战术握把握持舒适性试验研究

施云红，王亚平

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

战术握把是枪械与人重要的人机接触部分，其握持舒适性不仅会影响使用者持枪稳定性，还会影响瞄准效率和最终射击效果，所以对于战术握把握持舒适性的研究是枪械分析研究过程中不可忽视的方面。

国内外对握持舒适性的研究主要侧重于民用产品的手柄式握把，国外大多是利用表面肌电、抓握应力分系统和数据手套等方法对手握工具舒适性的研究，如Jérémy Rossi等[1]利用手柄测力计分析了手柄直径对最大抓握力任务期间手部握力的影响；Harih G等[2]利用虚拟手握模型研究了手柄形状对主观舒适度评价的影响；Luo S J等[3]利用多指握力测量装置研究各手指在动态抓握任务中的功能。

国内主要是采用表面肌电等试验方法和有限元仿真分析方法等，如文献[4-5]利用有限元方法建立了手抓握模型并对其进行表面压力的分析；陶国强[6]利用虚拟样机仿真和有限元分析方法建立了虚拟手有限元模型，研究了抓握手柄的手部压力情况；骆建松[7]利用表面肌电试验方法研究了被试者使用各角度手柄的肌电值，获得了不同任务情况下最舒适的手柄角度；田林枝[8]利用表面肌电、仿真分析等研究了不同操作方式和抓握方式对手部符合的影响并建立了手柄工效学评价指标。

国内外对应用于枪械中的战术握把报道很少，文献[9-10]建立了手部握持仿真分析模型，分析了影响手枪握把舒适性的因素，但是未见对战术握把相关实验分析与评价的文献报道。

本文利用柔性压力测试系统并结合主观问卷调查，分析了握持战术握把时手部压力的分布情况，并以平均压力值作为握把握持舒适性评价指标，对不同类型握把进行了分析评价，为战术握把设计与评价提供一定的参考和手段。

1 试验设计

1) 试验对象和设备

冲锋枪、步枪这类双手握持的枪械，通常除了右手握持的主握把以外，在枪械前端会有辅助左手握持的小握把。本文针对这两种类型握把，采用四种不同类型握把，握把1和握把2为主握把(图1)，握把3和握把4为小握把(图2)。

试验测试设备为柔性压力电阻式测试系统mFLEX(图3)，5通道，扫描频率5 Hz。

图1 主握把

图2 小握把

图3 柔性压力电阻式测试系统

2) 试验方案及步骤

试验选择10名男性作为被试者，身高(175±5)cm、年龄(24±2)岁、体重(78±5)kg，所有被试者均身体健康，无任何神经与肌肉系统方面的疾病。

参考手部受力分区和相关文献[2]，对手部5个主要受力分区进行数据采集(图4)，包括：6(中指近节指骨)、9(无名指近节指骨)、12(小指近节指骨)、18(小鱼际肌)和17(虎口位置)。为了方便处理，以A3、A4、A2、A5和A1表示手部分区的6、9、12、18和17。

图4 手部受力分区

利用5级主观评价量表对被试的主观感受进行评价(4级：非常舒适；3级：舒适；2级：正常；1级：不舒适；0级：非常不舒适)。

试验过程如下：被试者在右手手部相应位置贴上压力传感器片，以正常舒适地状态握住握把，采集时长为1 min，然后放下握把，休息1 min，再进行下一次采集，共5次(图5)；通过预实验测试表明左、右手的握持压力规律一致，为了消除个体左、右手差异，方便对比，对于主握把和小握把均采用右手测试。

图5 试验现场

2 试验数据处理

图6是握把握持1 min的压力原始数据，经过比较所有试验数据均呈现出相同趋势变化，由于初始时段数据波动较大，本文选取中间20 s数据进行分析。

图6 握把试验原始数据

由于被试者的个体差异和抓握时的状态差异，压力的绝对值大小不能有效体现握把舒适性，为了更好地分析数据的规律性，本文首先对试验数据进行归一化处理，采用min-max标准化归一化法，公式如下：

(1)

