（人机与环境工程专业论文）飞机驾驶舱人机工程设计研究.pdf

a b s t r a c t t h ea i r p l a n ec o c k p i td e s i g nb a s e do ne r g o n o m i c sc a l lp r o v i d et ot h ep i l o tt h e c o m f o r t a b l ed r i v i n gp o s t u r e ，g o o df l i g h tf i e l do f v i s i o na n dr e a s o n a b l ec o n t r o l l e rl a y o u t t h u sc a u s e st h ep i l o tt oc o m p l e t et h ea e r i a lm i s s i o ne f f e c t i v e l ya n ds a f e l y , i n d i r e c t l y e n h a n c e st h ea i r p l a n e sp e r f o r m a n c e t h ea r t i c l et a k et h ee r g o n o m i c sa st h ef o u n d a t i o n , c o n d u c t st h er e s e a r c ht ot h ev a r i o u sp a r t so fc o c k p i td e s i g na n dt h eo v e r a l ll a y o u t h u m a nb o d ym o d e li se s t a b l i s h e db yt h ea n a l y s i so fh u m a nb o d y so s s e o u ss y s t e m t h e n0 b rc o u n t r y sp i l o tm o d e li sg e n e r a t e di nj a c ks o f t w a r e t h ea r i t h m e t i cc o n t a i n s t h r e ep a r t s ：t h el o w e ra n du p p e rl i m b sm o v e m e n tc h a i n s o l u t i o n ；a n a l y z e sb e t w e e n c o c k p i tr e f e r e n c ep o i n t sw h i l eh u m a nj o i n ta n g l ei sc o m f o r t a b l e ；t h ec a l c u l a t i o no f c o c k p i tl a y o u t d i g i t i z e dm o d e l so f a l ld e s i g np a r t sa l e m a d ei nc a t i a ，a n di n d u c t e dt o j a c k t h ec o m f o r t a b l e n e s sa n dv i s u a lf i e l dm o d u l ei nj a c ki su s e dt oa n a l y z et h e r e s u l tf r o mc a l c u l a t i o n s an e wm e t h o do ft h ec o c k p i td e s i g nh a sb e e ne s t a b l i s h e db y a b o v ew o r k k e y w o r d s ：e r g o n o m i c s ，c o c k p i td e s i g n ，j a c ks o f t w a r e 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 r f e 编本学位论文。 同日j 本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： - 1 ，1 年乡月- , , t h 指导教师签名： 坤 年； 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担。一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：砻龟蜂 矽1 年5 月蜘t f 1 1 研究地目的和意义 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 在飞机总体设计理论中，随着飞机的翼型、动力系统、液压系统和航控系统 等设计理论的成熟化，驾驶舱的设计相应得到人们的重视。飞机驾驶舱的设计要 遵从机械设计准则、工程实践经验、人机工程准则和美学准则等。而以人机工程 学为基础的驾驶舱设计成为各国飞机研制部门的热点。以往的驾驶舱设计在入机 工程学方面考虑不足，带来了许多问题。