基于JACK的某型火箭炮乘员舱设计仿真与人机工程分析

2018-10-08王晗宇史雪瑞

火炮发射与控制学报 2018年3期

苏胜，王晗宇，史雪瑞

(西安工业大学，陕西西安 710000)

使用计算机辅助人机仿真分析的人机评价方法正越来越多地应用到人机工程评价中来，在人机仿真测试与人体建模软件中，JACK软件是一款目前公认的优秀人机功效分析软件，其丰富与准确的人体数据库与预设姿势数据库有效减少了人机仿真分析的工作量。该软件的静态与动态人机仿真功能均十分强大，并能给出专业的人机工效分析评价。

某型多管火箭炮是一种高性能武器系统。该火箭炮的特点是弹箭共架、通用发射，能够实现中近程火力压制或对目标进行精确打击。作为一种新型产品，其内部的人机工程学性能就显得尤为重要，笔者通过将该型火箭炮乘员舱设计的CAD模型导入JACK软件，建立符合标准的数字人模型，对乘员舱设计方案进行舒适度分析、可达域分析、可视域分析，获得了较为客观的人机工程学评价结果，为以后的优化设计改进提供了数据支持与方向。

与以往针对普通车辆驾驶室的人机模拟仿真测试不同，该火箭炮乘员舱可以看作是一个多操作人员的狭小工作环境，因此在测试时应当根据被测试方案本身的特性进行相应调整。

1 火箭炮乘员舱人机工程分析流程

1.1 火箭炮乘员舱布局

该型火箭炮乘员舱为3+1人布局，乘员组由驾驶员、炮长和装填手3人组成，可临时增加1名携乘人员。驾驶员位于乘员舱内前排左侧，负责车辆驾驶；炮长位于乘员舱前排驾驶员右侧，负责武器操控；装填手位于乘员舱后排驾驶员身后，负责发射间隙的再装填。方向盘、变速杆和仪表显示面板位于驾驶员周围；火控终端为折叠形式，可收纳于炮长座椅左侧下方，使用时可伸展至炮长面前；电台位于炮长面前的驾驶台处。

1.2 虚拟仿真环境的建立

JACK可以直接由草图建立模型，但是由于其建模功能不够强大，因此首先使用SolidWorks对设计方案进行建模，并将文件转换为.igs格式[1]。

JACK软件的坐标系设置与建模软件不同，因此在导入模型后需要对模型进行坐标转换[2]。图1为使用JACK软件中的IMPORT工具将模型文件导入，在JACK中建立模拟仿真环境。

1.3 建立数字人体模型

在JACK软件中提供了业界最为精确的人体生物力学模型，该模型包括运动学算法和生物力学算法。数字人由69个分段(segment)和68个关节(joint)组成，并且在建立数字人模型的过程中还可以自定义数字人模型身体的各个尺寸，最重要的特点是在JACK软件中通过反向运动原理调节数字人模型，使得对数字人模型的调节更为智能便捷。在数字人的底层代码中包含了大量的运动学公式，可用以定位和设置数字人姿势。设置数字人姿势时，可以通过直接操纵关节或从姿势库(包含 30 个预定义姿势)中选择姿势来改变数字人的姿势[3]。

根据该火箭炮的特点，本次仿真验证根据GJB 2873—1997[4]中国成年人人体尺寸建立P5、P50、P95的男性数字人模型，具体的人体尺寸如表1所示。

表1 中国成年男性主要身体尺寸

图2为使用JACK软件内的人体数据库建立的我国18～25岁男性人体模型，从左向右依次为P5、P50、P95百分位的数字人模型。

依据驾驶员、炮手和装填手的职责和分工，3人的工作姿势有所不同：驾驶员需要在乘员舱内保持舒适驾驶姿势，炮长在乘员舱内需要保持舒适工作姿势，而装填手属于随车人员，在舱内保持放松坐姿即可。

2 乘员舱人机工效分析

2.1 乘员舱内乘员姿势的确定

乘员舱内3名乘员主要以坐姿进行操作，对于卡车类驾驶员最舒适的坐姿可以用各主要关节的角度进行表征：上身应略向后方倾斜，上身与大腿间夹角范围为90°～115°，大腿与小腿间夹角范围为90°～135°，小腿与脚掌间夹角范围为90°～110°，综合来看，从坐姿生理学的角度，应保证腰弧曲线正常；从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用[5]。

图3为卡车类驾驶员舒适驾驶姿势示意图。根据乘员舱内3名乘员不同的工作性质，对数字人模型的姿势进行调整，在结束调整之后将数字人H点与上一步已导入的模型内驾驶座椅标志点重合，即可完成对整个虚拟仿真环境的构建。

2.2 舒适度及下背部受力分析

驾驶座椅在乘员舱中的作用非常重要，好的驾驶座椅设计能够使驾驶员在驾驶过程中操作方便、高效、不易疲劳，驾驶过程舒适、安全。驾驶座椅设计时需要考虑驾驶员在不同身材情况下的操作舒适度和视野要求，通常驾驶座椅设计要求前后及高低方向均可调整。座椅处于标准位置时应能够满足50%身材驾驶员的视野要求和舒适度要求，最高、最前调节座椅应满足P5驾驶员的视野要求和舒适度要求，最低、最后调节座椅应满足P95驾驶员的视野要求和舒适度要求。

在JACK软件中，使用车辆分析工具(Occupant Packaging Toolkit，OPT)中的Comfort Assessment工具可以对乘员舱内乘员的舒适度进行分析。该工具提供了多种舒适度参考数据，根据该型号火箭炮本身的特点，乘员舱内的舒适度不仅仅与某个关节有关，而是和全身关节都相关，因此选用Krist数据，与OPT中其他数据相比，该数据不研究关节，而是研究整体姿势。

