便携式发射装置的人因工程研究*

黄燕群，段志蓥，任立力，王爽英

(1 西安现代控制技术研究所， 西安 710065； 2 衡阳北方光电信息技术有限公司， 湖南衡阳 421001)

0 引言

人因工程学[1]是以人体科学、工程技术、环境科学为基础的一门新兴交叉学科，以人的生理、心理特征触发，研究优化人-机-环系统，提高系统效率，以保证人的安全、健康和舒适。引入人因工程学[2]有助于优化人-机功能分配、协调运作，提升系统效能，减少误操作，起到增强系统安全性的作用。

近年，人因工程学在国内民用产品中得到广泛的应用，而在武器装备领域局限于“人适应武器装备”的观念，关注点在产品的功能和可靠性上，从事专职研究武器装备的人因工程人员较少，运用人因工程学设计武器装备时存在一些不足之处：设计过程中缺乏系统性规划，缺少装备具体开发经验，依赖反复的样机试制验证设计，增加了科研成本；另外产品规范文件对人因工程要求过于笼统，缺少量化考核依据，客户与设计师对产品的人机环的理解也有所差异，比较难形成共识。若在设计武器装备过程中运用人因工程学进行设计，则可弥补以上的不足之处。

便携式发射装置是单兵反坦克导弹武器[3]系统的肩扛发射装置，与射手之间结合紧密。文中研究便携式发射装置的人因工程设计方法，分析该装置的人因工程研究内容和影响因素；依据产品技术要求确定产品组成和技术方案，并以图示模型法为基础，结合产品的人-机工作任务逐步细化任务中的作业，形成人机系统技术规范，设计师依此规范，借助于人因工程学基础知识设计产品，达到人因工程要求的设计目的；最后借助数字建模、应力分析、加工样机、试验验证产品的设计结果，使该人因工程设计方法更具体化，可操作，为其它装备的人因工程设计提供参考。

1 研究内容及影响因素

人因工程学是通用学科，因产品用途不同其研究内容也随之有所区别。便携式发射装置使用时从展开到撤收处于人机互动状态，与指挥仓内静态设备的人因工程设计有所区别；另与民品相比，前者使用寿命更长，环境要求苛刻；同时本研究也属于微观人因工程，运用人体生理特征及人因工程学设计方法，研究人、机、环之间的相互规律，优化人-机操作，使人-机总体性能达到最优，在战场上发挥最大效能。

其研究内容如图1 所示：1)武器装备的功能和作业流程，分析装置的组成和技术方案；2)分析工况中装置的工作任务，人机互动作业，细化与人体互动的部位的人因设计；3)研究特定环境下对人、机的设计要求。根据研究内容，其影响因素有以下几种。

1.1 用户生理特征

在行军或操作使用产品过程中，用户生理基本特征包括了人体的身高、手长、体重基本尺寸[4]和使用习惯等静态特征；以及工况中用户的心理特征、能量消耗、疲劳机理、负荷承受能力等引起的生理变化、环境适应性等动态特征，涉及到用户的视觉、听觉、触觉、心理等感受，以上特征是人因工程设计的依据。

1.2 装备的功能和任务特征

便携式发射装置是武器系统的分系统，总体的规范影响了产品的组成、指标分配和技术方案。因此，人因工程设计应以产品功能为基础，与用户接触的人机界面，如手柄位置、按钮布局、显示终端设计，菜单界面文本或图标布局，产品结构外形等，与人因工程学息息相关，在满足产品功能的基础上，考虑使用者参与程度和范围，直接与用户互动的环节的形状、大小、色彩的设计基准，应以人因工程提供的参数和要求为设计依据。

1.3 环镜因素

在装置使用的过程中其所处的环境，如发射点地形地貌、电磁环境、野外大气环境、用户生命安全等也是影响因素之一。在不同环境下，用户视具体情况选择比较隐蔽、舒适的发射方式使用装置，此过程中环境将给用户带来使用的变化，以及这种变化对人机带来潜在的风险，例如，发射点地形的变化影响用户操作，此时须提供配件辅助用户来适应此变化；战场气氛影响用户心理，紧张易误操作；流程复杂操作时间长则易被对方发现；夜间条件下，人机互动时的隐蔽性、机器噪声、星光下发射等均是环境带来的变化。因此，在设计中应分析装置在特定工况环境下的环境约束因素，产品设计方案应能与环境相适应。

2 人因工程分析与设计

常见的方法[5]有调查法、观测法、实验法、图示模型法、心理测试法、感觉评价法等。产品设计目的不同，其用到的人因工程设计方法也不同，流程如图2示。文中以图示模型法为基础，结合装置的人机功能分配逐步细化作业，形成人因技术规范并以此展开设计。

2.1 功能分析

2.1.1 基本功能

装置内置低温型可充锂离子电池为系统提供工作电源；由红外和可见光组件实现昼夜侦察；提供左右操控按键手柄，单目微型显示器显示系统信息，控制电路用CAN总线管理组件之间信息互通，提供测试口；与筒装导弹之间用卡扣压接式承接，选取站姿、坐姿、卧姿之一肩扛发射导弹。

