單兵系統(tǒng)是復(fù)雜的典型的"人(士兵)—機(jī)(單兵裝備)—環(huán)境(戰(zhàn)術(shù)任務(wù)與環(huán)境)"輕武器系統(tǒng)。單兵系統(tǒng)人機(jī)工效研究被證明是提高單兵系統(tǒng)作戰(zhàn)安全水平、綜合效能以及士兵舒適性的一個(gè)重要方面,如何能夠從人機(jī)工效的角度降低士兵負(fù)重行軍疲勞和運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)是本文重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文采用試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法開(kāi)展了單兵系統(tǒng)的人機(jī)工效研究,全文主要的工作內(nèi)容如下:建立了盔—頭—頸肌肉骨骼模型,研究了頭盔重量、質(zhì)心位置以及下顎帶束緊力對(duì)頭頸部肌群活動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明:在矢狀面內(nèi),若頭盔質(zhì)心位置在-40mm≤x≤23mm與53.3mm ≤x≤60mm范圍內(nèi),頸部肌群最大激活程度隨著頭盔重量增加近似線性增加,若頭盔質(zhì)心位置在23mmx53.3mm范圍內(nèi),頸部肌群最大激活程度隨著頭盔的質(zhì)量增加有微弱減小,當(dāng)頭盔重量產(chǎn)生的附加力矩大于力矩域值時(shí),頸部肌肉最大激活程度隨著頭盔的重量增加而增加;在冠狀面內(nèi),當(dāng)頭盔質(zhì)量產(chǎn)生的附加側(cè)彎力矩小于相應(yīng)的域值時(shí),頸部肌群最大激活程度基本上不隨頭部質(zhì)心位置的變化而變化。下顎帶束緊力可以提高頭盔運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,但是下顎帶束緊力阻礙下顎咀嚼運(yùn)動(dòng),隨著束緊力的增加下顎肌群的激活程度近似線性增加。完成了單兵平衡能力測(cè)試試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)獲得到了負(fù)重大小和負(fù)重位置對(duì)受試者平衡能力的影響。壓力中心晃動(dòng)幅度和晃動(dòng)面積隨著負(fù)重增加呈近似線性增加趨勢(shì),足底壓力中心晃動(dòng)速度隨著負(fù)重增加而減小。負(fù)重位置對(duì)各項(xiàng)平衡能力指標(biāo)也有影響,但是沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性差異。左前、右后和均勻布置的負(fù)重方式都增加了足底壓力中心晃動(dòng)幅度和晃動(dòng)面積,其中均勻布置重物與無(wú)負(fù)重差異最小。完成了單兵行走步態(tài)試驗(yàn),研究了負(fù)重大小和負(fù)重位置對(duì)士兵步態(tài)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著負(fù)重的增加,髖關(guān)節(jié)角度變化范圍減小,距下關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、整足接觸階段時(shí)間、足底受力峰值、足底與地面接觸的不平衡程度增加,當(dāng)負(fù)重大于20kg時(shí)表現(xiàn)出顯著變化。對(duì)于負(fù)重位置對(duì)士兵步態(tài)的影響進(jìn)行了分析,前后左右布置方式士兵的髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、距下關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、整足接觸階段與離地階段時(shí)間、足底受力峰值、足底和地面接觸的不平衡程度與無(wú)負(fù)重時(shí)差異最小。完成了負(fù)重對(duì)肩峰受力影響試驗(yàn),選擇肩峰受力作為負(fù)重舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo),并結(jié)合主觀調(diào)查研究了負(fù)重大小和負(fù)重位置對(duì)受試者舒適性影響。研究結(jié)果表明:受試者的肩峰受力隨著負(fù)載重量的增加呈線性增加,主觀不舒適性評(píng)價(jià)也呈增加的趨勢(shì),兩者之間是線性相關(guān)的。在相同負(fù)載重量的前提下,均勻布置負(fù)載工況受試者的舒適性主觀評(píng)價(jià)和肩峰受力都要優(yōu)于非均勻布置工況。建立了單兵負(fù)重肌肉骨骼模型,以肌肉最大激活程度為舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo),研究了后背負(fù)重大小和負(fù)重位置對(duì)士兵舒適的影響。仿真結(jié)果表明:隨著負(fù)重的增加,最大肌肉激活程度呈增加的趨勢(shì),當(dāng)負(fù)重質(zhì)量大于20kg以后,人體最大肌肉激活程度顯著增長(zhǎng)。隨著負(fù)載質(zhì)心位置沿身高方向向下移動(dòng),最大肌肉激活程度呈近似線性減小趨勢(shì),當(dāng)負(fù)重大于10kg以后,負(fù)載質(zhì)心位置在身高方向變化對(duì)人體肌肉受力影響較大;在身體前后方向,隨著負(fù)載質(zhì)心位置靠近后背,肌肉的激活程度呈減小趨勢(shì);在身體左右方向,隨著重物質(zhì)心位置偏離脊椎,人體肌肉最大激活程度呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。提出了新的手槍射擊人槍響應(yīng)測(cè)試方法,并建立了手槍—人肌肉骨骼模型。試驗(yàn)結(jié)果表明:手槍連續(xù)射擊過(guò)程中,手槍運(yùn)動(dòng)與足底受力/壓力中心位置變化具有密切的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于54式手槍射擊,射手先后經(jīng)歷了被動(dòng)響應(yīng)階段和主動(dòng)響應(yīng)階段,射手進(jìn)入主動(dòng)響應(yīng)階段大約需要250ms。射手連續(xù)射擊過(guò)程是行為意識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程,射手在連續(xù)4發(fā)射擊后控槍能力減弱。對(duì)于每一次射擊過(guò)程,肌肉及關(guān)節(jié)受力會(huì)有3個(gè)波峰,前2個(gè)波峰是由于手臂隨著槍械被動(dòng)運(yùn)動(dòng)造成的,最后1個(gè)波峰是主動(dòng)控制造成的。提出了新的步槍射擊人槍響應(yīng)測(cè)試方法,并建立了步槍—人肌肉骨骼模型。研究表明:在步槍連發(fā)射擊過(guò)程中,可以將整個(gè)射擊過(guò)程分為4個(gè)階段:瞄準(zhǔn)階段、被動(dòng)射擊階段、主動(dòng)射擊階段、射擊結(jié)束收槍階段,從第5發(fā)射擊開(kāi)始射手進(jìn)入主動(dòng)控制階段。射手對(duì)水平方向、射擊方向和豎直方向的控制能力是有差異的,射手對(duì)豎直方向運(yùn)動(dòng)的控制能力要顯著優(yōu)于水平方向。步槍射擊運(yùn)動(dòng)在射手身體中傳遞,身體不同部位標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與槍身上標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似,都呈現(xiàn)出規(guī)律性波峰波谷變化規(guī)律。在15連發(fā)射擊過(guò)程中,肌肉呈現(xiàn)出15個(gè)相似循環(huán)規(guī)律,肌肉最大激活發(fā)生在第1發(fā)射擊過(guò)程中。在射擊過(guò)程中,左肘關(guān)節(jié)受力大于右肘關(guān)節(jié),左肩關(guān)節(jié)受力大于右肩關(guān)節(jié),腰椎L5關(guān)節(jié)在身高方向上受力最大,身體前后方向和左右方向受力大小相近。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：E92
【部分圖文】：

