邵 婷,李光琛 ,張文興,尤 棟,俞育新

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江 舟山 316000)

?

艦炮瞄準(zhǔn)裝置操控界面優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵 婷1,李光琛1,張文興1,尤 棟1,俞育新2

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江 舟山 316000)

介紹了艦炮瞄準(zhǔn)裝置操控界面設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，在充分考慮操作人員、設(shè)備及工作環(huán)境相互作用的前提下，以人機(jī)界面的匹配優(yōu)化為總體目標(biāo)，以操控臺(tái)幾何尺寸和各個(gè)功能單元幾何可布置區(qū)域?yàn)闂l件，依據(jù)人機(jī)工學(xué)和人機(jī)界面最優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，參考國內(nèi)戰(zhàn)士人體模型的數(shù)據(jù)，分析操作手和操控設(shè)備的顯示單元、操控單元的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以人體模型尺寸、環(huán)境使用條件為變量規(guī)劃出每個(gè)單元的各器件的約束條件，確定了瞄準(zhǔn)裝置單兵操作的操控臺(tái)人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

瞄準(zhǔn)裝置；操控臺(tái)；人機(jī)系統(tǒng)；人機(jī)界面；優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文所提及的操控系統(tǒng)人機(jī)界面主要指的是使用人員與機(jī)器及其工作環(huán)境相互關(guān)系的界面空間幾何位置區(qū)域。在艦炮瞄準(zhǔn)裝置操控系統(tǒng)(以下簡稱操控臺(tái)系統(tǒng))中，人通過知覺顯示設(shè)備獲得關(guān)于設(shè)備的信息之后，利用人體操縱控制器件，調(diào)整和改變設(shè)備的工作狀態(tài)，使其按計(jì)劃目標(biāo)工作。其設(shè)計(jì)最終目的是在設(shè)備安全使用的前提下，使用人員獲得較為舒適、可靠、便捷的操作性能。在具體的人機(jī)操控界面設(shè)計(jì)中，要充分考慮人與機(jī)械的配合，通過查詢大量操控設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考相關(guān)研究結(jié)果，經(jīng)分析計(jì)算和比較才能取得滿意的效果[1]。筆者針對(duì)操控臺(tái)人機(jī)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)分析基于空間幾何位置匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及實(shí)際應(yīng)用。

1 操控臺(tái)人機(jī)界面要素

1.1 人機(jī)界面交換模型

人機(jī)界面信息包括環(huán)境信息、設(shè)備信息的顯示和設(shè)備接收信息的控制。人機(jī)系統(tǒng)信息交換的一般模型如圖1所示。

1.2 人機(jī)信息交換、控制方式及要素

在人機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則，按使用人員接收信息的不同通道，通過視覺、聽覺和觸覺器官接收機(jī)械和環(huán)境信息。其中以視覺、聽覺獲取信息最為基本和廣泛。人控制設(shè)備采用身體相關(guān)部位運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，主要分為手部動(dòng)作控制、腳部動(dòng)作控制兩大類控制設(shè)備完成[2]。其典型控制要素如圖2所示。

2 操控臺(tái)人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)

操控臺(tái)的設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的是控制器件與顯示器件的布置。控制器件必須位于操控人員舒適的作業(yè)范圍，一般介于肩與肘之間的空間范圍內(nèi)。顯示器件應(yīng)保證操控者能良好地觀察到各個(gè)感應(yīng)器件傳輸?shù)脑O(shè)備相關(guān)信息。通過判斷，操作所有控制器件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的相關(guān)功能，同時(shí)為人員在長時(shí)間操控設(shè)備時(shí)提供了方便的作業(yè)條件和舒適操控姿勢。

2.1 操控臺(tái)高度設(shè)計(jì)

常用操控臺(tái)按坐姿位置分為兩種：低式坐姿操控臺(tái)和高式坐姿操控臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮合適的容膝空間和伸展空間加以綜合考慮設(shè)計(jì)，以保證操控者舒適的操控姿勢和心理感受。

低式坐姿操控臺(tái)的高度在坐姿人體水平視線以下，以保證操控者的視線能達(dá)到控制臺(tái)前方為準(zhǔn)；其次應(yīng)把操控臺(tái)面布置約高于720 mm，面板傾斜20°左右為宜。

高式坐姿操控臺(tái)的高度為坐姿人體水平視線以上10°～45°范圍，以保證操控者的視線能達(dá)到控制臺(tái)前方各個(gè)控制、顯示器件；其次應(yīng)把操控臺(tái)按功能單元分區(qū)布置[3]。