例如，座椅的头枕设计不当，会在飞机 过载飞行时给飞行员带来生命危险；驾驶杆位置不当，会影响飞行员的操作，从 面降低了飞机的机动性能；仪表板布置不合理，会影响飞行员对飞行信息和战场 信息的捕获，导致飞行任务的失败。因此有必要对飞机驾驶舱进行人机工程学设 计。 飞机驾驶舱的人机工程学设计是驾驶舱室这类人的操作空间设计的一个实 例。现在的机械设计理论很成熟，工程实践经验也相当丰富，在人的操作空间设 计中，人机工程学设计越来越显得重要。在飞机驾驶舱设计时，用“以人为本” 的思想来设计，给飞行员提供一个舒适、安全、省力的驾驶环境，为高效的飞行 操作和圆满的完成任务提供保障。因此，运用人机工程学，对飞机驾驶舱设计研 究是很有意义的。 1 1 2 国、内外研究状况 1 国外研究状况 运用人机工程学进行驾驶舱设计比较早的是美国和日本，并且现今也处于领先 地位。美国的人机工程理论研究开展很早，在二战时就曾根据对士兵的人体数据 测量来设计军服。在航空工业的发展下，更是将人机工程学理论应用到驾驶舱的 设计中。这就是美国飞机的驾驶舱比前苏联飞机的驾驶舱舒适的原因。随着计算 机硬件的发展，美国等发达国家开发研制了许多基于人机工程学的计算机辅助设 计软件，这些软件被广泛应用于飞机驾驶舱，以及汽车驾驶室的设计中。比较有 绪论 代表性的这类软件有： c o m b i m a n l i 2 】：d a y t o n 大学1 9 7 3 年为美国空军开发，用予飞机乘务员工作 站辅助设计中的视野分析和手部可达性分析。该系统提供陆、海、空军男女性人 体测量数据库。该系统的人体模型考虑了人体活动在关节处的约束以及服装对人 体关节的限制。该系统只限于概念性设计分析用。 j a c k t l , 2 l ：最初由宾西法尼亚大学开发，现在属于e d s 下e f a c t o r y 解决方案 中的产品。人体模型包含6 8 个关节点，6 9 个节段，1 3 5 个自由度，脊柱有1 7 段， 手有1 6 段，逼真的肩膀锁骨关节模型。j a c k 的分析工具包括：人体测量、虚拟 现实、姿势预测、舒适性评价、可达性分析、下背部脊柱受力分析、强度预计、 举升分析、快速上肢评估、预定义的时间分析、新陈代谢能量消耗、人工处理限 制、疲劳恢复时间分析、i 工作姿势分析等。j a c k 手模型可以实现自动抓取，人 眼模型可以逼真地实现象真人一样的眼珠转动。正是这些特点，j a c k 被许多大公 司和教育科研机构采用。如n a s aa m e s 中心用它仿真直升机飞行员任务；a r m y r e s e a r c ho f f i c e 人类工程学实验室用它评价车辆驾驶员的可达性、舒适性、力量、 工作负荷及驾驶员的协作；美国科学基金会用它产生人体动画，考察路径选择、 避开障碍等。j a c k 很大一个特点就是具有良好的扩充性、可以方便地进行二次开 发，增加需要的分析模块。 r a m s i s l l ，2 1 ：德国t h c m a t h 开发，可单独使用，也可嵌入到c a t 队v 4 或v 5 中。工效分析工具包括：人体建模、动作仿真、姿势计算、创建或导入产品模型、 可达性分析、动画、镜子仿真、安全带分析、舒适性分析、距离分析、净空分析、 关节角、最大操作力计算( 手、臂系统) 等。新版本又新增了飞行员和乘客两个 姿势模型。r a m s i s 模型提供了大范围的人体测量数据库，包括德国，法国，美国 力口拿大，中国，墨西哥，南美，日本韩国等。 2 国内研究状况 我国的人机工程学理论研究开展较晚，人机工程专业在许多高校才剐刚建立。 我国的飞机驾驶舱设计主要是借鉴前苏联的成果。由于前苏联的驾驶舱人机工程 学设计考虑不足，所以我国的飞机驾驶舱设计这方面也欠缺。改革开放后，我国 的驾驶舱设计开始向美国等发达国家学习，融入了人机工程学设计部分。但由于 各研究机构的驾驶舱设计规范还不统一，基于人机工程学的驾驶舱统一的设计标 准还有待形成。在驾驶舱人机工程学设计方面，北航、南航和一些研究部门都取 得了一定的成果和开发了一些软件： m m e s l l 】软件：上世纪8 0 年代开始由北京航空航天大学袁修干教授和温文彪 教授等人开发。一开始是在s g i 公司的i r i r - 4 d 2 5 t g 图形工作站上开发，后又移 2 绪论 植到微机上。人体自由度简化为3 6 个，把人体分为1 5 个肢体，定义为1 5 个图形 物体。该系统能生成参数化的座舱模型、人体模型、可达域模型和视域模型。已 知人体完成某一操作的起始和终止状态，可根据运动学和动力学原理求出人体在 该操作过程中的中间姿态。在一定时间内显示这些中间姿态及相应的机器状态， 便可在图形终端上真实地显示人机联动的过程。目前，北航已建立了一套军用驾 驶舱人机工效模拟系统，它建立了数字飞行员的模型库，能够完成军用战斗机舱 内设计方案的模型评价。 南京航空航天大学机电工程学院的唐利芹等，以人体测量学理论、人体数据 国家标准、中国人解剖学数值为依据。建立了人体尺寸数据库，开发了以c + + b u i l d e r 为编辑环境的、面向工业设计用的参数化人体模型生成系统。分析了s t l 文件格式，编制了该系统与u g ，3 d s m a x 等三维造型软件的接口程序。