0 引言
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
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 |
| 任务 | 作业 | 任务要求 | |
|---|---|---|---|
| 携行 | 背具携行 | 不干涉,舒适 | |
| 发射 导弹 | 站 坐 姿 式 | 取出产品,对接筒装导弹于右肩,打开镜盖,双手握持于胸前;手指打开电源开关;眼睛观察微型显示器,手指操作按键 | 取出产品,对接展开 动作小于15 s;双手 手指盲操作按键 |
| 卧 姿 | 卧姿发射,趴在地上,肩扛导弹 | 提供配件支撑身体 | |
| 撤收 | 合上热像镜头盖;卸下导 弹筒;放入背具 | 单手操作 | |
| 夜间 任务 | 夜间对接导弹,发射流程 | 星光条件下操作 | |
表2 人机系统技术规格 |
| 作业功能 | 人 | 机 | 技术规格 |
|---|---|---|---|
| 携行产品 | 腰部 | 底部平面 | 与身体接触用平面带 缓冲 |
| 装取产品 | 单手 | 手把 | 提供手把 |
| 筒弹对接 | 双手 | 导弹转接板 | 压接卡扣对接 |
| 肩扛弹筒 | 右肩 | 肩托 | 系统重心右肩,肩托 缓冲 |
| 开启热像 镜盖 | 单手 打开 | 弹簧锁扣 | 镜盖自动弹出 |
| 握持手柄 | 双手 | 左右手柄 | 防滑、符合手的弧形 |
| 系统上电 | 左手 | 电源开关 | 自锁开关 |
| 观察目镜 | 眼睛 额头 | 眼罩、缓冲 材料 | 遮光防尘、缓冲防冲击 护额头、视度可调 |
| 按键操作 | 双手 | 手柄按键 | 拇指操作,布局合理 |
| 合盖 | 左手 | 镜盖锁扣 | 自动锁扣 |
| 拆卸弹筒 | 右手 | 导弹转接 板锁扣 | 快速拆卸 |
| 撤离 | 单手 | 提把 | 单手可以提走 |
| 装卸电池 | 单手 | 电池仓 | 仓盖带锁扣,电池取拔 结构 |
| 夜间操作 | 防止漏光 机器噪声 | 导弹和装置有荧光标识 | |
| 界面 | 软件代码 | 简洁明了 | |
| 流程 | 软件代码 | 自动代替手动步骤简化 |
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。
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。
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
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 |
| 考核项 | 内容 | 要求 |
|---|---|---|
| 行军 | 背负若干公里行军 | 不能对身体造成伤害 |
| 乘车 | 登车、下车 | 动作流畅不干涉 |
| 携行 | 卧倒、起立、匍匐、 跃进、越障携行 | 携带不干涉动作 |
| 地形 模拟 | 房子、山地、林地、 堑壕下行战转换 | 小于规定时间,发射姿势 舒适 |
| 模拟 发射 流程 | 单兵或兵组由行军状态展开至战斗状态,再由展开状态转换至行军状态 | 展开时间、撤离时间小于 规定的范围 |
| 夜间操作 | 不漏光,低噪音及可以顺 利对接筒装导弹 |
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。