楊　洋， 王亞平， 張　偉， 徐　誠

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南京　210094)

手槍射擊過程中士兵動態(tài)響應(yīng)特性研究

楊洋， 王亞平， 張偉， 徐誠

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南京210094)

為了研究士兵立姿無依托射擊過程動態(tài)響應(yīng)特性，在AnyBody人體肌骨建模平臺中建立了人-槍系統(tǒng)模型。采用三維運動捕捉系統(tǒng)捕獲了射擊姿態(tài)，以實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動人槍模型。通過肌肉活動度最大/最小模型解決肌肉募集冗余問題，基于逆向動力學(xué)原理，計算射擊過程中肌肉發(fā)力和人體關(guān)節(jié)受力規(guī)律。結(jié)果表明：對于手槍在立姿無依托連續(xù)射擊過程，同時也是行為意識學(xué)習(xí)過程，射擊結(jié)束后肌群會本能的按照上一次射擊所需的預(yù)緊力進行有規(guī)律的收縮；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，從擊發(fā)到主動控制需要243 ms；射手在連續(xù)4發(fā)射擊后，肌肉的疲勞會迅速加劇。研究結(jié)果對射擊訓(xùn)練和手持輕武器效能的最佳發(fā)揮提供了科學(xué)參考。

人-槍系統(tǒng)；主動響應(yīng)；逆向動力學(xué)；行為意識；射擊疲勞

手槍射擊以人體為架座，射擊通常采用單手無依托射擊方式，射擊過程中后坐力對人體有較大的沖擊作用，并且存在槍身晃動較大和瞄準(zhǔn)誤差造成的射擊精度較低等問題。如何穩(wěn)固據(jù)槍，使身體與槍形成一體，適應(yīng)武器射擊運動規(guī)律，是槍械設(shè)計者和射手最為關(guān)心的問題[1]。

自19世紀(jì)初美國陸軍開始研究槍械射擊對射手的影響以來，國內(nèi)外開展了大量的理論分析和實驗研究。李永新等[2]建立了4剛體8自由度數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計算分析自動步槍跪姿無依托射擊對射手的影響；王亞平等[3-4]基于ADAMS多剛體動力學(xué)軟件建立人槍相互作用模型，研究槍械的后坐力對射手的影響；Matthew等[5]測量了步槍射擊產(chǎn)生后坐力大?。籒icky等[6-8]研究行軍疲勞對射擊精度的影響；Lee等[9]利用有限元模型研究射擊對人體的沖擊作用。包建東等[10]采用高速攝影拍攝了步槍射擊過程的主要運動特性即后坐位移、側(cè)偏角和俯仰角；以上這些研究工作對研究槍械射擊對精度的影響以及對射手本體的影響具有重要的指導(dǎo)意義。但是目前工作中還存在一些不足之處：① 人體模型過于簡化，且忽略肌肉的受力分析，無法對射擊疲勞進行分析；② 忽略射手生理、訓(xùn)練因素以及外界刺激，認(rèn)為射手在整個射擊過程中都是理想狀況；③ 集中于被動態(tài)射擊過程的研究，沒有深入開展射擊過程中射手主動響應(yīng)過程的研究；④ 以前的研究多對步槍抵肩無依托射擊方式的研究，手槍與步槍的射擊姿態(tài)不同，規(guī)律也完全不同。

目前人類對自身系統(tǒng)許多生理機能認(rèn)識仍不足，要想在人體運動內(nèi)部結(jié)構(gòu)上完全達到同構(gòu)仿真還不現(xiàn)實，因此廣泛采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化建模和外部行為數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方式進行人體運動系統(tǒng)建模仿真研究。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，基于骨架、關(guān)節(jié)、肌肉進行了人槍系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和生物力學(xué)層次上的建模；在外部行為上，基于運動捕捉技術(shù)對射擊姿態(tài)進行采集。本文考慮了人體主動響應(yīng)階段和被動響應(yīng)階段射擊的不同，建立的手槍人槍系統(tǒng)模型，包括了人體主要的骨骼和肌肉，采用的肌肉活動度最大/最小優(yōu)化模型，利用關(guān)鍵幀驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動模型，數(shù)值計算連續(xù)射擊過程中射手各個關(guān)節(jié)受力特性及肌肉的活動特性。

