射击全过程典型步枪人枪作用特性研究

王缘，王亚平，徐诚

(南京理工大学 机械工程学院，江苏，南京 210094)

射击精度是枪械的一个重要战术技术指标.对于手持射击的步枪来说，除了枪械本身的结构会影响射击精度外，射手的动作行为也起到很关键的作用.枪械结构参数如枪托长度、握把形状、重量和重心位置等会改变射击姿态，从而对生物响应和射击精度产生影响.因此在射击全过程中对人枪动态响应和内在机理的研究将为优化枪械人机工效设计和提高射击精度提供理论基础和数据支撑.

国内外对人枪相互作用现象和规律开展了大量研究.主要分为两种方法：通过试验方法研究枪械设计参数对人体肌肉疲劳和射击精度的影响和建立人枪相互作用模型与仿真分析.如王亚平等[1]利用ADAMS建立了人枪相互作用多刚体模型，分析了枪械结构参数对人枪系统的影响；杨帆等[2]和金鑫等[3]用LifeMod/ADAMS分析了枪械冲击作用下人体右肩、抵肩和胸关节等受力特性；Choi等[4]和Lee等[5]建立了人体有限元模型，分析了射击冲击作用下产生的人体最大压力和肩部位移；杨洋等[6-9]用试验数据驱动AnyBody人体仿真模型，分析了手枪和步枪连续射击时肌肉激活程度和人体主动控制下的响应情况. 以上工作对研究射击过程中人枪动态响应特性具有重要的指导意义，但上述研究未考虑瞄准阶段姿态稳定性和肌肉疲劳对射击阶段，特别是首发的射击表现的影响；未深入研究影响三发点射散布的内在机理和传递关系，如上肢肌肉群的疲劳和发力、关节角度响应、人枪压力中心稳定性、枪械运动等对射击散布的影响规律和相关性等.

本文采用综合试验测试方法，采集了人体关节角度变化和枪械运动、人体上肢主要肌肉响应、人枪压力中心变化轨迹等，获得了步枪立姿无依托瞄准—射击过程中人枪动态响应规律，分析了枪托长度对点射散布影响的内在机理，为人枪系统动力学建模、枪械人机工效设计提供参考依据.

1 试验方法

1.1 试验方案

所选测试枪支为配有伸缩枪托的M4卡宾枪，试验设置枪托长度分别为25.4和17.4 cm(到握把的握持长度分别为35和27 cm)，分别称为长枪托和短枪托. 试验选择3名有经验的男性射手作为测试者，身高(175±5)cm，年龄(27±3)岁，体重(78±5)kg. 所有测试者均身体健康，右利手，无任何神经与肌肉系统方面的疾病. 试验环境为室内100 m靶道，充足自然光照射，温度为20 ℃.

试验前，令每名射手先熟悉环境与步枪，进行多次三发点射射击. 正式试验时，射手在听到“开始”口令后，执行从自由持枪状态到瞄准、射击、再瞄准和恢复自由站立状态的动作. 每名射手分别在两种枪托长度下进行10组三发点射，为避免疲劳每组试验间隔5 min.

1.2 测试系统

采用Codamotion三维运动捕捉系统获取人体上肢关节、背部、腰部及枪械特征点的位置、速度、关节角度和角速度参数，用于描述人枪系统的运动响应. 采样频率为200 Hz，按照图1分别设置人体上的12个特征点和枪上的1个特征点.

采用Delsys表面肌电测试系统获取上肢主要肌肉的肌电信号，用于说明肌肉疲劳和激活程度. 采样频率为1 000 Hz，参照已有研究选取上肢肌肉如表1所示，传感器位置参照相关测试标准[8].

表1 测试选取的上肢肌肉

采用RSscan International足底压力测试系统采集人枪压力中心的运动轨迹和速度，用于描述人枪系统稳定性，采样频率为100 Hz.