2.2 操控臺(tái)工作面設(shè)計(jì)

為較方便舒適地顯示控制操作面，根據(jù)人體測量學(xué)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)將手眼協(xié)調(diào)區(qū)布置在操控者眼前半徑不大于600 mm、視角不大于60°的范圍內(nèi)為宜。

2.2.1 顯示界面設(shè)計(jì)

盡量按照操控人員水平視線重合區(qū)以上15°至以下35°的范圍內(nèi)設(shè)置斜度為10°的主顯示面板，配置最主要的顯示器；其次在視野重合區(qū)左右水平線重合區(qū)以上10°～ 45°范圍內(nèi)設(shè)置斜度為20°的面板，配置輔助顯示元件。顯示器件選型時(shí)應(yīng)考慮使用環(huán)境影響。

2.2.2 手控操控元件布置

按照在操控者視水平線以下30°～ 50°范圍內(nèi)設(shè)置面板，在其上配置各種控制開關(guān)、按鈕等操控器件；操控人員坐姿胸前375 mm的空間內(nèi)為主控界面區(qū)域，在該區(qū)域配置最關(guān)鍵的操控器件操縱桿、鍵盤以及關(guān)鍵開關(guān)。布置時(shí)應(yīng)考慮人員操作的左、右習(xí)慣和操作的舒適性問題。

2.2.3 操縱桿

任意扳動(dòng)操縱桿，通過十字分解機(jī)構(gòu)，將操縱桿扳動(dòng)的角度分解成縱、橫2個(gè)分量，與此同時(shí)，桿頭的小球壓杯狀體，使其向下運(yùn)動(dòng)，通過齒條、齒輪帶動(dòng)壓下電位器旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)輸出方位、高低2個(gè)跟蹤角速度。復(fù)位彈簧與彈簧使手柄自動(dòng)歸零。硅油阻尼器是保證平穩(wěn)跟蹤的，調(diào)節(jié)硅油粘度可得到不同的阻尼系數(shù)，使得歸零時(shí)間可調(diào)整。其傳動(dòng)原理如圖3所示。

2.3 操控臺(tái)工作座椅設(shè)計(jì)

人體較自然舒適的工作姿勢為坐姿，操控設(shè)備應(yīng)保證身體處在較為穩(wěn)定的姿態(tài)，因此座椅設(shè)計(jì)是人機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

2.3.1 座椅設(shè)計(jì)要素

座椅結(jié)構(gòu)應(yīng)與各操作環(huán)節(jié)相適應(yīng)，從坐姿生理學(xué)考慮，保持操作過程身體腰靠支撐、舒適并有利于兩腳前后移動(dòng)，減少腰椎部位受力；座椅座高、腰背高應(yīng)該可調(diào)，且調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)可靠、簡單、方便；工作座椅座面和腰靠均應(yīng)使人感覺安全、舒適[4]。

2.3.2 座椅參數(shù)設(shè)計(jì)要素

參考座高360～480 mm，座寬不小于400 mm，座深不小于380 mm。座椅其余相關(guān)尺寸可依據(jù)中國成人身體尺寸確定具體數(shù)值，同時(shí)要兼顧使用空間[5]。

3 人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)匹配函數(shù)

操控臺(tái)人機(jī)界面的匹配優(yōu)化程度是評(píng)價(jià)其顯示、操作和控制的總體指標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)為總函數(shù)，單個(gè)目標(biāo)函數(shù)則以操控界面中各單元的器件匹配優(yōu)化程度為主，分別進(jìn)行多層次、多任務(wù)、多目標(biāo)的最優(yōu)化。而操控臺(tái)系統(tǒng)中的顯示單元、燈鈴指示單元、操控單元與操作手之間匹配的合理程度，用數(shù)值來表示，介于0～l之間，距最佳位置越近就越接近于l，也就代表人與機(jī)系統(tǒng)界面匹配得越好。匹配優(yōu)化程度的函數(shù)表達(dá)式為[6]

(1)

操控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)總體效能的高低與人機(jī)界面中人體模型的選擇有關(guān)。依據(jù)國內(nèi)戰(zhàn)士人體模型的數(shù)據(jù)，分析操作手和操控設(shè)備的顯示單元、操控單元的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，規(guī)劃出每個(gè)單元的各器件的約束條件，在構(gòu)建約束條件時(shí)必須以人體模型尺寸、環(huán)境使用條件為變量[7]。設(shè)計(jì)中也應(yīng)以此為出發(fā)點(diǎn)具體分析，又相互協(xié)調(diào)開展設(shè)計(jì),達(dá)到整體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

