负重状态下士兵--装备人机特性研究

摘要

单兵系统是一个典型的人机系统，只有使士兵和装备保持协调一致，才能发挥整个系统的战斗力。提高装备的人机工效和装备间的适配性是提高整个单兵系统作战效能的有效方式，本文采用试验和仿真相结合的方法，开展了负重状态下士兵舒适性和疲劳性的相关研究。 运用表面肌电测试系统、足底压力测试系统和三维动作捕捉系统等综合测试手段，对3种不同结构布局的军用生活背囊，进行了负重状态下人体平衡能力测试试验、步态测试试验和下肢主肌群肌电特性试验。对足底压力中心前后方向、左右方向晃动幅度、足底压力中心包络面积、平均晃动速度、步态足底接触时间、步态足底受力峰值和下肢主肌群各肌肉表面肌电积分肌电值等指标进行了影响规律分析与对比。研究结果表明:不同军用生活背囊负重状态下，足底压力中心前后方向晃动幅度、足底受力峰值和比目鱼肌积分肌电值具有显著性差异。 建立了单兵装备肌肉骨骼模型，对比了不同军用生活背囊相同负重状态下，肩部、腰部、腿部等主要发力肌肉的激活程度、腰椎主要关节(L1、L3、L5)受力。并对军用生活背囊结构进行了优化分析，优化结果表明，肩部间距变化到0.0767m，腰带最低侧接触位置位于-0.111m时，全身肌肉激活度达到最小，人机工效最优。 采用表面肌电测试系统，对比分析了在有负重和无负重两种状态下，人体进行战术攀登动作时下肢主要肌肉群疲劳特性。分别进行了积分肌电值(integratedelectromyogram, IEMG)和中值频率(median frequency，MF)、平均功率频率(mean powerfrequency，MPF)分析，得到了各肌群肌电特性及其变化规律。研究结果表明:时域参数变化显著的肌肉是胫骨前肌和腓肠肌，频域参数变化显著的肌肉是腓肠肌和比目鱼肌;频域评价指标中值频率和平均功率频率变化规律一致，中值频率变化规律相对于平均功率频率变化更加显著;有负重条件比无负重条件下，时域和频域评价指标出现极值的时间点均提前。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1单兵系统研究现状

1．2．2单兵系统人机工效研究现状

1．2．3士兵负重问题人机工效研究现状

1．3本文主要研究内容

2负重状态下人机工效测试与建模原理

2．1负重状态下人机工效测试技术

2．1．1表面肌电参数采集

2．1．2三维动作数据采集

2．1．3足底压力参数采集

2．1．4数据处理方法

2．2 Anybody肌肉骨骼建模基本原理

2．2．1基本理论

2．2．2肌肉系统动力学

2．3本章小结

3军用生活背囊人机工效试验分析与评价

3．1站立静态时人体平衡能力和肌电特性分析

3．1．1试验设计

3．1．2试验结果分析

3．2士兵足底步态特性分析研究

3．2．1试验设计

3．2．2．步态支撑期足底受力特性分析

3．3本章小结

4 基于舒适性的军用生活背囊人机工效仿真及优化分析

4．1人体肌肉骨骼模型建立

4．2分析对象

4．3分析方法和测试指标

4．4仿真结果分析

4．4．1人体肌肉激活特性分析及比较

4．4．2腰椎受力分析及比较

4．5军用生活背囊布局优化

4．6本章小结

5攀登状态下肌肉疲劳特性分析

5．1试验设计

5．2研究结果与分析

5．2．1下肢肌肉积分肌电值变化特性及规律分析

5．2．2下肢肌肉中值频率变化特性及规律分析

5．2．3下肢肌肉平均功率频率变化特性及规律分析

5．3本章小结

6 全文总结与展望

6．1研究工作总结

6．2论文主要创新点

6．3研究工作展望

致谢

参考文献

附录