应用该 系统可以生成中国飞行员的人体模型。 1 1 3 选题意义 人机工效学作为一门新兴的学科，它对驾驶舱设计的作用也越来越得到人们的 重视。国内外的学者在这方面都进行了大量的研究，但我国在这方面并没有优势。 所以在这方面的研究是很必要的。现在我国的航空产业发展得十分迅速，驾驶舱 的人机工程学设计不足会影响飞机的竞争力。因此在这方面进行研究就很有意义 了 j a c k 作为一个很优秀人体建模和工效学评价软件，在行业内处于技术领先。 在飞机驾驶舱设计中用j a c k 对设计尺寸进行评价，得到的结果会对实际设计有 很好的指导作用。 1 2 飞机驾驶舱中的人机工程学 1 2 1 人机工程学基础概念 人机工程学【i 工习是运用人体科学和现代科学的理论和方法，以人为主体，研究 人一机一环境系统中各元素相互协调、相互配合的规律，最终求得人机环境整体 系统的最优化的一门学科。欧洲称之为e r g o n o m i c s ，美国称之为h u m a nf a c t o r s 。 在人一机一环境系统中，“入”是指作为工作主体的人，指参与系统工程的作 业者( 如操作人员，决策人员，维护人员等) ，在飞机驾驶舱设计中为飞行员；“机” 是指人所控制的一切对象，是指与人处于同一系统中与人交换信息、能量和物质， 绪论 并为人借以实现系统目标的物( 如汽车、飞机、轮船、生产过程、具体系统和计 算机等) 的总称，在飞机驾驶舱设计中，即为驾驶舱中的设计元件一座椅、驾驶 杆、脚蹬和仪表板等；“环境”是指人、机共处的外部条件( 如外部作业空间、物 理环境、生化环境和社会环境) 或特定工作条件( 如温度、噪声、振动、有害气 体、缺氧、低气压、超重及失重等) ，在飞机驾驶舱设计中即为驾驶舱内的工作环 境。 、 研究中，把人、机、环境三者视为相互关联的复杂巨系统，运用现代科学技 术的理论和方法进行研究，使系统具有“安全、高效、经济”等综合效能。在飞 机驾驶舱设计中就要以人机工程理论为基础，对飞机驾驶舱设计元件进行合理布 局，使飞行员能舒适、高效和安全的驾驶飞机和完成特定的任务。 1 2 2 飞机驾驶舱人机工程学设计相关问题 1 人体数据和人体模型 人体数据t 4 , 5 】是通过人体测量学得到的不同人体百分位的线性和角度尺寸，也 称作人体的静态和动态尺寸。它是进行人机工程学设计的基础。根据统计学分析， 不同群体的人体各项静态尺寸都服从正态分布。但由于种族、性别、年龄、地区 和职业等因素，不同群体的人体尺寸存在着显著的差异性。因此对于不同的设计 对象，需要使用不同的人体数据。在飞机驾驶舱的设计时，需要使用国军标中相 关的人体数据。例如，歼击机飞行员人体侧面样板尺寸( g j b3 6 8 5 ) 和中国男性 飞行员人体尺寸( g j b 4 8 5 6 - - 2 0 0 3 ) 等。 人体模型在分析时为多刚体系统运动学模型【6 l ，在计算时为数字模型【1 2 j 。人 体的多刚体系统模型是以多刚体系统运动学为基础建立的人体三维杆状模型。在 设计分析时，可以通过齐次变换矩阵得到人体各刚体部分在参考坐标系下的坐标 值，从而确定人体各部分的活动范围和舒适域。随着计算机硬件的发展，人体数 字模型在人机工程学设计中得到广泛的应用。它的理论基础是人体解剖学、多刚 体系统运动学和计算机图形学等。研究人员可以自己建立模型，也可以使用嵌套 在一些软件中的模型。例如u g 、c a t i a 和j a c k 软件等中都有自带的人体模型。 研究人员自己建立的人体数字模型不如上述软件中的模型( 或在这些软件中二次 开发的模型) 逼真、方便和功能强大。本文使用的人体数字模型就是在j a c k 中 的。 2 驾驶舱元件设计 飞机驾驶舱的主要设计元件有座椅、驾驶杆、脚踏板和仪表板等。它们都有 相关的人机工程学设计原理： 4 绪论 对于座椅设计，首先要从人体坐姿理论p , s j a , 手。与人体坐姿舒适性相关的是 坐姿舒适角度和人体坐姿体压分布。坐姿舒适角度是由人们大量的实验得到的推 荐性的角度范围。美国和日本在这方面的研究处于领先地位，由于舒适角度值的 范围受人种影响不大，因此可以借鉴国外的研究成果。例如，可以使用s a e 中的 人体动态尺寸【9 l 的舒适值进行舒适域分析。人体体压分布也是通过实验得到，它对 座椅各设计元素( 座高、座深、扶手高和头枕尺寸等) 有重大的指导意义。在这 方面可以参见有关座椅尺寸设计的国军标( 歼击机座椅基本几何尺寸g j b 1 9 a 9 s ) 。 对于驾驶秆和脚踏板，同属于入的操作器设计。对于入的操作器设计，首先 要进行人手和脚的活动范围和受力分析。在这方面也有大量的实验数据可供参考。 根据人体的多刚体系统模型可将人体模型分为上、下肢运动链【l j j 。通过实验得到 的人体关节角度舒适值和人体多刚体模型的齐次变换求解，可以求出人手和脚的 活动范围和舒适域。将驾驶杆和脚踏板布置在人手和脚的舒适域内，而仪表板上 的控制面板应布置在人手的活动范围内。 对于仪表板设计，要考虑人体的视域分析【5 1 。飞机的主要仪表和显示器应设计 在飞行员的舒适视野内，便于飞行员观察。飞机仪表一般采用圆形指针式仪表， 显示器最好用液晶显示器。在这方面还要参照相关的标准( 国军标一歼击机座舱 视野和主仪表板视区g j b3 0 7 8 7 和航空工业标准一飞机座舱视野i - i b6 1 5 5 8 8 等) 。 