單兵肩扛式火箭筒人機參數化設計方法

魏 蓉，史雪瑞，王晗宇

(西安工業大學，陜西 西安 710032)

單兵火箭筒是一種便攜式反坦克武器，隨著發射系統、火力系統、瞄準系統及輕量化技術的成熟化，在單兵火箭筒的設計過程中，武器設備的人機設計逐漸得到了重視。單兵火箭筒工作狀態主要為肩扛使用，在士兵使用操作過程中，武器自重大，后坐力強，不科學的人機設計會造成士兵肌肉負荷不均勻，從而導致肌肉疲勞，降低發射精度，甚至造成生命危險[1-2]。因此，在火炮武器系統的設計過程中，必須充分考慮系統中人的因素，根據人的形態特征設計作業條件，盡可能滿足宜人的要求[3]。

目前,我國單兵肩扛式武器的設計，其人機關系設計尺寸多直接參照國內外同類型武器，缺乏理論化計算依據，針對此問題，筆者提出了一種針對單兵肩扛式火箭筒前置握把和激發手柄位置設計的有效參數化方法。根據這種方法計算出左右手舒適區域，并且運用JACK軟件進行了仿真驗證。

1 人體操作狀態

火箭筒主體部分是發射筒，通常后側設有喇叭狀文氏管，發射筒下方設有激發手柄和前置握把。同時，發射筒下方設有墊肩托架和可拆卸或調節角度的小型兩腳架，為精確瞄準提供支撐。激發手柄前方設有前置握把，用來改善不同姿態下的瞄準條件，降低手臂疲勞，單兵肩扛式火箭筒的基本構造如圖1所示。

單兵火箭筒發射時，士兵把火箭筒扛于肩部，肩墊托架緊貼前胸，右手握緊激發手柄，左手抓握前置握把，這種人機關系確定了士兵的基本操作姿勢。

在研究士兵操作姿勢時，通常將人體的骨骼模擬簡化成由若干個關節連接成的二維桿狀人體側面上肢模型，如圖2所示。L1為肩寬，L2為左前臂長，L3為左上臂長，L4為右前臂長，L5為右上臂長。

2 參數化設計方法

2.1 墊肩托架與發射筒末端位置關系

士兵在操作火箭炮時，火箭筒扛于右肩，前胸貼合于墊肩托架處，為準確瞄準和穩定操作提供支撐點,如圖3所示。

在墊肩托架的設計中，操作人員前胸貼合于墊肩托架，后背部至發射筒末端。故墊肩托架與發射筒末端的距離為胸厚數據與著裝修正數據之和。選取成年男性的胸厚數據a為基礎數據[4]，同時添加著裝身材修正及專業作戰防彈衣著修正b，可以計算出肩墊托架距發射筒末端距離X0=a+b。

2.2 前置握把與肩部最高點位置關系

火箭筒作戰時采用肩扛操作方式，士兵左手抓握前置握把。在對前置握把與肩部最高點位置的相對位置計算中，為了便于求解，對左臂連桿模型進行投影，從而將手臂的三維變化求解轉化為二維數學模型求解，建立左臂與身體的連桿模型，如圖4所示。肘關節彎曲角度為α1，軀干旋轉角度為αx，肩關節向身體外側旋轉角度為αy。在求解的過程中，將各連桿投影在垂直面進行分析，將上肢左臂連桿在垂直面上投影，右肩最高點為坐標原點，則可通過幾何關系得到左手位置坐標，即前置握把與肩部最高點距離X1。

在人手臂模型的建立中，人上臂和肩胛骨連接處關節可繞x、y、z3個方向旋轉活動，肘關節繞一個方向旋轉活動[5-6]。為保持一定的舒適狀態，關節上肢連桿變換角度值[7]滿足表1所示要求。

表1 上肢連桿變換角度值

士兵得到舒適的操作關節角度條件為：在側視圖上，手部與肩關節保持在一條直線，肘關節舒適調節角度范圍α1為85°～ 110°。在俯視圖上，為保持舒適操作姿勢，人體軀干會旋轉一定的舒適角度，軀干旋轉角度αx為20°～40°[8]，肩關節向身體外側旋轉角度αy為0°～50°。

(1)

(2)

L1×sinαx

(3)

