手槍射擊過程中射手動態響應特性測量與分析

楊洋,王亞平,張偉,徐誠

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

手槍射擊過程中射手動態響應特性測量與分析

楊洋,王亞平,張偉,徐誠

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

為研究手槍單手立姿無依托連續射擊過程中射手的響應特性,采用三維運動捕捉系統和足底壓力測試系統,測量了連續射擊過程人-槍的運動軌跡及其足底壓力特性。試驗結果表明:手槍連續射擊過程中,手槍運動與足底受力/壓力中心位置變化具有密切的關聯性;對于立姿無依托射擊,射手先后經歷了被動響應階段和主動響應階段,對于54式手槍射擊時射手進入主動響應階段需要250 ms(標準偏差62.9 ms);隨著連續射擊次數的增加,射手對身體平衡能力的控制降低,導致其控槍能力減弱。分析結果同時表明:采用該測試手段對射擊響應特性研究是可行的,進一步揭示了手槍射擊過程中射手的響應特性,對人-槍系統運動規律分析和人-槍系統動力學模型的建立,具有參考價值。

兵器科學與技術;手槍;連續射擊;響應特性;三維運動捕捉;足底壓力測試

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.005

0 引言

手槍射擊以人體為架座,射擊過程中產生的外載荷對人體有很大的沖擊作用,并且具有槍身晃動較大和瞄準誤差造成的射擊精度較低等問題。如何穩固據槍,使身體與槍形成一體,適應武器射擊運動規律,是槍械設計者和射手最為關心的問題[1]。

對于人-槍相互作用,國內外開展了大量的理論分析和試驗研究工作。包建東等[2]采用高速攝影研究了步槍射擊過程的主要運動特性即后坐位移、側偏角和俯仰角;王亞平等[3]利用ADAMS建立多剛體人-槍相互作用模型,研究槍械的后坐力對射手的影響;楊曉玉等[4]建立了某型手槍立姿無依托人-槍系統虛擬樣機,得到了射擊過程中人體各個關節的沖擊受力特性;Matthew等[5]測量了步槍射擊過程后坐力大小;Lee等[6]利用有限元模型研究射擊載荷對人體的沖擊作用。以上這些研究工作對研究槍械射擊過程對精度及射手本體的影響具有重要的指導意義,但是目前工作中還存在一些不足之處:1)對于人-槍運動特性分析,目前主要采用高速攝影拍攝設置在槍械上的特征點,需要人工識別測量點,增加了坐標數據獲得過程中的人為誤差。2)利用多體動力學或有限元方法建立的人-槍模型,忽略了射手生理、訓練因素以及外界刺激的影響,并且主要研究射擊過程中射手的被動態響應階段,未深入研究射手的主動響應;3)受測試手段的限制,以往研究未結合足底受力開展射擊過程中人體穩定性研究。

針對上述不足之處,本文采用三維運動捕捉系統進行射擊過程運動姿態采集,采用足底壓力測試系統測試地面對足底的反作用力,通過對試驗結果分析,得出射擊過程人體響應動態特性規律,以及測試手段對射手響應特性分析的可行性。

1 測試系統

1.1 試驗設計

人-槍運動姿態測試采用Codamotion三維運動捕捉系統,通過捕捉貼在人、槍上的特征點獲取其空間位置坐標。為了能夠有效地捕捉到射擊過程中人體運動響應姿態,按照圖1(a)設置特征點,手槍射擊運動的采集,按照圖1(b)所示進行特征點設置。

足底壓力特性分析采用Footscan足底壓力平板測試系統,足底壓力測試系統能夠測出足底壓力中心軌跡及其二維空間位置,左右足及雙足整體的垂直壓力及其變化。足底壓力板與Codamotion進行同步,保證數據時間的對應。

測試所用槍械為54式半自動手槍,射擊姿態為右手單手無依托持槍,左手自由下垂,射手在搭建好的試驗平臺中進行射擊試驗(見圖2)。選擇兩名身體健康并且射擊經驗豐富的射手,每組試驗間隔10 min以保證射擊狀態良好。對于每組試驗,射手瞄準目標,在能控制住手槍的情況下,連續扣動扳機,進行7發連續射擊,每組試驗重復3次。

圖1 特征點的布置Fig.1 The markers placement

圖2 試驗現場Fig.2 Test site

1.2 試驗采集與分析指標說明

1)特征點空間坐標位置s:在手槍和身體上布置的特征點,通過特征點空間坐標位置可以獲得射擊過程中人-槍運動姿態,其中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豎直方向,單位m.

2)足底壓力中心的晃動軌跡COP:反映的是壓力板對射手的垂直反作用力中心點位置的變化,單位mm.

3)壓力中心平均晃動速度v:射擊時足底壓力中心晃動軌跡派生指標,射手完成1發射擊后壓力中心晃動的軌跡長度和射擊所用時間的比值,單位mm/s.

4)足底壓力F:射擊時,地面對足底在垂直方向的反作用力,單位N.