１．２國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀??１．２．１單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀??單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)（圖１．１）是將±兵作為整個(gè)作戰(zhàn)體系的一個(gè)基本單元，并將±??兵殺傷力、指揮與控制、通信和情報(bào)能力、生存能力、耐久和機(jī)動(dòng)能力等集成在一??起，使其融入數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)，從而使２１世紀(jì)的±兵具有更快的反應(yīng)速度，更高的防護(hù)能??１??

地評(píng)價(jià)±兵系統(tǒng)裝備的人機(jī)性能及其對(duì)包括毀傷、指揮控制、生存和機(jī)動(dòng)能力在內(nèi)的??單兵綜合作戰(zhàn)能力顯得尤為重要我軍從＂±兵系統(tǒng)＂研究目標(biāo)出發(fā)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)??實(shí)、仿真等手段研制了單兵作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（圖１．２）?對(duì)信息化戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿??真，并結(jié)合各種檢測(cè)設(shè)備評(píng)估實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)下單兵作戰(zhàn)裝備的綜合效能，從而為單兵裝備??４??

?Ｔ７??圖１．３不同負(fù)重方式??１１１１??圖１．４不同負(fù)重大小對(duì)±兵站立影響??對(duì)于負(fù)重對(duì)±兵行軍過(guò)程中生理生化特性研究，文獻(xiàn)巧１－８５］研究了不同負(fù)載位置和??負(fù)載重量對(duì)±兵行軍能量消耗的影響。印度學(xué)者Ｍａｄｈｕｔｓｙ研究了印度±兵分別負(fù)重??４．４ｋｇ、１０．７ｋｇ、１７ｋｇ、和２１．４ｋｇ，?Ｗ特定的速度行軍時(shí)的必率、有氧消耗、新陳代謝變??化規(guī)律，該學(xué)者還在文獻(xiàn)巧７］中研究了不同行軍速度下ｄｒ兵的最佳負(fù)重重量。文獻(xiàn)巧８］??研究了不同行軍速度、負(fù)重和負(fù)重位置條件下，受試者的新陳代謝特性。??對(duì)于負(fù)重對(duì)±兵行軍步態(tài)變化規(guī)律研究，文獻(xiàn)［８９－９１］采用Ｈ維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，獲取??了±兵無(wú)負(fù)重、負(fù)重自身體重的１０％重物和２０％重物的情況下，軀干和大腿屈曲角及其??角速度變化規(guī)律。文獻(xiàn)［９２］［９３］也對(duì)比了±兵在無(wú)負(fù)重和有負(fù)重情況下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)變化規(guī)??律。文獻(xiàn)［９４］研究了受試者在負(fù)重條件下，樓梯臺(tái)階高度對(duì)受試者足底受力的影響。對(duì)??于負(fù)重對(duì)行軍疲勞的影響
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2875472