Krist数据给出从0～80的一个数字作为舒适度的评分，分数值越低代表舒适度越大。该数据包含的主要人体数据有颈部、左右肩部、脊柱、髋关节、双臂及双腿。此外，Fatigue一栏的分数指的是乘员感到疲劳的快慢，Comfort的分数则是对上述所有部位舒适度的综合评估。

图4为驾驶员舒适度分析结果，从图中可以看到，驾驶员在肩部的数字较高，表明肩部舒适度较低，各项数据均处于可接受的舒适度范围之内，但Shoulder(肩部)这一项的数值较大，该数值直接影响到了Fatigue和Comfort两项的结果，导致舒适度评价相对较低且降低了该驾驶姿势下所能维持的驾驶时间。因此，应当在驾驶座椅上设计可折叠扶手，便于驾驶员长时间驾驶时支撑手臂放松肩部。

图5为炮长舒适度分析结果。对于炮长的测试结果可以看到，各项数值均保持较低水平，证明舒适度良好，且可保证长时间以该姿势进行操控工作。

图6为装填手舒适度分析结果。装填手处于放松坐姿状态，各关节评价数值较低，证明舒适度良好。

Lower Back Analysis工具的原理是建立在生物学上人体的下背部受力模型，计算L4和L5节脊椎处所受到的压力，并将其与软件内所包含的NIOSH(美国职业安全与健康研究所)数据库所给出的推荐值和极限值进行比较，据此判断驾驶员使用某一座椅驾驶时的驾驶姿势是否符合标准以及是否超过人体下背部受力极限进而导致受伤，并提出改进意见[6]。笔者使用该工具对驾驶员下背部受力进行分析。

分析时，给P95的数字人模型双手施加20 N向正下方的载荷，模拟驾驶员在驾驶过程中手握方向盘的状态，最终的分析结果如图7所示。从图中可以看到，L4和L5节脊椎处所受压力和剪力均较低，说明驾驶员在驾驶过程中背部受力处于合理范围之内，满足驾驶舒适度的需求。由于炮长和装填手在工作过程中不需长期抓握某一操作装置，因此不对炮长和装填手进行下背部受力分析。

2.3 可达域分析

该型号火箭炮驾驶员需要在驾驶过程中较为便捷地操控方向盘、变速杆以及驾驶台上的操纵装置；同时，该型火箭炮作为一种地面武器，位于副驾驶座椅的炮长在完成全部火箭弹发射工作的过程中也需要操纵电台、火控终端等一系列设备，因此需要对二人的可达域进行分析。

JACK软件中的Reach Zones可以生成一个着色区域，这个区域能够描绘出被分析数字人模型的最大可触及范围。借助这个工具可以生成双肩和腰部运动的联合驱动最大可达区域，通过观察该区域占据操作面板的大小，进而分析乘员舱内各设备的排布是否合理，操作人员能否方便快速地操作相关设备。

选择身材较小的P5人体模型对可达域进行评估，驾驶员的可达域如图8所示，以肩部作为基准点，驾驶员的可达域覆盖所在位置驾驶台大部分区域，将方向盘、变速杆等装置包含其内。即表明驾驶员在不移动腰部的情况下，能够方便操作大部分驾驶所需的设备。

图9为炮长的可达域，折叠火控终端处于工作状态时炮长的可达域完全覆盖瞄准终端和驾驶台放置电台处，满足操作需求；折叠火控终端处于折叠收纳状态时，炮长需侧身弯腰才能触及火控终端，因此可将折叠臂长度加长或设计为可伸缩式，方便炮长进行火控终端在收纳状态和工作状态之间的转换动作。在一般工作状态时二人的可达域互不干涉。因此操作台的设计是合理的。

2.4 可视域分析

显示面板是驾驶员在驾驶过程中最重要的人机交互界面，通过接收操控面板所提供的信息，驾驶员可以获得车辆运行状态、设备在运行中的各种参数，从而快速准确地完成各种操作。因此操控面板的设计应符合人的视觉特性，以减少误读概率。图10为人眼与显示面板的空间关系。

依据显示面板设计的人机工程学原理: 显示面板应位于操作人员头部和双眼的自然转动范围之内，以使操作人员在观察过程中不必转动头部、眼睛和躯干即可看清显示面板，一般最佳视距为560～ 760 mm 范围内，其高度最好与眼平齐，板面上边缘的视线与水平视线的夹角不大于 10°，下边缘的视线与水平视线的夹角不大于 45°。仪表板应与操作者的视线成直角，至少不应小于60°，当操作者在正常坐姿下操作时，头部一般略自然前倾，所以布置仪表板时应使板面相应倾斜。通常，仪表板与地面的夹角为60°～75°。根据视觉运动规律，仪表板面一般应呈左右方向为长边的长方形形状。最常用、最主要的仪表应尽可能安排在人的最优视区，即视野中心3°范围内[7]。

在JACK软件中使用Viewcones工具，可以生成数字人在当前状态下的锥形可视域，并且可以将镜头与数字人眼合并，显示数字人在当前状态下观察到的区域。分析结果如图11所示，驾驶员在舒适驾驶状态下，主仪表区全部处在驾驶员可视域内，符合视野设计要求。位于副驾驶座椅的炮长处在工作姿态时，折叠火控终端也处于视野之内，说明设计也是合理的，但折叠火控终端处在视野偏下位置，在实际使用过程中，炮长需低头才能将火控终端操控界面位于视野正中，说明火控终端折叠臂长度需调整。