單兵系統(tǒng)是復(fù)雜的典型的"人(士兵)—機(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重要方面,如何能夠從人機工效的角度降低士兵負重行軍疲勞和運動損傷風(fēng)險是本文重點關(guān)注的問題。本文采用試驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法開展了單兵系統(tǒng)的人機工效研究,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頭頸部肌群活動特性的影響。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,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,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動的穩(wěn)定性,但是下顎帶束緊力阻礙下顎咀嚼運動,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試試驗,通過試驗獲得到了負重大小和負重位置對受試者平衡能力的影響。壓力中心晃動幅度和晃動面積隨著負重增加呈近似線性增加趨勢,足底壓力中心晃動速度隨著負重增加而減小。負重位置對各項平衡能力指標(biāo)也有影響,但是沒有表現(xiàn)出顯著性差異。左前、右后和均勻布置的負重方式都增加了足底壓力中心晃動幅度和晃動面積,其中均勻布置重物與無負重差異最小。完成了單兵行走步態(tài)試驗,研究了負重大小和負重位置對士兵步態(tài)的影響。試驗結(jié)果表明,隨著負重的增加,髖關(guān)節(jié)角度變化范圍減小,距下關(guān)節(jié)活動范圍、整足接觸階段時間、足底受力峰值、足底與地面接觸的不平衡程度增加,當(dāng)負重大于20kg時表現(xiàn)出顯著變化。對于負重位置對士兵步態(tài)的影響進行了分析,前后左右布置方式士兵的髖關(guān)節(jié)活動范圍、距下關(guān)節(jié)活動范圍、整足接觸階段與離地階段時間、足底受力峰值、足底和地面接觸的不平衡程度與無負重時差異最小。完成了負重對肩峰受力影響試驗,選擇肩峰受力作為負重舒適性評價指標(biāo),并結(jié)合主觀調(diào)查研究了負重大小和負重位置對受試者舒適性影響。研究結(jié)果表明:受試者的肩峰受力隨著負載重量的增加呈線性增加,主觀不舒適性評價也呈增加的趨勢,兩者之間是線性相關(guān)的。在相同負載重量的前提下,均勻布置負載工況受試者的舒適性主觀評價和肩峰受力都要優(yōu)于非均勻布置工況。建立了單兵負重肌肉骨骼模型,以肌肉最大激活程度為舒適性評價指標(biāo),研究了后背負重大小和負重位置對士兵舒適的影響。仿真結(jié)果表明:隨著負重的增加,最大肌肉激活程度呈增加的趨勢,當(dāng)負重質(zhì)量大于20kg以后,人體最大肌肉激活程度顯著增長。隨著負載質(zhì)心位置沿身高方向向下移動,最大肌肉激活程度呈近似線性減小趨勢,當(dāng)負重大于10kg以后,負載質(zhì)心位置在身高方向變化對人體肌肉受力影響較大;在身體前后方向,隨著負載質(zhì)心位置靠近后背,肌肉的激活程度呈減小趨勢;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)增長趨勢。提出了新的手槍射擊人槍響應(yīng)測試方法,并建立了手槍—人肌肉骨骼模型。試驗結(jié)果表明:手槍連續(xù)射擊過程中,手槍運動與足底受力/壓力中心位置變化具有密切的關(guān)聯(lián)性。對于54式手槍射擊,射手先后經(jīng)歷了被動響應(yīng)階段和主動響應(yīng)階段,射手進入主動響應(yīng)階段大約需要250ms。射手連續(xù)射擊過程是行為意識學(xué)習(xí)過程,射手在連續(xù)4發(fā)射擊后控槍能力減弱。對于每一次射擊過程,肌肉及關(guān)節(jié)受力會有3個波峰,前2個波峰是由于手臂隨著槍械被動運動造成的,最后1個波峰是主動控制造成的。提出了新的步槍射擊人槍響應(yīng)測試方法,并建立了步槍—人肌肉骨骼模型。研究表明:在步槍連發(fā)射擊過程中,可以將整個射擊過程分為4個階段:瞄準階段、被動射擊階段、主動射擊階段、射擊結(jié)束收槍階段,從第5發(fā)射擊開始射手進入主動控制階段。射手對水平方向、射擊方向和豎直方向的控制能力是有差異的,射手對豎直方向運動的控制能力要顯著優(yōu)于水平方向。步槍射擊運動在射手身體中傳遞,身體不同部位標(biāo)記點的運動規(guī)律與槍身上標(biāo)記點運動規(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)射擊過程中,肌肉呈現(xiàn)出15個相似循環(huán)規(guī)律,肌肉最大激活發(fā)生在第1發(fā)射擊過程中。在射擊過程中,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)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：E92
【部分圖文】：

１．２國內(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±兵作為整個作戰(zhàn)體系的一個基本單元，并將±??兵殺傷力、指揮與控制、通信和情報能力、生存能力、耐久和機動能力等集成在一??起，使其融入數(shù)字化戰(zhàn)場，從而使２１世紀的±兵具有更快的反應(yīng)速度，更高的防護能??１??

地評價±兵系統(tǒng)裝備的人機性能及其對包括毀傷、指揮控制、生存和機動能力在內(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)，運用虛擬現(xiàn)??實、仿真等手段研制了單兵作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（圖１．２）?對信息化戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)場環(huán)境進行仿??真，并結(jié)合各種檢測設(shè)備評估實戰(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不同負重方式??１１１１??圖１．４不同負重大小對±兵站立影響??對于負重對±兵行軍過程中生理生化特性研究，文獻巧１－８５］研究了不同負載位置和??負載重量對±兵行軍能量消耗的影響。印度學(xué)者Ｍａｄｈｕｔｓｙ研究了印度±兵分別負重??４．４ｋｇ、１０．７ｋｇ、１７ｋｇ、和２１．４ｋｇ，?Ｗ特定的速度行軍時的必率、有氧消耗、新陳代謝變??化規(guī)律，該學(xué)者還在文獻巧７］中研究了不同行軍速度下ｄｒ兵的最佳負重重量。文獻巧８］??研究了不同行軍速度、負重和負重位置條件下，受試者的新陳代謝特性。??對于負重對±兵行軍步態(tài)變化規(guī)律研究，文獻［８９－９１］采用Ｈ維運動捕捉系統(tǒng)，獲取??了±兵無負重、負重自身體重的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［９２］［９３］也對比了±兵在無負重和有負重情況下肢運動學(xué)變化規(guī)??律。文獻［９４］研究了受試者在負重條件下，樓梯臺階高度對受試者足底受力的影響。對??于負重對行軍疲勞的影響
【參考文獻】

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本文編號：2875472