戰術握把握持舒適性試驗研究

施云紅，王亞平

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

戰術握把是槍械與人重要的人機接觸部分，其握持舒適性不僅會影響使用者持槍穩定性，還會影響瞄準效率和最終射擊效果，所以對于戰術握把握持舒適性的研究是槍械分析研究過程中不可忽視的方面。

國內外對握持舒適性的研究主要側重于民用產品的手柄式握把，國外大多是利用表面肌電、抓握應力分系統和數據手套等方法對手握工具舒適性的研究，如Jérémy Rossi等[1]利用手柄測力計分析了手柄直徑對最大抓握力任務期間手部握力的影響；Harih G等[2]利用虛擬手握模型研究了手柄形狀對主觀舒適度評價的影響；Luo S J等[3]利用多指握力測量裝置研究各手指在動態抓握任務中的功能。

國內主要是采用表面肌電等試驗方法和有限元仿真分析方法等，如文獻[4-5]利用有限元方法建立了手抓握模型并對其進行表面壓力的分析；陶國強[6]利用虛擬樣機仿真和有限元分析方法建立了虛擬手有限元模型，研究了抓握手柄的手部壓力情況；駱建松[7]利用表面肌電試驗方法研究了被試者使用各角度手柄的肌電值，獲得了不同任務情況下最舒適的手柄角度；田林枝[8]利用表面肌電、仿真分析等研究了不同操作方式和抓握方式對手部符合的影響并建立了手柄工效學評價指標。

國內外對應用于槍械中的戰術握把報道很少，文獻[9-10]建立了手部握持仿真分析模型，分析了影響手槍握把舒適性的因素，但是未見對戰術握把相關實驗分析與評價的文獻報道。

本文利用柔性壓力測試系統并結合主觀問卷調查，分析了握持戰術握把時手部壓力的分布情況，并以平均壓力值作為握把握持舒適性評價指標，對不同類型握把進行了分析評價，為戰術握把設計與評價提供一定的參考和手段。

1 試驗設計

1) 試驗對象和設備

沖鋒槍、步槍這類雙手握持的槍械，通常除了右手握持的主握把以外，在槍械前端會有輔助左手握持的小握把。本文針對這兩種類型握把，采用四種不同類型握把，握把1和握把2為主握把(圖1)，握把3和握把4為小握把(圖2)。

試驗測試設備為柔性壓力電阻式測試系統mFLEX(圖3)，5通道，掃描頻率5 Hz。

圖1 主握把

圖2 小握把

圖3 柔性壓力電阻式測試系統

2) 試驗方案及步驟

試驗選擇10名男性作為被試者，身高(175±5)cm、年齡(24±2)歲、體重(78±5)kg，所有被試者均身體健康，無任何神經與肌肉系統方面的疾病。

參考手部受力分區和相關文獻[2]，對手部5個主要受力分區進行數據采集(圖4)，包括：6(中指近節指骨)、9(無名指近節指骨)、12(小指近節指骨)、18(小魚際肌)和17(虎口位置)。為了方便處理，以A3、A4、A2、A5和A1表示手部分區的6、9、12、18和17。

圖4 手部受力分區

利用5級主觀評價量表對被試的主觀感受進行評價(4級：非常舒適；3級：舒適；2級：正常；1級：不舒適；0級：非常不舒適)。

試驗過程如下：被試者在右手手部相應位置貼上壓力傳感器片，以正常舒適地狀態握住握把，采集時長為1 min，然后放下握把，休息1 min，再進行下一次采集，共5次(圖5)；通過預實驗測試表明左、右手的握持壓力規律一致，為了消除個體左、右手差異，方便對比，對于主握把和小握把均采用右手測試。

圖5 試驗現場

2 試驗數據處理

圖6是握把握持1 min的壓力原始數據，經過比較所有試驗數據均呈現出相同趨勢變化，由于初始時段數據波動較大，本文選取中間20 s數據進行分析。

圖6 握把試驗原始數據

由于被試者的個體差異和抓握時的狀態差異，壓力的絕對值大小不能有效體現握把舒適性，為了更好地分析數據的規律性，本文首先對試驗數據進行歸一化處理，采用min-max標準化歸一化法，公式如下：

(1)

式(1)中：xmax為5個區域內數據的最大值，xmin為5個區域內數據的最小值。

方差與標準差是反映數據離散程度的絕對值，為了消除變量值水平高低對離散程度測度值的影響，本文采用五個部位壓力值的離散系數(變異系數)作為評價握持壓力分布均勻性的表征。