1實驗設(shè)計

本文借助Codamotion三維運動捕捉系統(tǒng)對射擊過程進行運動學(xué)采集，三維運動捕捉系統(tǒng)不需要人工識別測量點，消除了坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲得過程中的人為誤差。由于手槍實際連續(xù)射擊由射手控制的頻率較低，本實驗采集頻率設(shè)置為200 Hz。分別在射手的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、胸部、背部、髖關(guān)節(jié)以及槍械上粘貼捕捉點即marker點(如圖1)。

圖1　marker點布置Fig.1 The markers fixed on shooter

使用54式半自動手槍，射手在搭建好的實驗平臺中進行射擊實驗(如圖2)，射擊姿態(tài)為右手單手無依托持槍，左手自由下垂。射手身體健康，射擊經(jīng)驗豐富，每次射擊間隔10 min以保證射擊狀態(tài)良好。分別進行1次射擊、4次連續(xù)單發(fā)射擊以及7次連續(xù)單發(fā)射擊實驗，每次射擊實驗重復(fù)3次。進行正式測試前，首先對測試空間進行坐標(biāo)參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定通過后要求受試者在標(biāo)定范圍完成整個持槍射擊動作。

圖2　試驗現(xiàn)場Fig.2 The scene of the experiment

實驗測量過程中的噪聲，雖然可以通過良好的試驗設(shè)備和細(xì)致的試驗過程來最小化，但不可能完全消除，本文采用AnyBodyTM軟件平臺自帶的Butterworth濾波器對數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過多次試驗驗證，最后采用2階、截止頻率為10 Hz的濾波參數(shù)。

2人槍系統(tǒng)生物力學(xué)模型

槍械的模型采用等效模型，賦予相同的質(zhì)量、幾何尺寸和轉(zhuǎn)動慣量。

人體生物力學(xué)模型為根據(jù)射手的體重以及軀干幾何尺寸建立的肌肉骨骼模型。模型包括頭、頸部、上軀干段、中軀干段、下軀干段、左右肩胛骨、左右上臂、左右前臂以及左右手共54個剛體(包括324個自由度)。其中67個關(guān)節(jié)提供149個自由度約束、133個驅(qū)動提供133個自由度約束以及運動學(xué)測量輸入提供42個自由度約束。

肌肉采用比較成熟的Hill肌肉模型[11]，考慮了肌肉的并行被動彈性、肌腱的串行彈性、纖維角等特性。模型中采用肌肉參數(shù)由AnyBody軟件系統(tǒng)提供，已經(jīng)得到了文獻和實驗驗證[12]。圖3是基于AnyBodyTM軟件平臺建立的人-槍肌肉骨骼模型。

圖3　人-槍肌肉骨骼模型Fig.3 Musculoskeletal model of man-gun system

在已知射手運動數(shù)據(jù)和外力大小的基礎(chǔ)上，利用肌骨模型求解肌力，還必須依賴優(yōu)化方法解決肌肉數(shù)目大于肌骨模型自由度帶來的冗余問題。本文采用肌肉活動度的最大/最小優(yōu)化模型[12]，認(rèn)為肌力分配遵循最大活動度最小優(yōu)化原則：

(1)

為了描述肌肉受外界因素的影響程度，采用肌肉最大自主收縮的百分?jǐn)?shù)來表示當(dāng)前的肌群激活程度，用這種方法的優(yōu)勢是不用考慮不同肌肉之間強度的差異?？梢岳斫鉃楫?dāng)前肌肉力相對于其最大肌肉出力的百分?jǐn)?shù)，定義

(2)

式中：A0即為肌肉激活程度，F(xiàn)為當(dāng)前情況下肌肉力，N為最大肌肉力。

為了研究連續(xù)射擊次數(shù)對射手疲勞的影響，采用肌群平均激活速度表征射擊疲勞程度，即肌肉激活速度越小說明肌群疲勞程度嚴(yán)重，定義如下：

(3)

式中：V為肌群平均激活速度，Apreload為射擊過程中預(yù)緊肌群激活程度，Acontrol為射擊過程中主動控制時肌群激

活程度，Δt為射擊耗時。

3結(jié)果與分析

3.1實驗結(jié)果與分析

選取手槍上的一個marker_1點為研究對象，該marker點位于扳機護圈上，從站立持槍到射擊結(jié)束整個過程marker點的空間坐標(biāo)變化如圖4所示，截取7次連續(xù)射擊過程如圖5所示。其中圖中X軸為與槍膛軸線垂直的水平方向、Y軸為與槍膛軸線平行的射擊方向、Z軸為與槍膛軸線垂直的鉛垂方向。