足底压力测试系统、表面肌电系统与三维运动捕捉系统同步触发，保证数据的同步性.标准半身环靶放置在50 m位置以获取三发点射散布数据，试验现场如图2所示.

1.3 分析方法与参数

采用Kappa检验进行数据的一致性分析，独立样本T检验进行不同枪托长度对数据产生的差异性分析，皮尔森相关分析进行数据的相关性分析，给定的显著性水平为0.05.

本文采用了以下分析参数：

① 特征点空间坐标位置：步枪和射手身体上的特征点空间坐标位置用于描述射击全过程中人—枪运动姿态，单位mm.

② 枪械运动速度：单位时间内枪械上特征点位置的变化，单位为mm/ms.

③ 关节角度：关节特征点连线构成肘关节、腕关节和肩的屈伸角度，单位为(°).

④ 关节角速度：单位时间内关节角度的变化，单位为(°)/ms.

⑤ 肌肉贡献率：由各肌肉平均振幅RMS除以所有通道总幅值所得，单位%.

⑥ 积分肌电值iEMG：在一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，表征肌肉激活程度，单位为μV·s.

⑦ 中值频率FM：表面肌电信号快速傅里叶转换得到的频域指标，用以描述肌肉疲劳程度，FM越小说明肌肉越疲劳，单位为Hz.

⑧ 人枪压力中心晃动幅值XCOF、YCOF：反映足底压力板对射手垂直反作用力中心点位置的最大变化，X方向为射击方向，Y为与射击方向垂直的左右方向，单位为mm.

⑨ 人枪压力中心变化标准差：反映人枪压力中心点变化的离散程度，描述系统稳定性.

⑩ 人枪压力中心平均晃动速度v：单位时间内压力中心晃动轨迹的长度，单位为mm/ms.

2 射击效率分析

通过数据一致性检验，可知三位射手人枪压力中心、运动、肌电特性具有较好的一致性(假设检验中的P<0.01)，下面以典型样本为例进行分析说明.

本文将采用出枪时间、瞄准时间、射击准确度和三发点射散布来表征射击效率.

表2中列出不同枪托下射击效率的结果，可看出，两种不同枪托长度导致出枪时间和三发射击准确度存在显著性差异，短枪托时出枪时间显著下降了23.7%，平均弹着点至瞄准点距离增加了39.8%. 不同枪托长度对瞄准时间和三发点射散布没有造成显著性差异. 短枪托时，出枪变快，但射击准确度下降.

表2 不同枪托长度对射击效率影响

本试验所选取的长枪托为射手主观认为的最舒适位置，处于推荐范围内；短枪托为射手主观认为的最疲劳位置，短于已有研究的枪托长度. 射手主观认为短枪托时肌肉疲劳程度增加，射击表现变差，与试验结果相符.

影响射击表现的是击发前瞄准和射击阶段，不同枪托长度下，这两个阶段人枪相互作用及影响机理不同，因此本文下面分别对瞄准和射击阶段进行具体分析.

3 瞄准阶段分析

本文射击试验中要求射手站姿持枪瞄准后击发，导致射击前的瞄准时间不同，因此这里取击发前1 s过程进行分析.

3.1 人枪压力中心晃动响应

从以往的试验与文献可知，左右脚压差取决于被试者自身的调节能力，在射击全过程中无明显变化规律，因此主要对人枪压力中心晃动数据进行分析，部分数据如表3 瞄准阶段人枪压力中心晃动所示.

表3 瞄准阶段人枪压力中心晃动Tab.3 The man-rifle pressure center of fluctuation in aiming stage

在瞄准阶段，人枪压力中心在射击方向上的晃动幅值XCOF与首发射击准确度呈显著负相关(r=-0.726，P=0.018)，射击方向上晃动的标准差与首发射击准确度也呈显著负相关(r=-0.734，P=0.014). 人枪压力中心在左右方向上的晃动幅值YCOF和标准差均与首发射击准确度无关(P=0.210，P=0.072>0.05).

