tài),如圖9所示。

        圖9 人-機(jī)模型

        3.2 姿勢評價(jià)

        將計(jì)算得出的第50百分位人體各部位舒適區(qū)域疊加到該型機(jī)人機(jī)模型中,如圖10所示,觀察各部位參考點(diǎn)及舒適區(qū)域。

        由圖10可見,除腳部參考點(diǎn)之外,左右手參考點(diǎn)均不同程度地偏離舒適區(qū)域。由于該機(jī)型座椅沒有垂直方向上的調(diào)節(jié)量,因此可以判斷該機(jī)總距桿和周期變距桿無法處于手部舒適區(qū)域。

        圖10 舒適區(qū)域驗(yàn)證圖

        4 結(jié)論

        本文通過分析直升機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)與原理,建立了直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效分析數(shù)學(xué)模型,研究了不同百分位下人機(jī)操作舒適度區(qū)域。以某型直升機(jī)座艙操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)布局為例對所提方法進(jìn)行了舒適性驗(yàn)證。結(jié)果表明,現(xiàn)有直升機(jī)的總距桿和周期變距桿設(shè)計(jì)均偏離舒適區(qū)域較大,說明傳統(tǒng)直升機(jī)操縱方式從在人機(jī)工效方面存在問題,需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。同時,論文也為下一步的直升機(jī)側(cè)桿操縱機(jī)構(gòu)人機(jī)工效研究提供了一種思路。

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