3 计算机建模分析 对设计出的驾驶舱元件尺寸和位置关系要进行计算机建模分析。各元件模型 可以在u g 、c a t i a 和s o l i d w o r k s 等c a d 软件中建立。这些软件一般也带有相关 的人机工程学分析模块和人体数字模型，可以作为分析平台。j a c k 作为专业的人 机工程学分析软件，其人体模型方便二次开发。各工效学评价模块功能强大，更 能胜任最终的分析任务。所以，可以先在u g 等软件中建立元件模型再导入到j a c k 中，用二次开发好的人体模型进行分析，来指导最终的设计。 5 人体尺寸和人体模型 2 1 人体尺寸 第二章人体尺寸和人体模型 人体尺寸数据是人机系统设计的基本资料。人体测量学5 1 通过测量人体各部位 尺寸确定人体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用来研究人的形态，为工业 产品造型设计和人机环境系统工程设计提供人体测量数据。人体测量数据主要有 两类，即人体静态尺寸和人体动态尺寸。静态尺寸是结构尺寸，动态尺寸是功能 尺寸。后者包括操作者在工作姿势或某种操作活动状态下测量的尺寸。 2 1 1 人体静态尺寸 人体静态尺寸是指被测者静止时得到的测量尺寸。静态尺寸用作为设计工作 空间的大小、家具、产品界面原件以及一些工作设施等的设计依据。静态测量主 要可分为立姿、坐姿、跪姿和卧姿4 种基本形态。国家标准中规定立姿有4 0 项， 坐姿有2 2 项。( 详见g b 3 9 7 5 8 3 人体测量术语和c b 5 7 0 3 - - 8 5 人体测量方 法) 根据统计学分析，不同群体的人体各项静态尺寸都服从正态分布。但由于种 族、性别、年龄、地区和职业等因素，不同群体的人体尺寸存在着显著的差异性。 因此对于不同的设计对象，需要使用不同的人体数据【5 】。 对于驾驶舱设计，主要用到的是飞行员的坐姿测量数据。例如，歼击机飞行 员人体侧面样板尺寸( g j b3 6 8 5 ) 中有关驾驶舱设计所需2 2 项人体坐姿数据【1 0 1 分别为：坐高、身长、顶颈距、颈肩距、肩肘距、肘腕距、腕指尖距、髋膝距、 膝踝距、踝高、颈髋距、眼高、枕背距、眼枕距、胸背距、腹背距、膝背距、踝 跟距、足长、肩峰高、背突指尖距、胭窝高。还有国军标的中国男性飞行员人体 尺寸( g j b 4 8 5 6 - - 2 0 0 3 ) ，也有大量的人体尺寸数据。对于缺少的数据，可采用数 学方法估算或是用其他相近的群体数据来替代。例如，可以用韩国人体尺寸来代 替我国人体尺寸中缺少项进行计算。 2 1 2 人体动态尺寸 人体动态尺寸是以人的生活行动和作业空间为测量依据的，包括人的自我活 动空间和人机系统的组合空间。动态人体尺寸分为四肢活动尺寸和身体移动尺寸 两类。四肢活动尺寸是指人体在原姿势下只活动上肢或下肢，而身躯位置没有变 6 人体尺寸和人体模型 化的相关角度尺寸。对于飞机驾驶舱设计。主要用到的人体动态尺寸是四肢活动 尺寸嘲。在这方面s a e ( 美国汽车工程师协会) 研究的比较详细。由于人体动态尺 寸在人种中的差异性不大，因此可以借鉴s a e 的数据进行分析。 表2 - 1s a e 部分动态尺寸数据【9 】 2 2 人体模型 2 2 1 人体骨骼模型【2 】 建立人体的数学模型，首先要认真分析复杂的人体系统，将其简化到方便用数 学的语言来描述和分析。主要的人体系统有骨骼系统、神经系统、内分泌系统、 肌肉系统和循环系统等。对于运动学建模主要用的是骨骼系统。所以要对人体的 骨骼迸行分析。 骨骼中各骨之间是直接或间接相连结的。直接骨连结即两骨借以不同的组织 7 人体尺寸和人体模型 直接连结，包括许多不动关节。间接骨连结，即动关节( 或称滑膜关节) ，由关节 面、关节囊和关节面之间的关节腔组成。根据需要，还有一些辅助结构，如起加 固作用的韧带、关节盘( 唇) 和滑膜腔。显然动关节与人体躯干和肢体的活动性 更加紧密相关，理所当然是确定人体模型关节点和关节连结段( 身体段) 的活动 性质的根据。所以在建立模型前要对相关动关节的运动特性进行分析。 从运动轴的角度讨论关节的分类：、 1 单轴关节。只有一个活动自由度。主要包括： ( 1 ) 屈戌关节。仅容许一个平面运动，就象门铰链一样，通常运动方式为伸 展和弯曲。肘关节、膝关节、踝关节、趾指关节等都是单轴关节，自由度为l 。 ( 2 ) 车轴关节。主要关节运动类行为旋转。手掌的外翻和内翻。 2 双轴关节 具有2 个自由度。主要包括： ( 1 ) 踝状关节。如指关节。 ( 2 ) 椭圆关节。如腕部关节。 3 三轴关节 具有3 个自由度。如髋关节和肩关节。 表2 2 人体关节运动类型总结表 关节 运动类型 锁关节 肩关节 肘关节 腕关节 髋关节 膝关节 踝关节 颈关节 躯干( 颈椎关节) 球面运动 球面运动、扭转运动 弯曲、扭转运动 球面运动 球面运动、扭转运动 弯曲、扭转运动 球面运动 球面运动、扭转运动 球面运动、扭转运动 2 2 2 对各个人体骨骼体系简化和建立模型 1 肢体 下肢简化为从髋关节点到膝关节点再到踝关节点的直线。