4 裝備設(shè)計(jì)及應(yīng)用

根據(jù)上述人機(jī)界面設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出某型大口徑艦炮炮位光電瞄準(zhǔn)裝置的操控臺(tái)，其操控人機(jī)界面尺寸：550 mm×200 mm,550 mm×205 mm,336 mm×240 mm，具體操控面板布局如圖4所示。

某型小口徑艦炮瞄具操控人機(jī)界面尺寸：454 mm×258 mm,具體操控面板布局如圖5所示。

根據(jù)人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)匹配函數(shù)公式，解算出該兩型瞄具相對(duì)應(yīng)的匹配優(yōu)化度數(shù)值,如表1所示。

表1 匹配優(yōu)化度表

5 結(jié)束語

筆者對(duì)艦炮瞄準(zhǔn)裝置操控臺(tái)人機(jī)界面操控布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了簡單綜合論述，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)和人機(jī)界面最優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，對(duì)操作人員的認(rèn)知特性、生理因素、心理因素進(jìn)行分析，完善了操控臺(tái)界面設(shè)計(jì)的步驟和方法，得出互相的約束條件和相關(guān)目標(biāo)函數(shù)，建立了操控臺(tái)人機(jī)操控界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型。

References)

[1]丁玉蘭．人機(jī)工程學(xué)[M]．北京：北京理大學(xué)出版社，2005：90-91．

DING Yulan.Ergonomics[M]．Beijing：Beijing Institute of Technology Press, 2005：90-91．(in Chinese)

[2]盧煊初，李廣燕．人類工效學(xué)[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，1990：112-114．

LU Xuanchu,LI Guangyan.Ergonomics[M]．Beijing：China Light Industry Press，1990：112-114．(in Chinese)

[3]羅仕鑒，朱上上，孫守遷．人機(jī)界面設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：123-136．

LUO Shijian,ZHU Shangshang,SUN Shouqian.Man-machine interface design[M]．Beijing：China Machine Press, 2002：123-136．(in Chinese)

[4]張瀟逸．考慮邊緣人壓力分布的座椅舒適性研究[D]．長春：吉林大學(xué)，2014．

ZHANG Xiaoyi． Seat comfort study with consideration of body pressure distribution of boundary manikins[D]．Changchun：Jilin University，2014．(in Chinese)

[5]黃靖遠(yuǎn)．優(yōu)勢設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：185-196．

HUANG Jingyuan．Superiority design[M]．Beijing：China Machine Press，1999：185-196．(in Chinese)

[6]俞志豪，王祖銘．機(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：72-98．

YU Zhihao,WANG Zuming．Mechanical product modeling design[M]．Beijing：China Machine Press，1992：72-98．(in Chinese)

[7]劉斐,孫宇. 基于人機(jī)工程的汽車組合儀表設(shè)計(jì)研究[J]．遼東學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，17(2)：124- 128．

LIU Fei,SUN Yu. Vehicle combined instrument design based on human engineering[J]．Journal of Eastern Liao-ning University：Natural Science，2010，17(2)：124-128．(in Chinese)

Manipulation Interface Optimized Design of Aiming Devices of Naval Gun

SHAO Ting1, LI Guangchen1, ZHANG Wenxing1, YOU Dong1, YU Yuxin2

(1.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China；2.Equipment Repair Supervisor’s Office in Zhoushan Area，Zhoushan 316000, Zhejiang,China)

This article describes the optimized design method and its application in the aiming device operation interface of the naval gun. With full considerations of the interplay among operators, equipment and environment as a prerequisite, the general objective is the excellent matching of man-machine interface. According to the man-machine engineering and optimized design of the man-machine interface, the statistical characteristics of the display unit and the manipulation unit of the operation device are analyzed with reference to the human phantom data of domestic soldiers. The size of human body model and the working conditions are used as variables for the planning of constraints of each device in each unit. In conclusion, the man-machine interface optimized design model of the operating device in an aiming device by a single soldier is confirmed and is to be used for engineering design.

aiming devices; manipulation platform; man-machine system; man-machine interface; optimized design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.016

2015-04-16

邵婷(1982—)，女，高級(jí)工程師，主要從事艦炮瞄具技術(shù)研究。E-mail：zpfst@163.com

TH703.7

A

1673-6524(2016)03-0076-04