2 試驗結果與分析

本文首先對試驗數據的一致性進行了分析與檢驗,通過直觀對比并采用SPSS統計學軟件分析試驗結果的一致性,分析結果表明:射手1和射手2射擊試驗結果具有較好的一致性(假設檢驗中的p＜0.01),試驗結果可靠,下面以典型樣本為例進行分析。

2.1 運動學采集結果與分析

試驗測量過程中的噪聲,雖然可以通過細致的試驗過程和良好的試驗設備來最小化,但不可能完全消除,本文采用2階、截止頻率為10的零相位的Butterworth過濾器。由于手槍運動姿態是槍和手臂共同作用的結果,其姿態反映了人的控槍能力,本文選取手槍上的特征點A(見圖1(b))為研究對象。為了說明身體姿態變化,選取了腕關節上特征點E為研究對象(見圖1(a))。從站立舉槍到射擊結束收槍整個過程特征點的空間坐標值如圖3所示,截取7次連續射擊過程如圖4、圖5所示。

圖3 整個動作過程特征點的空間坐標Fig.3 The spatial coordinates of measured feature points in the process of whole action

圖4 射擊過程手槍特征點A坐標位置Fig.4 The coordinate position of Point A

圖5 腕部特征點E坐標位置Fig.5 The coordinate position of wrist feature points E

由圖4特征點sA_z曲線可知,手槍在槍膛軸線垂直的豎直方向(鉛垂方向)有7段變化相似的曲線,每段射擊過程手槍運動姿態呈雙峰趨勢,第1個波峰是后坐力形成的轉矩造成的,第1個波峰后的波谷是復進到位撞擊產生的外力形成的反向轉矩造成的。當復進到位撞擊造成的轉矩突然改變方向后,手臂的預緊力發生變化導致手臂回彈,出現波谷。第2個波峰是手臂主動控制造成的,此時手臂能夠有意識地控制槍械運動,第2個波峰發生在射擊開始后205ms(多次試驗的平均時間)。由圖4特征點sA_y曲線可知,手槍在槍膛軸線平行的射擊方向有7個較大的波谷,該現象主要是后坐力及復進到位撞擊造成的,其他因素對其射擊方向位移變化影響相對較弱。射擊方向上的波谷與鉛垂方向上第1個波峰同時出現,由此可知,射擊方向的運動主要是由于后坐及復進到位撞擊造成的,主動控制階段對射擊方向的運動影響不顯著。由圖4特征點sA_χ曲線可知,手槍在槍膛軸線垂直的水平方向的變化規律與其在左右方向變化規律相似,前3發射擊過程槍械運動較為穩定,后4發射擊槍口的射擊方向偏離原始位置。

圖5為腕部特征點E運動姿態變化,通過對比手槍上特征點A點運動姿態,二者總體變化趨勢相近,腕部特征點E空間位置變化相對平穩。其中,腕部特征點E運動姿態只有一個顯著的峰值,發生在手槍上特征點A點運動姿態的第1個波峰處。人體對外界的刺激發生主動響應所需時間在200～300 ms,據此可知射手還處于本能響應階段。

2.2 足底測試結果與分析

足部和地面直接接觸,可以綜合衡量人體對射擊過程中后坐力的響應,以往的研究中均未考慮研究足底規律,本文首次通過試驗研究射擊過程足底受力變化規律。圖6是射擊過程中足底壓力中心軌跡COP曲線,為了便于分析,將壓力中心位置分解為水平方向位移和射擊方向位移隨時間變化的歷程圖(見圖7)。在射擊方向上,壓力中心位置COPχ隨射擊過程前后晃動,前3發壓力中心向后晃動最大位置相近,隨后的射擊壓力中心晃動的最大值逐漸增大,并且晃動規律明顯不如前3發射擊;在左右方向上,前3發壓力中心位置COPy相對于初始位置偏右,從第4發開始壓力中心位置相對于初始位置偏左,射擊過程中,其晃動規律不如射擊方向的顯著。

圖6 壓力中心軌跡Fig.6 The track of pressure center

圖8為壓力中心平均晃動速度v隨連續射擊變化規律,壓力中心平均晃動速度隨連續射擊次數N的增加呈現下降趨勢,其中前4次射擊下降速度較快。壓力中心晃動速度表示本體感受器姿態控制機能,文獻[7]認為其值越大越好。對于本文研究的射擊過程,由于射手需要迅速調整身體姿態以平衡外力,故認為其值大表示反應快,身體姿態調節能力強。由此可知連續射擊次數與射手平衡能力之間的關系,即射手的平衡能力隨著連續射擊次數的增加呈下降趨勢。

圖7 壓力中心的位置變化Fig.7 The changein position of pressure center

圖8 每發射擊過程壓力中心平均晃動速度Fig.8 The average sway velocity of pressure center during each firing

射擊過程中足底所受垂直方向的反作用力如圖9所示,雙足在每次射擊過程中呈規律性變化。對于每發射擊過程,右足底受力有兩個峰值、一個波谷,左足底有一個波峰、一個波谷,其中左足底波谷對應右足底的波峰。出現這種現象的主要原因是射手本體關節產生的預緊力與外力不平衡導致的。對于右足底,第1個峰值由于手槍射擊過程中槍機后坐到位撞擊造成,第2個峰值由于射手主動控制造成,波谷是由于射擊結束后突然撤去外力,人體本能的反應造成的。