对于上肢，简化肘 8 人体尺寸和人体模型 关节处的几对关节连接为一个关节连接，并使该关节“具有”2 个自由度的运动形 式。 2 脊柱 人体脊柱的形态和运动对人体姿势起很大的决定作用。通过对于人体脊柱在 不同姿势下的形态变化规律与姿势的舒适性范围的研究，可以用于设计和布置车 内座椅、驾驶姿势、驾驶空间和控件布局等。 椎柱是构成躯干的基本结构，由3 3 3 4 块椎骨组成。椎骨问通过韧带、肌肉、 脊骨关节和椎间盘等连接而成脊椎整体。椎骨可分为颈椎7 块( c 1 c 7 ) 、胸椎1 2 块( t 1 t 1 2 ) 、腰椎5 块( l 1 l 5 ) 、骶椎5 块( s l s 5 ) 和尾椎4 5 块。颈椎位于 颈部，而5 块骶椎愈合形成骶骨，尾椎愈合形成尾骨。因此躯干的活动部分实际 只包括1 2 块胸椎骨和5 块腰椎骨。立姿状态下脊柱的腰椎部分呈前弯状态，即前 凸弯曲状态；而在坐姿状态下，星后凸状态。同时，整个脊柱包括腰椎、胸椎、 颈椎及骶椎和尾锥都发生了显著的形位变化。人体模型从一个姿势到另一个姿势 过渡时，由脊柱形态变化引起的髋关节点、肩关节点、锁骨关节点的位置变化是 十分明显的。而这些关节点位置对四肢的姿势和伸及范围，以及对作业空间的设 计，都起到了决定的作用。脊柱的运动类型可以总结为前后弯曲伸展、旋转和侧 倾。 3 髋部 髋关节的运动类型可归纳为球面运动和旋转运动两类。建模时将整个髋部作 为一个整体。当躯干姿势由立姿转坐姿时，髋关节会发生前移，髋部会绕l s s 1 椎骨关节向前产生旋转。因此，可将髋部作为一个固定的三角形骨骼整体来处理： 三角形的三个点分别是左、右髋关节点和l 5 s 1 椎骨关节点。 4 肩部和胸部骨骼简化 对于从肩关节到胸椎的关系，简化处理成由肩点到脊柱的一段直线。 5 人体模型骨骼体系的整体结构 在躯干位置通常不作很大变动的驾驶工作姿势下，通过控制h 点( 髋点) 和 肩关节点，能够控制整个躯干的基本位姿：通过控制足点和膝关节点，能够控制 下肢的基本位姿；通过控制手和肘关节点，则能够控制上肢的基本位姿。 9 人体尺寸和人体模型 图2 1 人体多刚体系统运动学模型 综上，将人体骨骼系统简化成一个由1 5 个关节点和1 7 个刚体组成的多刚体系 统的运动学模型。 6 飞行员人体模型的上、下运动链l l ， 如图2 1 所示，飞行员在驾驶时被固定在弹射座椅上，其对飞机进行操纵的多 刚体运动学模型可简化为上下运动链。因胸腹部处被固定，上肢运动链为：手臂 对于肩关节3 个自由度，前臂对肘关节1 个自由度，手对腕关节2 个自由度。下 肢运动链为：大腿对髋关节1 个自由度( 因为必须操作脚蹬) ，小腿对膝关节1 个 自由度，腿对踝关节1 个自由度。 2 3j a c k 软件中人体模型的建立 2 3 1j a c k 软件介绍 j a c k 【1 2 1 是一个目前公认较成功的人体仿真模型与工效评估软件，由 n a s a j s c 、n a s a a m e s 、l o c k h e e d 公司等单位资助，美国宾夕法尼亚大学计算 机与信息科学系被称为“人体仿真学之父”的n o r m a nb a l d e r 教授主持，历经十多 年的时间开发的软件系统。该软件是基于s g i 工作站的3 d - - m c a d 系统。提供了 简洁的人体几何模型，方便直观的用户界面，完整的人体测量学数据库，有效的 作业姿势控制及运动仿真，以及利用自然语言对任务环境下作业姿态和运动的说 明及操作控制能力。 1 0 ：上y x 人体尺寸和人体模型 j a c k 产生的人眼模型可以像真人的眼珠一样向四个方向转动，转换视场的范 围。j a c k 软件的这个特点使得它在视场分析方面有着诱人的前景，可以用j a c k 软件进行视觉变换规律的研究与分析。 j a c k 可以通过程序来驱动虚拟人体模型走路、跑步或爬行。在实际的工程应 用中，工程技术人员可以通过虚拟人体运动，进行虚拟人体与周围虚拟环境的碰 撞检测，以检验人与有限空间中相互作用的信息，进行工效学的评价与研究。 j a c k 具有良好的可扩展性、灵活性和开放型，是一个高度结构化的软件。同时， j a c k 提供了与虚拟现实设备的接口，可以通过外部设备直接驱动虚拟人体模型， 可以导入多种文件格式的三维虚拟模型，具有良好的兼容性。 j a c k 软件由于上述的特点，被许多大公司和教育科研机构所采用。例如， n a s a a m e s 在研究航天飞机和空间站，进行可达性、匹配性与可视性和仿真直升 机飞行员任务时就采用了j a c k 软件；a r m yr e s e a r c ho f f i c e 人类工程学实验室用 j a c k 评价车辆驾驶员的可达性、舒适性、力量、工作负荷及驾驶员的协作能力； 美国国家科学基金会、英国国防部人类服务中心等也都使用j a c k 软件进行科学 研究工作。 2 3 2 飞行员人体模型建立 在j a c k 软件中，可以通过h u m a n 菜单下c r e a t e 中的c u s t o m 功能，建立自 定义的人体模型【1 2 】。 