2.1.2 人的任务功能

工况中人的工作任务剖面是分析的重点，单兵武器的战术任务中包含携行、作战、撤收等环节，携行过程中士兵用背包携带产品行军，发现目标后取出装置与筒装导弹对接，选定地形和姿势发射导弹，撤收时丢弃弹筒，产品装入背具撤离阵地，其战术任务中的发射姿势如图3所示。

根据任务工作情况细化工作内容和人体的动作环节，如表1所示。

表1 人的任务作业

根据表1任务作业分解和图3 的战术动作，进一步细化人机交互过程中与用户发生接触的部位。分析用户人体特征及对产品的生理感觉，并根据作业梳理出装置的技术规范，并运用人因工程学基础设计产品满足此技术规范，通过分析产品的人机交换，具体得到产品的人机系统技术规格，如表2所示。

表2 人机系统技术规格

2.2 产品人因工程设计

2.2.1 产品方案

依据总要求本装置由热像组件、电视组件、单目目镜、二次电池、控制电路、装置壳体、左右操控手柄等组成。光学仪器是关重件，其光学参数决定了组件的外形体积，同时影响了装置的整体结构布局。采用非制冷型变焦热像组件，相比制冷型热像具有重量轻、启动快、成本低的特点。电视用黑白定焦CCD小型化系统，显示器用视度可调彩色OLED单目目镜。

由低温可充锂子电池供电，控制电路用ARM芯片低功耗设计，优化上电方式减少系统瞬态电流峰值，降低电池容量、重量，有利于系统小型化设计。

2.2.2 结构人因工程设计

利用内部空间组件间交错式紧凑安装，壳体材料用复合材料和镁合金材料加工保证强度并减轻重量，壳体应整机充气密封设计。

首先确定装置的重心位置，装置在摆放和手持时不出现翻滚现象，较重的热像和电池并排摆放，目镜在热像的后端，控制电路板处于热像组件下部，壳体两侧安装左、右按键手柄，整体横向布局，如图4 所示。

图4中装置的重心位置靠近几何中心，手柄接口处在中心位置x轴线上，避免手握手柄时出现俯仰或左右翻滚等重心不稳的现象。

图4 装置结构布局图

其次，确定以下几个关键的外形尺寸：w为左右手柄距离。用户握持手柄时，其拳头位置在胸前略低于肩高，拳头距离和胳膊内收紧，与肩宽相近，此时双手处于自然状态，肌肉负荷较小。按照国标成年人体尺寸[6]人体肩宽，兼顾冬季着装，w取值人体肩宽距离。l为目镜与筒装导弹转接板距离。实际环境中士兵可能穿戴防毒面具和头盔，由于大多数人习惯右眼观察，文中只考虑戴头盔右眼观察，尺寸太小用户头部受到弹筒干涉，尺寸过大不利于右眼观察，同时预留头部转动空间，l尺寸为肩宽一半。h为目镜到手柄端部的距离。人观察目镜时，颈部应处于自然竖直，h的尺寸为右眼到右肩膀的垂直距离。确定以上参数后，基本确定了装置的外形结构。

最后确定与筒装导弹对接后系统重心位置，筒装导弹由多仓模块组成密度不均匀分布，重心位置靠近发动机舱段，用户习惯用右肩膀支撑筒装导弹，右眼观察目镜，如图5中所示，因此武器系统的重心位置应在肩托处，双手握持手柄时只需掌心较小的力，可释放手指灵活地操作手柄按键。

图5 与筒装导弹对接右视图

2.2.3 壳体外形和选材

壳体外部倒角处理，内部则充分利用空间，使得重量最轻，外形线条更加美观。

用镁铝材料时抗腐蚀性较差，而采用碳纤维材料可以避免此类问题，同时其密度比镁铝合金更轻。文中装置的壳体用碳纤维材料加工，具有密度小强度高的特点，对于复杂结构部分用多个碳纤维模块，并用胶水粘接处理，且选用的胶水其膨胀系数和应力变形符合高低温条件，避免温度变化导致壳体变形影响装置的光弹轴平行性；同时采用有限元分析壳体模型的应力集中点，适当地加强厚度或采用加强筋措施增强其的强度。

壳体外表面和人体额头、脸部接触部位粘贴缓冲泡沫，一是防止导弹发射反冲力伤及眼睛，二是保护产品，预防磕碰破坏表面油漆。

2.2.4 手柄外形、按键布局

手柄形状呈弧形状，用掌心靠紧弧形顶部，手把与水平角度大小符合双手上举于胸前时的自然抓握状态，如图4中手柄所示；根据用户戴手套时手型大小确定手柄长度和直径，握持部位的表面涂覆或粘贴橡胶防止滑脱。

产品功能若直接设置按键，需按键较多且占用空间；而用菜单界面方式管理只需较少的按键。左手柄安装“五向导航”、“锁定”按键，右手柄安装“击发”、“功能”按键，完成菜单界面操作和导弹发射。