2.3 肩部最高點與激發手柄位置關系

操作者在使用時，火箭筒扛于右肩，右手抓握激發手柄，以右肩最高點為坐標原點，右手前臂長為L4，上臂長為L5,右臂的連桿模型如圖5所示，肘關節彎曲舒適角度α1調節范圍為85°～110°。

對激發手柄與肩關節最高點位置關系進行計算，根據幾何關系可得:

(4)

根據人的上肢線性尺寸以及不同關節的舒適角度，選取α1為舒適角度時，就可以由式(4)計算出激發手柄舒適位置區間。

3 計算與實例驗證

3.1 設計計算

根據上文中提到的參數化計算方法，選取GJB/Z 131—2002[4]中國成年男子P50人體上肢線性尺寸為設計依據。分別選取人體肩寬，上臂長，前臂加手功能動態尺寸數據，如表2所示。

表2 中國成年男子上肢線性尺寸

根據表1、2中的上肢各部位舒適角度及上肢線性尺寸數據，就可以由式(3)計算出前置握把舒適位置區間，從而為前置握把的設計提供了依據。根據式(3)，將算法寫入MATLAB中，對前置握把距右肩最高點位置進行計算[9]?？紤]到人體側身角度區間變化范圍較小，所以先取舒適的αx值為30°。αy以步長10°為區間，分別取0°，10°，20°，30°，40°，50° 6個值，肘關節彎曲角度α1取85°～110°步長為1°的區間，計算得到6條舒適線。0°和50°兩條曲線形成的區域為對應X1的舒適域。將計算值在EXCEL中作圖，橫軸為肘關節彎曲角度α1，縱軸為前置握把與肩部最高點位置時距離X1，如圖6所示，圖中0°與50°，20°與40°曲線幾乎重合。

由圖6可以得到結論：對于P50我國男子左手舒適域內，前置握把與肩部最高點位置舒適調節距離為519～678 mm。

根據式(4)，將算法寫入MATLAB中，對激發手柄距肩部最高點位置進行計算。取舒適的α1值85°～110°。代入式(4)中，得到一條舒適線。將計算值在EXCEL中作圖,如圖7所示。

由圖7可以得出結論：對于P50我國男子右手舒適域內，激發手柄與肩部最高點位置距離為381～489 mm。

3.2 實例驗證

某型號單兵肩扛式火箭筒原結構尺寸為：火箭筒全長965 mm,發射筒直徑87 mm，長795 mm。

通過計算和數據優化，前置握把與肩部最高點位置，選擇舒適域的中間值599 mm，激發手柄至肩部最高點的位置，選擇舒適域中的中間值435 mm。墊肩托架距發射筒末端的距離為307 mm。

3.3 計算機建模仿真

運用JACK軟件進行某型號單兵手持火箭筒的激發手柄與前置握把進行了人機工效學評估。依據已知原始數據，使用Pro/E軟件對火箭筒進行建模，保存成IGES格式并導入JACK中，再利用JACK人體模型建立模塊，生成我國P50我國地面部隊尺寸人體模型[10]。然后對虛擬人進行手部抓握，使右手抓握激發手柄，左手抓握前置握把,如圖8所示。

利用JACK中的舒適度分析模塊對上肢舒適度進行評估，分析結果如表3所示，在表3中加黑項表示各部位處于操作舒適區域中。

表3 舒適度模塊分析結果

從表3分析結果可以看出：各關節舒適度的各項數值均保持在較低水平，且均在舒適范圍內，舒適度良好，在該姿勢下進行火箭彈發射，士兵不易疲勞。

4 結論

采用筆者提出的人機參數化計算方法，對某型號單兵健康式火箭筒進行優化設計，并運用JACK軟件進行人機功效評估后，可得出以下結論：

1) 利用該方法可以計算出單兵肩扛式火箭筒在人體舒適度內的激發手柄和前置握把的相對位置尺寸范圍區間。利用該計算方法可以對單兵肩扛式火箭筒的激發手柄、前置握把和墊肩托架的位置尺寸范圍進行理論設計。

2)通過實例和計算機仿真驗證，結果表明，該參數化設計方法計算出的激發手柄和前置握把的相對距離合理、有效，符合人體舒適度要求。

3)該計算方法為單兵肩扛式火箭筒的設計工作提供了理論依據。