2.3 射擊過程射手響應時間分析

射手完成一次射擊,先后經歷了本能響應階段和主動響應階段(見圖10),本能響應是射手本能控制槍械運動,主動響應是射手有意識地控制槍械運動。

圖9 左、右足底受力變化規律Fig.9 The change of left and right plantar pressures

圖10 射擊響應階段劃分Fig.10 The different response stages during firing

每次射擊過程進行統計分析(見圖11),射手開始能夠有本能響應的時刻Ⅰ(從開始射擊到射手本能控制手槍運動)、射手開始能夠有主動響應時刻Ⅱ(從開始射擊到射手本能有意識地控制手槍運動)以及完成一次射擊所需時間Ⅲ進行統計分析,得出54式手槍單手無依托射擊過程中,射手開始有本能響應的時刻62.5 ms(標準偏差20.2 ms)(如圖11時間Ⅰ),射手開始有主動響應的時刻250.0 ms(標準偏差62.9 ms)(如圖11時間Ⅱ),完成一次射擊所需時間420.0 ms(標準偏差32.8 ms) (如圖11時間Ⅲ).生物力學普遍認為人對外界的主動響應在200～300 ms,試驗得出的主動響應時間平均耗時250 ms,說明其結果可信。

圖11 射擊過程中不同階段時間Fig.11 Different stages of time during firing

2.4 射擊過程手槍運動與足底受力/壓力中心位置變化關聯分析

通過對比射擊過程手槍的運動(見圖4)和足底受力(見圖9)及其壓力中心位置變化(見圖7),可以發現,在連續射擊過程中,手槍運動與足底受力及其壓力中心位置變化都呈現出相似的波峰波谷規律性變化。為了定量研究二者之間的關聯密切程度,本文采用了皮爾森相關系數計算手槍運動與足底受力及其壓力中心位置變化之間的相關性,計算結果如表1所示。

表1 手槍運動與足底受力/壓力中心相關性統計分析Tab.1 The relationship between pistol motion and foot force/pressure center position

從相關性分析結果可以得出射擊過程中手槍運動與左足受力具有顯著的相關性(p＜0.01)。手槍運動在水平方向與射擊方向與右足受力具有顯著的相關性(p＜0.01),但在豎直方向運動與右足受力不具有顯著相關性(p=0.275＞0.01);手槍運動與足底壓力中心位置在射擊方向上的變化具有顯著的相關性(p＜0.01)。手槍運動在水平方向和豎直方向運動與足底壓力中心位置在水平方向具有顯著相關性(p＜0.01),但手槍射擊方向運動與足底壓力中心位置在水平方向上的變化不具有顯著相關性(p=3.54＞0.01)。

通過上述分析,射擊過程中手槍運動與左足受力和足底壓力中心在射擊方向位置變化具有顯著的相關性,手槍運動與右足和足底壓力中心在水平方向位置變化具有局部相關性。

3 結論

本文構建了三維運動捕捉和足底壓力測量相結合的人-槍響應特性測試系統。該測試系統獲得了射手在立姿無依托射擊過程中手槍的運動、射手足底受力變化及其壓力中心位置變化。研究結果表明:對于手槍立姿無依托連續射擊過程中,射手先后經歷了被動響應階段和主動響應階段,對于54式手槍射擊時射手進入主動響應階段需要250.0 ms(標準偏差62.9 ms);手槍運動和足底受力及其壓力中心位置變化都具有顯著的規律性變化,同時手槍運動測試結果與足底測試結果具有密切的關聯性,足底測試結果能夠較好地反應射手連續射擊過程中身體的平衡特性,進一步揭示了手槍射擊過程中射手的響應特性。本文的研究結果對射擊時人-槍系統運動規律分析和人-槍系統動力學模型的建立,具有參考價值。

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Test and Analysis of Dynamic Response Characteristics of Pistol Shooter

YANG Yang,WANG Ya-ping,ZHANG Wei,XU Cheng
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

The purpose of the study is to investigate the response characteristics of pistol shooter who stands to continuously shoot without support.A three-dimensional motion capture system and a plantar pressure test system are used to get the shooter-pistol motion trajectory and plantar pressure.The results show that the pistol motionis closely related with the foot force/pressure center position during the continuous shooting.A shooter should go through the passive and active responses when he fires in standing posture without support.A shooter takes 250 ms(SD=62.9 ms)to make an active response.Weak postural control occurrs with the increase in consecutive shots,which results in reduced gun control ability.The analysis results show that the testing systems can be used to analyze the response characteristics of shooter,provide a new way to study the discipline of human-pistol motion and develop the human-pistol dynamics model.

ordnance science and technology;pistol;continuous shooting;response characteristic;motion capture system;plantar pressure test system

TB18

A

1000-1093(2016)01-0031-06

2015-03-03

國家自然科學基金項目(51575299);國防基礎科研項目(A1020133013)

楊洋(1988—),男,博士研究生。E-mail:yangyang82512@163.com;王亞平(1975—),女,副研究員,碩士生導師。E-mail:zykdou@163.com