圖4　整個動作過程marker1點的空間坐標(biāo)Fig.4 The spatial coordinates of marker_1 during the whole action process

圖5　射擊過程marker1點的空間坐標(biāo)Fig.5 The spatial coordinates of marker1 points during the shooting process

3.2實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動下模型數(shù)值計算結(jié)果分析

將測量的運動學(xué)數(shù)據(jù)用于驅(qū)動射手肌肉骨骼模型，基于逆向動力學(xué)原理可以獲得人體射擊動態(tài)響應(yīng)情況。

3.2.1肌肉受力分析

在射擊過程中，手臂肌群發(fā)力平衡射擊產(chǎn)生的外力，選擇左、右手臂的肌群為研究對象，分析射擊過程中肌群發(fā)力規(guī)律。圖6是7次連續(xù)射擊過程中，持槍手臂(右手臂)肌群的激活程度在7次連續(xù)射擊過程中，產(chǎn)生了8次相似的收縮發(fā)力規(guī)律。前7個循環(huán)是手臂肌肉收縮發(fā)力平衡射擊產(chǎn)生的外力，最后一個收縮發(fā)力是射手的行為意識學(xué)習(xí)造成的。由于射手經(jīng)過若干次射擊后，肌群的收縮已經(jīng)適應(yīng)了射擊產(chǎn)生的外力和射擊的頻率，從而會本能地產(chǎn)生相應(yīng)的收縮。

圖6　手臂肌群激活Fig.6 The activation of arm muscle

取第2發(fā)射擊過程進行分析，可以看出持槍手臂(右手臂)肌群在射擊過程中，共收縮了3 次。左手臂肌群在持槍手臂肌群第3次收縮時開始發(fā)力，但肌群收縮程度明顯小于持槍手臂。在射擊前，持槍手臂肌群激活達到75%，左手臂肌群激活為5%，產(chǎn)生這種原因是由于射手根據(jù)經(jīng)驗估算射擊產(chǎn)生的外力大小，在射擊前本能地收縮肌肉以及下一次射擊前肌肉尚未完全松弛共同造成。對于持槍手臂的第1個峰值，是槍機后坐到位撞擊造成的，由于預(yù)緊力不足以平衡槍械射擊產(chǎn)生的外力，此時需要手臂肌群緊急收縮產(chǎn)生肌力去平衡不斷變化的外力；由于手槍的自動機循環(huán)時間是40 ms，第2個波峰發(fā)生的時間大于40 ms同時小于200 ms，此時射手依然處于被動響應(yīng)階段，該波峰是手臂為了平衡突然撤去的外力本能收縮造成的；第3個波峰是射手主動控制手槍運動造成的，此時，左臂肌群激活發(fā)生明顯變化，這是由于射手進入主動控制階段，左手臂擺動平衡上半身穩(wěn)定。

通過上述分析可知，每次射擊過程肌肉會有3次收縮發(fā)力，前2次是手臂被動隨槍械運動造成的，最后一次是主動控制造成的，從擊發(fā)到主動控制所需時間約為243 ms。由射擊結(jié)束后肌群收縮規(guī)律，可以知道射手射擊過程同時也是行為意識學(xué)習(xí)過程，即提前感知下一次射擊所需平衡的外力。

作為有著豐富經(jīng)驗的一名女賽車手，勞拉·克萊哈默（Laura Kraihamer）為本次選題帶來了女性特有的直覺和賽車手的敏感。

3.1.2肌肉疲勞分析

表1是進行連續(xù)7次射擊持槍手臂肌群的激活程度，由于第一發(fā)次射擊存在很多不確定因素，故不參加對比。從表1中可以看出前5次射擊的預(yù)緊力要小于后2次射擊，但最大受力要大于后2次射擊，導(dǎo)致肌群激活變化隨射擊次數(shù)的增加而減小。在射擊結(jié)束后，持槍手臂肌群并沒有立刻停止發(fā)力，而是根據(jù)前幾次的射擊時受力規(guī)律繼續(xù)做類似規(guī)律的收縮發(fā)力。這種情況是由于射手對射擊過程的行為意識學(xué)習(xí)，導(dǎo)致肌群本能的做相應(yīng)的收縮。肌群收縮平均速度先增加后減小，如圖7所示，持槍手臂肌群在射擊了4次以后開始出現(xiàn)疲勞，第5次射擊后疲勞加劇，然后趨于穩(wěn)定。

