单兵系统是复杂的典型的"人(士兵)—机(单兵装备)—环境(战术任务与环境)"轻武器系统。单兵系统人机工效研究被证明是提高单兵系统作战安全水平、综合效能以及士兵舒适性的一个重要方面,如何能够从人机工效的角度降低士兵负重行军疲劳和运动损伤风险是本文重点关注的问题。本文采用试验与数值仿真相结合的方法开展了单兵系统的人机工效研究,全文主要的工作内容如下:建立了盔—头—颈肌肉骨骼模型,研究了头盔重量、质心位置以及下颚带束紧力对头颈部肌群活动特性的影响。研究结果表明:在矢状面内,若头盔质心位置在-40mm≤x≤23mm与53.3mm ≤x≤60mm范围内,颈部肌群最大激活程度随着头盔重量增加近似线性增加,若头盔质心位置在23mmx53.3mm范围内,颈部肌群最大激活程度随着头盔的质量增加有微弱减小,当头盔重量产生的附加力矩大于力矩域值时,颈部肌肉最大激活程度随着头盔的重量增加而增加;在冠状面内,当头盔质量产生的附加侧弯力矩小于相应的域值时,颈部肌群最大激活程度基本上不随头部质心位置的变化而变化。下颚带束紧力可以提高头盔运动的稳定性,但是下颚带束紧力阻碍下颚咀嚼运动,随着束紧力的增加下颚肌群的激活程度近似线性增加。完成了单兵平衡能力测试试验,通过试验获得到了负重大小和负重位置对受试者平衡能力的影响。压力中心晃动幅度和晃动面积随着负重增加呈近似线性增加趋势,足底压力中心晃动速度随着负重增加而减小。负重位置对各项平衡能力指标也有影响,但是没有表现出显著性差异。左前、右后和均匀布置的负重方式都增加了足底压力中心晃动幅度和晃动面积,其中均匀布置重物与无负重差异最小。完成了单兵行走步态试验,研究了负重大小和负重位置对士兵步态的影响。试验结果表明,随着负重的增加,髋关节角度变化范围减小,距下关节活动范围、整足接触阶段时间、足底受力峰值、足底与地面接触的不平衡程度增加,当负重大于20kg时表现出显著变化。对于负重位置对士兵步态的影响进行了分析,前后左右布置方式士兵的髋关节活动范围、距下关节活动范围、整足接触阶段与离地阶段时间、足底受力峰值、足底和地面接触的不平衡程度与无负重时差异最小。完成了负重对肩峰受力影响试验,选择肩峰受力作为负重舒适性评价指标,并结合主观调查研究了负重大小和负重位置对受试者舒适性影响。研究结果表明:受试者的肩峰受力随着负载重量的增加呈线性增加,主观不舒适性评价也呈增加的趋势,两者之间是线性相关的。在相同负载重量的前提下,均匀布置负载工况受试者的舒适性主观评价和肩峰受力都要优于非均匀布置工况。建立了单兵负重肌肉骨骼模型,以肌肉最大激活程度为舒适性评价指标,研究了后背负重大小和负重位置对士兵舒适的影响。仿真结果表明:随着负重的增加,最大肌肉激活程度呈增加的趋势,当负重质量大于20kg以后,人体最大肌肉激活程度显著增长。随着负载质心位置沿身高方向向下移动,最大肌肉激活程度呈近似线性减小趋势,当负重大于10kg以后,负载质心位置在身高方向变化对人体肌肉受力影响较大;在身体前后方向,随着负载质心位置靠近后背,肌肉的激活程度呈减小趋势;在身体左右方向,随着重物质心位置偏离脊椎,人体肌肉最大激活程度呈指数增长趋势。提出了新的手枪射击人枪响应测试方法,并建立了手枪—人肌肉骨骼模型。试验结果表明:手枪连续射击过程中,手枪运动与足底受力/压力中心位置变化具有密切的关联性。对于54式手枪射击,射手先后经历了被动响应阶段和主动响应阶段,射手进入主动响应阶段大约需要250ms。射手连续射击过程是行为意识学习过程,射手在连续4发射击后控枪能力减弱。对于每一次射击过程,肌肉及关节受力会有3个波峰,前2个波峰是由于手臂随着枪械被动运动造成的,最后1个波峰是主动控制造成的。提出了新的步枪射击人枪响应测试方法,并建立了步枪—人肌肉骨骼模型。研究表明:在步枪连发射击过程中,可以将整个射击过程分为4个阶段:瞄准阶段、被动射击阶段、主动射击阶段、射击结束收枪阶段,从第5发射击开始射手进入主动控制阶段。射手对水平方向、射击方向和竖直方向的控制能力是有差异的,射手对竖直方向运动的控制能力要显著优于水平方向。步枪射击运动在射手身体中传递,身体不同部位标记点的运动规律与枪身上标记点运动规律相似,都呈现出规律性波峰波谷变化规律。在15连发射击过程中,肌肉呈现出15个相似循环规律,肌肉最大激活发生在第1发射击过程中。在射击过程中,左肘关节受力大于右肘关节,左肩关节受力大于右肩关节,腰椎L5关节在身高方向上受力最大,身体前后方向和左右方向受力大小相近。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：E92
【部分图文】：
１．２国内外研究现状??１．２．１单兵综合作战系统研究现状??单兵综合作战系统（图１．１）是将±兵作为整个作战体系的一个基本单元，并将±??兵杀伤力、指挥与控制、通信和情报能力、生存能力、耐久和机动能力等集成在一??起，使其融入数字化战场，从而使２１世纪的±兵具有更快的反应速度，更高的防护能??１??
地评价±兵系统装备的人机性能及其对包括毁伤、指挥控制、生存和机动能力在内的??单兵综合作战能力显得尤为重要我军从＂±兵系统＂研究目标出发，运用虚拟现??实、仿真等手段研制了单兵作战仿真系统（图１．２）?对信息化战术战场环境进行仿??真，并结合各种检测设备评估实战状态下单兵作战装备的综合效能，从而为单兵装备??４??
?Ｔ７??图１．３不同负重方式??１１１１??图１．４不同负重大小对±兵站立影响??对于负重对±兵行军过程中生理生化特性研究，文献巧１－８５］研究了不同负载位置和??负载重量对±兵行军能量消耗的影响。印度学者Ｍａｄｈｕｔｓｙ研究了印度±兵分别负重??４．４ｋｇ、１０．７ｋｇ、１７ｋｇ、和２１．４ｋｇ，?Ｗ特定的速度行军时的必率、有氧消耗、新陈代谢变??化规律，该学者还在文献巧７］中研究了不同行军速度下ｄｒ兵的最佳负重重量。文献巧８］??研究了不同行军速度、负重和负重位置条件下，受试者的新陈代谢特性。??对于负重对±兵行军步态变化规律研究，文献［８９－９１］采用Ｈ维运动捕捉系统，获取??了±兵无负重、负重自身体重的１０％重物和２０％重物的情况下，躯干和大腿屈曲角及其??角速度变化规律。文献［９２］［９３］也对比了±兵在无负重和有负重情况下肢运动学变化规??律。文献［９４］研究了受试者在负重条件下，楼梯台阶高度对受试者足底受力的影响。对??于负重对行军疲劳的影响
【参考文献】
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本文编号：
2875472
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