当双手紧握手柄时，手指应能够着按键的位置，使用频率越高离拇指越近；装置的电源开关处在左手柄上方位置，左手握住手柄时，左食指依然可以完成上电和掉电动作。

2.2.5 单目目镜的人因设计

实际情况用户可能佩戴防毒面具操作，因此，目镜应保留足够的出瞳距离不干涉用户观察；为了满足不同视力的用户使用，其视度应可调并带手轮调节，可单手调节视度。

在野外白天光线较强而夜间较暗，随外部亮度的变化，目镜的亮度应自适应，减少眩晕；另外目镜须带眼罩起到遮光或防漏光、防尘沙作用；同时眼罩能吸收导弹出筒瞬间反冲力，保护眼睛的作用，因此，眼罩结构和选材上应考虑遮光、防尘、缓冲、老化等要求。

2.2.6 配件的设计

1)筒装导弹转接板固定在装置的右侧，与筒装导弹采用三点挂钩对接，前两个挂钩用于扣紧筒装导弹，后挂钩采用弹簧卡扣压接式对接，装卸操作快捷；2)热像的光学镜头需镜盖保护，镜盖用的转轴机构满足单手操作，而结构中弹簧力度满足在风力12 m/s的条件下镜盖不能晃动干扰观察；3)电池仓盖采用转轴卡扣锁紧结构设计，电池壳设有提绳，方便单手更换电池；4)行军期间装置应放入专用背具携带，底部贴靠腰部，短距离转移用单手握持手柄移动。

2.2.7 菜单界面

装置的菜单界面包含光学图像和图文信息叠加而成，图文信息有装置自检、导弹在位、电量、传感器值；弹上跟踪器信息；故障提示信息等3大类。由于OLED屏幕较小，区域小，界面内容设计符合以下原则：1)信息字符简洁意义明了，显示必要实时信息并消隐多余的信息，避免满屏字符干扰射手；2)避免屏幕中心区域显示，采取用户易于接收的图标和颜色传递信息；3)故障或警示信息，用闪烁红色字体提醒用户；4)根据人眼视场角大小和分辨率，合理设置界面的字符大小、位置；图文颜色调配应易于识别、适合长时间观察，提高了舒适度。

2.2.8 五性设计和辅助设计文件

产品五性设计指可靠性、测试性、安全性、维修性、保障性。通过产品可靠性建模，指标预计与分配，降额、简化、冗余设计等措施进行可靠性设计；装置提供测试端口输出必要的信息，及自检、在线监测提示信息；对产品危险源定性分析，排除潜在安全隐患；维修设备应通用化，减少专用设备工具，降低维修人员数量和技能的要求；并提供专用包装箱用于贮存和运输光学仪器，并满足公路运输和空运。期间依据主要尺寸参数计算装置的尺寸链计算数据，形成相关辅助设计和维护文件。

2.2.9 数字建模和样机加工

确定方案后借助数字建模软件UG进行结构设计和有限元分析，避免出现应力集中部位，经修改结构和试装，优化设计以达最优效果。利用3D打印技术打印模型，经过配重最大限度贴近实物状态，测试受力状态，对被测试的人员信息、测试环境、测试方法等进行详细的数据描述，数字模拟之后进入样机加工。

图6 装置后视图

图7 装置左视图

3 测试与验证

装置样机按鉴定大纲进行功能鉴定，鉴定内容包括：产品功能静态测试和环境适应性试验；总质量≤5 kg，依据鉴定大纲进行考核，样机通过了鉴定实验和可靠性试验。

另外，用模拟任务验证人因工程设计，其验证内容涵盖了指标大纲、评估模型、评估实施程序等。战术任务考核是其考核的重点，根据便携式发射装置的具体工况，抽取一定数量的样本考核，和训练有素的人员执行战术动作，判断是否满足战术要求，具体的任务考核要求如表3所示。考核结果为：在各种地形下，行战转换时间小于12 s，撤收时间小于9 s，动作流畅无干涉；在夜间星光的条件下顺利操作；行军3 km过程中用户携带舒适，最后记录参试人员反馈信息，为改进产品提供了依据。

表3 任务考核要求

基于人因工程学设计，产品设计以人为本，梳理使用过程中的具体细节，并形成顶层技术规范，同时在设计中逐步落实；和以往的设计方法相比任务作业中舒适性更强，人-机功能分配更合理，减少了操作失误；其次，人因工程要求能量化考核，与客户易于形成共识。

4 结束语

武器装备引入了人因工程学设计，产品的研发以产品功能为基础，分解人-机中机器基本功能和人的任务作业，优化人-机功能分配，以人为核心的思路对装置的每个环节进行人性化设计。通过研究便携式发射装置的人因工程设计，及样机加工，用户测试体验，验证产品功能和可靠性，用户使用过程中动作流畅，使用舒适，取得了一定的成效，为今后武器装备的人因工程设计提供参考依据。