表1　連續(xù)射擊過程中肌群激活變化

圖7　肌群激活平均速度Fig.7 The average speed of muscle activation

3.1.3關(guān)節(jié)受力分析

選取手腕關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)受力研究射擊過程中關(guān)節(jié)的受力規(guī)律。如圖8(a)、9(a)所示，在7次連續(xù)射擊過程中，手腕和肩部關(guān)節(jié)在射擊方向受力最大，大約是另外兩個方向的2倍～3倍；手腕關(guān)節(jié)受力隨著射擊次數(shù)增加變化不顯著，肩部關(guān)節(jié)經(jīng)過4次射擊后，其受力趨勢發(fā)生顯著變化，后3次連續(xù)射擊時的預(yù)緊力要大于前面的射擊，而受力最大值卻小于前4次射擊。造成腕關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)受力趨勢不同的主要原因是手腕是更加靠近手槍，手槍的運動直接影響到腕關(guān)節(jié)，槍對腕關(guān)節(jié)受力的影響要大于射手的控制。對于關(guān)節(jié)所受力矩的趨勢和受力相似，如圖8(b)、9(b)所示，不做詳細(xì)贅述。

圖8　手腕關(guān)節(jié)受力、手腕關(guān)節(jié)力矩Fig.8 The wrist joint force and torque of wrist joint

圖9　肩部關(guān)節(jié)受力、肩部關(guān)節(jié)力矩Fig.9 The shoulder joint force and torque of shoulder joint

4結(jié)論

以實際射擊過程運動學(xué)數(shù)據(jù)為人槍系統(tǒng)模型的輸入，基于逆向動力學(xué)驅(qū)動模型進行數(shù)值計算分析，模型能較全面有效地還原實際射擊過程中射手身體響應(yīng)，本文結(jié)論如下：

(1) 手槍在立姿單手無依托連續(xù)射擊過程，同時也是行為意識學(xué)習(xí)過程，通過前一次射擊反饋，估計下一次射擊外力和槍械的運動，射擊結(jié)束后肌群會本能的按照上一次射擊所需的預(yù)緊力進行有規(guī)律的收縮。當(dāng)預(yù)緊力和槍械作用在手臂的外力越接近時，肌肉和關(guān)節(jié)的最大受力越小，射擊過程沒有突變力，這樣會增加射擊的穩(wěn)定性，提高射擊精度。

(2) 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，從擊發(fā)到主動控制需要243 ms。

(3) 射手在連續(xù)4發(fā)射擊后，肌肉的疲勞會迅速加劇，在訓(xùn)練過程中需要注意設(shè)置合理連續(xù)射擊次數(shù)，以便在最少的彈藥消耗情況下，取得最佳的訓(xùn)練效果。

限于篇幅本文著重研究了手臂肌群的激活、右肩和右手腕關(guān)節(jié)受力情況，研究內(nèi)容從人槍相互作用的角度為出發(fā)點，為設(shè)計者和射擊訓(xùn)練提供了參考。

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Dynamic response characteristics of soldiers in pistol shooting process

YANG Yang, WANG Ya-ping, ZHANG Wei, XU Cheng

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

The purpose of this study was to investigate response characteristics of soldiers standing without support during their pistol shooting. A man-gun system model was established based on AnyBody software platform. The man-gun system model was driven by test data obtained with a three-dimensional motion capture system. The model was analyzed based on the inverse-dynamics principle, the “minimum-fatigue” criterion was utilized to deal with the muscle redundancy problem. The results showed that the behavior consciousness studies in the process of shooting and muscles instinctively shrinks according to the pre-tightening force of the last firing; in the process of shooting, there are 3 wave peaks for forces of muscles and joints, the first 2 wave peaks are due to passive movement of arms caused by firearms, the last peak is caused by the active control, the time from percussion to active control needs 243 ms; muscles fatigue rapidly intensifies after 4 consecutive shots. The results provided a referrence for shooting training and optimal playing of handheld light arms efficiencies.

man-gun system; active response characteristics; Inverse dynamics; behavior consciousness; shooting fatigue

10.13465/j.cnki.jvs.2016.11.002

國防基礎(chǔ)科研項目

2015-01-13修改稿收到日期：2015-05-20

楊洋 男，博士生，1988年4月生

王亞平 女，博士,副教授，1975年10月生

E-mail：zykdou@163.com

TB18

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