因此，人枪压力中心在射击方向上的晃动标准差更能反映首发射击准确度，对首发弹着点影响最大. 两种枪托下在射击方向上晃动标准差和XCOF均没有差异，首发射击准确度也没有差异，说明瞄准阶段中人枪系统稳定性对枪托长度变化不敏感.

3.2 上肢各肌群响应

肌电信号振幅越大，说明肌肉激活程度越大，相对肌力也越大. 对瞄准过程中原始肌电图进行滤波(带通，50～350 Hz)和整流处理，得到瞄准阶段上肢各主要肌群贡献率.

从上肢各肌群贡献率可知，瞄准过程中主要发力肌群为左右臂肱桡肌、斜方肌和肱二头肌，主要肌群在长枪托和短枪托下的总贡献率分别为88.8%和89.2%. 如图3所示，枪托变短时，各肌群贡献率变化最大的为右臂肱二头肌，下降了45.4%，具有显著性差异(P=0.000).

由于每次试验瞄准时间不同，无法使用积分肌电值进行比较，采用表征肌肉疲劳程度的频域指标中位频率FM进行分析.

小肌肉群中，贡献率下降了8.8%的左肩三角肌中束FM与首发射击准确度显著负相关(r=-0.699，P=0.036)，与三发点射散布显著正相关(r=0.714，P=0.031). 因此在瞄准过程中，左肩三角肌中束FM低则肌肉疲劳，导致首发射击准确度下降和三发点射散布变差.

3.3 关节角度响应

由于射手臂长不同，仅用枪托长度或握持长度去判定人体动态响应是不准确的，因此本文采用左、右肘关节、腕关节角度和右臂与躯干夹角来描述枪托长度对射手产生的影响.

如图4所示，瞄准阶段右臂与躯干夹角对枪托长度变化敏感(P=0.000)，长枪托时夹角为30°左右，而短枪托时夹角下降为20°左右.

瞄准阶段中，右肘关节角度与右肩三角肌中束FM(r=0.644，P=0.031)和左肩三角肌中束FMZ(r=0.584，P=0.049)均显著相关，枪托变短引起右肘关节角度变小，右臂稳定性变弱而左臂补偿发力，左肩三角肌中束相应变得疲劳，导致射击表现下降，与前述肌肉分析规律一致.

4 射击阶段分析

4.1 人枪压力中心晃动响应

人枪压力中心在射击方向上向后的位移与枪械向后位移显著负相关(r=-0.825，P=0.000)，人枪压力中心向右的位移与枪向右运动位移也呈显著负相关(r=-0.735，P=0.000). 说明在射击过程中，人枪压力中心的移动方向与枪的运动方向相反，枪械向右运动而人枪压力中心向左运动，枪械后移而人枪压力中心向前运动，与已有研究规律一致[9].

射击过程中枪械对人体的作用力通过上肢、骨盆最后传递到下肢，射击过程中人枪压力中心的速度变化不能辨识出三个射击循环，不具备三发规律性(如图5所示)，人枪压力中心相关参数与射击散布无显著相关性.

4.2 上肢各肌群响应

从上肢各肌肉贡献率(图6)看出，与瞄准阶段相同，点射过程中主要发力肌群为左右臂肱桡肌、斜方肌和肱二头肌，主要肌群在长枪托和短枪托下总贡献率分别为87.6%和88.3%. 短枪托时，右臂肱二头肌和右肩斜方肌的肌肉贡献率发生显著变化(P=0.000)，较长枪托时分别下降了31.7%和增加了17.7%. 与瞄准阶段相比，射击阶段中右肩斜方肌贡献率增加，其作用是在射击时稳定肩胛骨使肩部不晃动.

由于射击阶段内肌肉是快速响应，肌电信号幅值变化很大，不能采用中位频率值描述肌肉疲劳. 而三发点射过程总时长相对稳定，因此采用积分肌电值iEMG描述肌肉活动状态.