图2 - 2c u s t o m 功能框 1 1 人体尺寸和人体模型 图2 - 3a d v a n c e ds c a l i n g 菜单 在c u s t o m 的a d v a n c e ds e a l i n g 菜单中定义了2 6 项人体测量学数据“”，它们 分别为：身高、腹厚、外踝高、肩端点、上肢长、肩端宽、最大肩宽、臀膝距、 坐姿肘高、前臂加手前伸长、足宽、足长、手最大宽、手长、头全高、头最大长、 臀宽、瞳孔间距、肩峰肘距、坐姿肩高、坐姿眼高、坐高、坐姿膝高、坐姿大腿 厚、拇指尖距地高度。 g j b 4 8 5 6 2 0 0 3 是在2 0 0 3 年1 0 月开始实施的我国男性飞行员人体尺寸国家军 用标准。该标准规定了混合机种、歼( 强) 击机、轰炸机( 与直升机) 及运输机 四个类别的我国男性飞行员人体尺寸数据。其中每个类别都包含1 4 1 项基础项目 测量数据和1 6 4 项推荐项目测量数据，以及不同百分位的人体尺寸数据。 利用j a c k 软件的建模功能，通过查取g j b 4 8 5 6 2 0 0 3 中相应的人体尺寸数据， 可以建立了混合机种、歼( 强) 击机、轰炸机( 与直升机) 及运输机四个类别的1 、5 、5 0 、9 5 、9 9 不同百分位上，共2 0 个我国男性飞行员人体模型。 可以在h u m a n 的c r e a t e 选项中调用，如下图所示。 人体尺寸和人体模型 图2 - 4 在j a c k 中生成的2 0 个我国男性飞行员人体模型 飞机各元件人机工程设计原理 第三章飞机各元件人机工程设计原理 3 1 座椅人机工程设计原理 3 1 1 坐姿的生理形态【5 】 舒适的坐姿，应保证腰曲弧形处于正常状态，腰背肌肉处于松弛状态，从上 体通向大腿的血管不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿是臀部稍 离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿夹角在9 0 。1 1 5 。，同时， 小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图3 - 1 所示。 图3 1 舒适的坐姿关节角度 1 0 。 0 。 2 0 。 8 0 。 0 ， 9 0 。 l 0 0 9 0 ( 1 2 0 。 1 540g 3 5 。 9 0 。 04 1 1 5 。 晒9 日_ 9 5 。 在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、盆骨、腿和脚等。脊柱位于人 体背部中线处，由3 3 块短圆柱状椎骨组成，包括7 块颈椎、1 2 块胸椎、5 块腰椎 和下方的5 块骶骨及4 块尾骨，相互间由肌腱和软骨连接。腰椎、骶骨和椎间盘 及软组织承受坐姿时上身大部分负荷，还要实现弯腰扭转等动作。 正常的姿势下，脊柱的腰椎部分前凸，而至骶骨时则后凹。在良好的坐姿状 1 4 飞机各元件人机工程设计原理 态下，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上分布均匀的静负荷。当处于非 自然姿势时，椎间盘内压力分布不正常，产生腰部酸疼j 疲劳等不适感。图3 2 为不同姿势下的腰椎曲线。 图3 2 各种不同姿势下所产生的腰椎曲线 可见当人侧卧、躯干与大腿成适度弯曲状时，脊椎形状最接近自然状态。欲 使坐姿能形成几乎正常的脊柱形态，躯干与大腿之间必须有约1 3 5 。的角度，且在 腰椎部有所支承。 3 i 2 人体坐姿的体压分布5 】 人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布叫做坐姿的体压分布。根据人机工程 学的研究，最舒适的坐姿应保证：人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小 的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大平滑地过渡，避免 突然变化。图3 - 3 为人体的靠背和坐垫上最适宜的体压分布。由图可见，人体质量 作用在座椅上的压力并非均布，由前面分柝可知，舒适的坐姿是肩部和臀部同时 支撑身体质量，因而应根据各部位在产生不舒适感觉之前所能承受压力的大小予 以合理的分布。坐垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，由坐骨周围扩 飞机各元件人机工程设计原理 展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与坐垫前缘接触的大腿下平面趋于最低值。靠 背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部位的压力最高，这就是靠背设计中 所强调的“两点支承”。 3 图3 3 座椅各部位的受力分布 3 1 3 座椅设计的一般准则【4 】 1 座椅的形式和尺度与坐的目的或动机有关。 2 座椅的尺度必须与相对的人体数据配合。 3 座椅的设计必须能够提供坐者右足够的支撑与稳定作用。 4 座椅的设计必须能使坐者改变其姿势，并提供防滑。 5 座椅的靠背设计。特别是在腰部的支撑，可降低脊椎所产生的紧张压力。 6 坐垫必须有充分的衬垫和适当的硬度，使之有助于将人体的压力分布于坐骨结 节附近。 