然后求取10個被試的離散系數均值和方差，最后對不同握把的值進行配對樣本t檢驗分析，顯著性水平為0.05，用以判斷差異顯著性。數據處理過程見圖7。

圖7 試驗數據處理流程

3 試驗結果分析

3.1 主握把試驗結果分析

表1為在手部不同位置的壓力值大小，圖8為數據歸一化后的壓力值曲線?？梢钥闯鑫瞻?和握把2具有相同的規律， A3位置壓力值最大， A2位置受力最小，大小排列順序A3>A5>A4>A1>A2。

表1 手部在不同位置的受力大小

A2、A3、A4位置分別對應小指、中指和無名指，各手指對總握力的貢獻率分別為2.44%，39.65%，20.14%，握把2各手指的貢獻率為1.53%，33.13%，22.46%，中指的貢獻率最大，小指的貢獻率最小，這與文獻[1]規律一致。

由圖8可以看出在A1、A2、A4、A5位置處握把1的受力均小于握把2；但在A3位置握把1的受力要大于握把2，這是由于握把1握持時時中指的近節指骨正好抵住握把指形溝槽弧度處，而握持握把2時中指的近節指骨是在握把2的圓滑部(圖9)，所以在A3位置握把1的握持力要大些。

圖8 手部不同位置的受力情況(主握把)

圖9 手在A3位置握持情況

通過離散系數平均值比較來看(表2)，握把1的離散系數小于握把2，說明握把1手部受力均勻性較好。同時握把本身的結構設計來看，握把1有指形溝槽，寬厚比為2.1，握把2表面光滑，寬厚比為1.6。握把1和握把2的寬厚比均在合理舒適的范圍內[11]。

表2 主握把離散系數的均值和方差

通過配對檢驗法對握把1和2進行顯著差異性分析比較，差異性P值為0.02，說明握把1和握把2差異性顯著。

圖10為主觀打分結果，整體來看握把1的主觀打分高于握把2，握把1相對握把2更符合使用者對握把握持舒適性的要求。

圖10 主觀評價打分

3.2 小握把試驗結果分析

小握把與主握把握持的方式上不同，主握把握持時，食指要扣壓扳機，因此食指為伸出狀態；小握把為全指握緊，從握力的貢獻率和平均握力上都有所不同。這里不再做詳細的對比，僅對不同類型小握把進行對比分析。

表3為小握把握持時，手部不同位置的壓力值大小，圖11為數據歸一化后的壓力值曲線?？梢钥闯鑫瞻?和握把4規律上不太一致，體現在受力最大處，握把3在A5位置受力最大，握把4在A3位置受力最大，握把4的受力規律與主握把一致，握把3不同的主要原因是由于握把3較短，握持時其低端邊緣處正好抵住了壓力傳感器(圖12)。

表3 手部不同位置的受力大小

圖11 手部不同位置的受力情況(小握把)

圖12 在A5位置握持情況

從手指受力情況來看，在A2、A3、A4位置，握把3各手指對總握力的貢獻率為0.9%，19.97%，16.06%；握把4各手指對總握力的貢獻率為0.64%，28.71%，20.77%，可以看出中指的貢獻率最大，小指的貢獻率最小。

通過離散系數平均值比較來看(表4)，握把3壓力的離散系數略大于握把4，說明握把4手部的受力均勻性較好；從握把結構設計來看，握把3有指形溝槽，防滑紋，寬厚比為1.5；握把4有防滑紋，且握把中間有稍微凸起的結構很好的與手指接觸，寬厚比為1.6。握把3和握把4的寬厚比均在合理舒適的范圍內[11]。

表4 小握把離散系數的均值和方差

通過配對檢驗法對握把3和4進行顯著差異性分析比較，差異性P值為0.20，說明握把3和握把4不具有顯著性差異。

圖13為主觀打分結果，總體來看握把3與握把4的主觀打分差異性不明顯，與離散系數顯著性檢驗結果一致。

圖13 主觀評價打分

4 結論

本文確定了戰術握把握持的采集點，利用柔性壓力系統獲得手部5個主要受力位置的壓力值，并利用歸一化方法對數據進行分析，同時結合主觀評價進行了握把握持舒適性分析與比較，得到以下結論：

1) 通過手部壓力測試來評價握把握持舒適性，以壓力離散系數作為分析握持舒適性的指標，具有可行性。

2) 影響戰術握把舒適性因素包括：寬厚比、表面防滑槽紋路、外形曲面和手部的貼合程度等。

由于受手段的限制本文仍存在不足，建議進一步采用參數化仿真的方法對具體結構參數的影響規律進行分析和優化等。