右臂肱二头肌iEMG与三发点射散布呈显著正相关(r=0.637，P=0.035)，右臂肱三头肌iEMG与三发点射散布呈显著负相关(r=-0.742，P=0.009).其中，右臂肱三头肌iEMG与平均弹着点距瞄准点在水平方向上偏移距离呈显著正相关(r=0.939，P=0.036).

因此，在枪托长度变化下最能反映点射散布的特征量为右臂肱三头肌积分肌电值，对水平方向射击准确度影响最大.

4.3 关节角度响应

射击阶段中，人体承受枪械作用力导致射击姿态发生变化，用射击过程中关节角度变化、速度和变化幅值来表征人体响应.

如图7所示，右肘关节角度变化与枪械在射击方向上位移显著相关(r=0.860，P=0.000)，射击过程中，总体上枪械后移距离变大，右臂与躯干夹角变小导致右肘关节角度随之变大. 弹丸出枪口和后坐到位撞击后，右肘关节角度在经过15～20 ms内达到最小值.

右肘关节角速度和枪械的后移速度也呈显著负相关(r=-0.984，P=0.002). 在一个射击循环过程中，弹丸出枪口时枪械后移速度最大，右肘关节角度减小的速度也最大，其次为枪机后坐到位撞击导致枪械后移速度变大，右肘关节角度减小的速度也变大，枪机复进到位撞击时枪械向前速度变大，右肘关节角度增加的速度也相应变大.

射击初始时右臂与躯干的夹角与右臂肱三头肌iEMG显著相关(r=-0.902，P=0.036)，初始右臂与躯干的夹角越小，射击时肱三头肌发力也就越大，从而导致三发点射散布变差.

左肘关节角度变化幅值与右臂肱三头肌iEMG显著相关(r=0.790，P=0.006)，与三发点射散布也为显著负相关(r=-0.601，P=0.044),如表4所示.

表4 不同枪托位置下关节角度变化幅值Tab.4 The amplitude of joint angle in different buttstock length

射击阶段中枪托变为最短时，右肘和右臂与躯干夹角下降，导致右臂肱二头肌不易发力，左肘关节角度变化幅值增加，说明左臂不稳定性增加.导致右臂肱三头肌补偿左右臂的不稳定性而承担抵抗后坐力和控制散布的作用，右臂不稳定而右臂肱三头肌积分肌电值显著增加，导致三发点射散布变差.

5 结 论

本文研究了瞄准-射击过程中人枪动态响应特性，发现不同枪托长度所引起的关节角度不同会对射击效率和人体生物响应特性产生显著影响，揭示了影响三发点射散布的内在机理. 主要结论如下：

① 击发前1 s的瞄准阶段，人枪压力中心在射击方向上晃动幅度(COFx)越大、分布越离散说明人枪系统越不稳定，首发射击准确度越低. 射击过程中，人枪压力中心的移动方向与枪的运动方向相反.

② 瞄准和射击阶段主要发力肌群为左右臂肱桡肌、斜方肌和肱二头肌. 与瞄准阶段相比，射击阶段中右肩斜方肌贡献率增加，其作用是稳定肩胛骨使肩部不晃动. 瞄准阶段，左肩三角肌中束越疲劳，首发射击准确度越低. 射击过程中，右臂肱二头肌发力越小，右臂肱三头肌补偿发力就越大，右臂不稳定性增加而三发点射散布变差.

③ 两种不同枪托长度导致出枪时间和射击准确度存在显著性差异，短枪托时出枪时间、瞄准时间、射击准确度和三发点射散布均有变差. 对枪托长度变化最敏感的参数是右肘关节角度和右臂与躯干夹角，而在枪托长度变化下最能反映三发点射散布的特征量为右臂肱三头肌积分肌电值. 短枪托时，右肘角度变小使得瞄准阶段左肩三角肌中束疲劳，导致首发射击准确度下降；右臂与躯干夹角变小使得射击过程中肱二头肌不易发力，右臂肱三头肌补偿发力而稳定性差，三发点射散布变差.