3 1 4 1 - 作用座椅主要设计部位及人机工程要求 座椅分休息用座椅和工作用座椅。飞机座椅属于工作用座椅，通过以往的设 1 6 飞机各元件人机工程设计原理 计经验和相关实验，对工作用座椅各部位有相应的人机工程设计要求。 表3 - i工作用座椅主要设计部位及设计要求例 扶手的高度是指扶手上缘到坐高的距离，取坐垫有效厚 扶手高度 其主要作用是支持手臂的重量，以减轻肩部负度以上2 0 0 担，增加舒适感。3 0 0 r a m 。 坐垫应该软硬适度，可使臀部压力值大为 坐垫 降低；坐垫材料要适当选择，必须透气，且不 易打滑，同时要有一定的柔韧性，以增加舒适 感。 ” 飞机各元件人机工程设计原理 3 1 5 飞机座椅尺寸要求 对于飞机座椅尺寸，有相对其他工作座椅( 办公座椅、汽车座椅等) 更严格 的要求。 表3 2 歼击机座椅基本几何尺寸长度单位：r r 吼 注：为一般直，特殊情况可由飞机性能及布局要求定 飞机各元件人机工程设计原理 3 2 驾驶杆人机工程设计原理 3 2 1 手的尺寸1 5 1 3 2 2 手臂的操纵力【1 4 】 图3 - 4 手的尺寸 经过实测得到坐姿下手臂的操纵力如下： 上 蚪苎 冉一 图3 - 5 手臂的操作力测定方向图 1 9 飞机各元件人机工程设计原理 表3 3 手臂在不同角度和方向的操作力【1 4 l单位：n 手臂的角度拉力推力 ( 。) 左手右手左手右手 向后向前 1 8 02 3 02 4 0 1 9 0 2 3 0 1 5 0 1 9 02 5 0 1 4 01 9 0 1 2 01 6 01 9 01 2 01 6 0 9 01 5 0 1 7 0 1 0 01 6 0 6 01 1 01 2 01 0 01 6 0 向上向下 1 8 04 06 06 08 0 1 5 07 08 08 09 0 1 2 08 0l l ol o o1 2 0 9 08 09 01 0 01 2 0 6 07 09 08 09 0 向内儇0向外侧 1 8 06 09 04 06 0 1 5 07 09 04 07 0 1 2 09 01 0 05 07 0 9 07 08 05 07 0 6 08 09 06 08 0 3 2 3 控制杆一般设计准则 控制杆是一种需要用较大的力操纵的控制器。飞机的驾驶杆是控制杆的一种， 必须满足控制杆的人机工程设计准则。控制杆的运动形式有前后推拉，左右推拉 和圆锥运动。控制杆的长度应根据设定的位移量和操纵力决定。当操纵角度较大 飞机各元件人机工程设计原理 时，控制杆端部应设置球状手把。控制杆的操纵角以3 0 。6 0 。为宜，一般不超 过9 0 。控制杆的位移量随控制秆的运动方向不同而不同，当控制杆前后运动时， 最大为3 5 0 r n m ；控制杆左右运动时，最大为9 5 0 r a m 。用手操纵时，控制杆的阻力一 般为9 n 。 驾驶杆的设计要满足人手的生理特点，选取适当的形状，并要合理布置驾驶 杆上按钮的位置。如下图所示为f 1 5 c 和s u 2 7 的驾驶杆。 图3 - 6f - 1 5 c 操纵杆 图3 - 7s u 2 7 操纵杆 3 3 脚踏板人机工程设计原理 3 3 1 人体脚的操纵力 人体脚的操纵力大d , - 与$ 1 i 部的膝关节角度有关【5 】。坐姿操作的情况下，当脚蹬 用力小于2 2 7 n 时，腿部的膝关节角度以1 0 7 。为宜。当脚蹬用力大于2 2 7 n 时， 则以1 3 0 。为宜( 飞机方向舵的推荐许用力值为2 7 2 n ) 。用脚的前端进行操作时， 脚踏板上的许用力不宜超过6 0 n ；用脚和腿同时进行操作时，脚踏板上的许用力可 达1 2 0 0 n 。 在只需要用不大的操纵力的情况下，脚踏板与座位的位置关系的有推荐的一 些参考角度值：大腿切角a 取1 0 。1 5 。，膝关节角取9 0 。1 5 0 。，脚与胫 骨问的夹角y 取9 0 。1 2 0 。如图3 8 所示。 2 1 飞机各元件人机工程设计原理 图3 8 脚踏板与座位的适宜位置关系 踏板角度的大小是影响脚施力的重要因素。实验结果表明，当踏板与水平面 成1 5 。3 5 。( 上图的角度日) 时，不论脚处于自然位置还是处于伸直位置，脚 均可以使出最大的力。如下图3 - 9 所示。 鼙扳霸魔1 ， 图3 - 9 踏板角度与脚的最大操纵力关系 脚踏板须有一定的操纵阻力，以便向操作者提供反馈信息，并防止脚踏板被 无意操作。最大阻力应根据第5 百分位操作者的用力能力设计。最小阻力的设计。 必须考虑不操作时操作者的脚是否放在脚踏板上。若需要将脚放在脚踏板上，则 踏板的初始阻力至少应能承受操作者的腿的重量。 獬 协 m z、最囊戢嚣t 飞机各元件人机工程设计原理 3 3 2 踏板设计推荐 踏板的外形尺寸，主要取决于工作空间和踏板间距，但必须保证脚与踏板有 足够的接触面积。保证操纵的可靠性，踏板的操纵位移应适量。位移量过小，不 足以提供操作反馈信息；位移量过大，则易于引起操作者的疲劳或影响操作活动。 下表为美国推荐的踏板设计参数。 表3 - 4 脚踏板设计参数推荐值 3 4 飞机仪表板人机工程学设计 3 4 1 视区的人机工程学原理 1 视区相关概念 5 1 ( 1 ) 视角 视角是被看目标物的两点光线投a i i i b 球时的夹角。如图所示视角q 与观察距 离l 和被看目标物上两点之间的直线距离d 有关，可用下式表示： 口：2 口阳喀百d 2 3 ( 3 - 1 ) 3 监堡垫王堡丝生堕里 跟睛能分辨被看目标物最近两点的视角，称之为监界视角。 图3 - 1 0 人眼视角 ( 2 ) 视野 视野是当人的头部和眼球不动时，人眼能观察到的空间范围，通常以角度表示。 在水平面内最大固定双眼视野为1 8 0 。，扩大的视野为1 9 0 。，在标准线视线左右 各1 0 6 2 0 。视野内可以辨别字，在标准视线左右各5 。3 0 。视野内可以辨别 字母，在标准视线左右各3 0 。6 0 。范围时颜色视野，人最敏锐的视力是在标准 视线两侧各1 。的视野内。在垂直面内，标准视线为水平视线，最大固定视野为 1 1 5 。，标准视线上方5 5 4 ，下方6 0 4 ，扩大的视野为1 5 0 。，站立时的自然视线 低于水平线1 0 。，坐着时自然视线低于水平线1 5 。人在松弛的状态中，站着和 坐着时的自然视线偏离标准视线分别是3 0 。和3 8 。 ( 3 ) 视距 视距是人在工作过程中正常的观察距离。观察各种显示装置时，视距过远或 过近都会影响认读速度和准确性。一般应根据观察目标的大小和形状以及工作要 求确定视距，般操作的视距范围在3 8 0 m 7 6 0 m m 之间，在5 6 0 舢处最为宜适宜。 观察时头部转动角度，左右均不宜超过4 5 。，上下均不宜超过3 0 。【1 1 。 2 视区分布的人机工程学要求t 5 1 ( 1 ) 水平方向视区 1 矿以内为最佳视区，是人们辨别物体最清晰的区域；3 0 。以内为良好视区， 人们需要集中注意力才能正确辨认；1 2 0 。以内为最大视区( 驾驶员头部不动，只 用眼睛扫视) ，对于处在1 2 0 。边缘的物体，人们需要高度集中注意力才能识别。 ( 2 ) 垂直方向视区 视水平线以下1 0 。以内为最佳视区；视水平线向上1 0 0 和向下3 0 。的范围内为 良好视区；视水平线向上6 0 0 和向下7 0 。的范围内为最大视区。 飞机各元件人机工程设计原理 3 4 2 仪表板显示设计 飞机仪表板的显示形式有仪表显示和显示器显示。仪表显示主要采用指针式 仪表，显示器显示主要采用液晶显示器显示。 1 指针式仪表设计 ( 1 ) 刻度盘的形式 主要有开窗式、圆式、半圆式和水平直线式和垂直直线式5 种。圆式和半圆 式的误读率虽高于开窗式，但符合长期以来人们观察仪表的习惯，优于直线式。 所以飞机上一般选用圆式刻度盘。 表3 55 种显示器读数准确度的比较5 l ( 2 ) 刻度盘尺寸设计 对于圆形刻度盘的最佳直径，w j 怀特( w j w h i t e ) 等人傲过试验，在 视距为7 5 0 m m 的情况下，将直径为2 5 唧、4 4 咖和7 0 m m 的指示仪表，安装在仪表 板上进行可读性测验，然后对反应速度指标和读错率进行比较就可看出。圆形刻 度盘的最优直径为4 4 m m 。4 4 哪盘的平均反应时间最短，读错率最低。 表3 - 6 认读速度和准确率与直径大小的关系 飞机各元件人机工程设计原理 ( 3 ) 刻度设计 刻度盘上两最小刻度标记问的距离称为刻度。刻度设计主要内容有： 1 ) 刻度大小 刻度的大小可根据人眼的最小分辨率能力来确定，刻度的最小值一般按照视 角为l o 。左右来确定，当视距为7 5 0 r m n 时，刻度大约在l 2 5 m m 来选定，在观察 时间很短( 例如0 2 5 o 5 s ) 的情况下，刻度可以取为2 3 3 8 m m 间距。 2 ) 刻度线 每一刻度线代表一定的测量数值，为便于认读和记忆，将刻度线分为三个等 级：长刻度线、中刻度线和短刻度线。 刻度线宽度一般取为刻度值大小的5 1 5 。普通刻度线宽度通常取为 0 1 m m 0 0 2 1 r a m ，远距离观察时，可取为0 6 m m 0 8 m m 。 刻度线长度可由视距l 计算： 长刻度线长度= l 1 9 中刻度线长度= l 1 2 5 短刻度线长度= l 2 0 0 相应的刻度线间距为：l 6 0 0 l 5 0 3 ) 刻度线的数字标注 仪表的每个刻度都代表一定的被测数值。这些相应的数值用数字标在刻度线 上，便于使用者更好的认读。 一般讲，最d , n 度不标数，最大的刻度必须标数。对于指针运动式仪表，标 注的数字应当呈竖直状；对表盘运动的仪表则应当沿径向布置。对于指针在表盘 外侧的仪表，数字应一律设置在刻度的内侧。开窗式仪表窗口的大小至少应当足 以显示被指示的数字及其前后两侧的两个数字，以便能看清指示运动的方向和趋 势。对圆形仪表，不论仪表刻度盘运动还是指针运动刻度表述的顺序应按照顺时 针方向依次增大。刻度盘上的标数应尽量取整数，避免采用小数和分数。为方便 认读和简化显示，可在刻度显示值后乘以l o “来显示。 ( 4 ) 刻度盘上的字符设计 字符大小的近似计算公式： 飞机各元件人机工程设计原理 h ：土口 3 6 0 0 式中日一字符高度l n l l l 三一视距 4 一眼睛的最小视角( 。) 汉字的高度与视距之问的关系式1 习如下： 日：! ! 型 3 6 0 x 6 0 式中：一汉字高度n u l l d 一视距m m ； p 一汉字高度所成的视角 (