式(1)中：xmax为5个区域内数据的最大值，xmin为5个区域内数据的最小值。

方差与标准差是反映数据离散程度的绝对值，为了消除变量值水平高低对离散程度测度值的影响，本文采用五个部位压力值的离散系数(变异系数)作为评价握持压力分布均匀性的表征。

然后求取10个被试的离散系数均值和方差，最后对不同握把的值进行配对样本t检验分析，显著性水平为0.05，用以判断差异显著性。数据处理过程见图7。

图7 试验数据处理流程

3 试验结果分析

3.1 主握把试验结果分析

表1为在手部不同位置的压力值大小，图8为数据归一化后的压力值曲线。可以看出握把1和握把2具有相同的规律， A3位置压力值最大， A2位置受力最小，大小排列顺序A3>A5>A4>A1>A2。

表1 手部在不同位置的受力大小

A2、A3、A4位置分别对应小指、中指和无名指，各手指对总握力的贡献率分别为2.44%，39.65%，20.14%，握把2各手指的贡献率为1.53%，33.13%，22.46%，中指的贡献率最大，小指的贡献率最小，这与文献[1]规律一致。

由图8可以看出在A1、A2、A4、A5位置处握把1的受力均小于握把2；但在A3位置握把1的受力要大于握把2，这是由于握把1握持时时中指的近节指骨正好抵住握把指形沟槽弧度处，而握持握把2时中指的近节指骨是在握把2的圆滑部(图9)，所以在A3位置握把1的握持力要大些。

图8 手部不同位置的受力情况(主握把)

图9 手在A3位置握持情况

通过离散系数平均值比较来看(表2)，握把1的离散系数小于握把2，说明握把1手部受力均匀性较好。同时握把本身的结构设计来看，握把1有指形沟槽，宽厚比为2.1，握把2表面光滑，宽厚比为1.6。握把1和握把2的宽厚比均在合理舒适的范围内[11]。

表2 主握把离散系数的均值和方差

通过配对检验法对握把1和2进行显著差异性分析比较，差异性P值为0.02，说明握把1和握把2差异性显著。

图10为主观打分结果，整体来看握把1的主观打分高于握把2，握把1相对握把2更符合使用者对握把握持舒适性的要求。

图10 主观评价打分

3.2 小握把试验结果分析

小握把与主握把握持的方式上不同，主握把握持时，食指要扣压扳机，因此食指为伸出状态；小握把为全指握紧，从握力的贡献率和平均握力上都有所不同。这里不再做详细的对比，仅对不同类型小握把进行对比分析。

表3为小握把握持时，手部不同位置的压力值大小，图11为数据归一化后的压力值曲线。可以看出握把3和握把4规律上不太一致，体现在受力最大处，握把3在A5位置受力最大，握把4在A3位置受力最大，握把4的受力规律与主握把一致，握把3不同的主要原因是由于握把3较短，握持时其低端边缘处正好抵住了压力传感器(图12)。

表3 手部不同位置的受力大小

图11 手部不同位置的受力情况(小握把)

图12 在A5位置握持情况

从手指受力情况来看，在A2、A3、A4位置，握把3各手指对总握力的贡献率为0.9%，19.97%，16.06%；握把4各手指对总握力的贡献率为0.64%，28.71%，20.77%，可以看出中指的贡献率最大，小指的贡献率最小。

通过离散系数平均值比较来看(表4)，握把3压力的离散系数略大于握把4，说明握把4手部的受力均匀性较好；从握把结构设计来看，握把3有指形沟槽，防滑纹，宽厚比为1.5；握把4有防滑纹，且握把中间有稍微凸起的结构很好的与手指接触，宽厚比为1.6。握把3和握把4的宽厚比均在合理舒适的范围内[11]。

表4 小握把离散系数的均值和方差

通过配对检验法对握把3和4进行显著差异性分析比较，差异性P值为0.20，说明握把3和握把4不具有显著性差异。

图13为主观打分结果，总体来看握把3与握把4的主观打分差异性不明显，与离散系数显著性检验结果一致。

图13 主观评价打分

4 结论

本文确定了战术握把握持的采集点，利用柔性压力系统获得手部5个主要受力位置的压力值，并利用归一化方法对数据进行分析，同时结合主观评价进行了握把握持舒适性分析与比较，得到以下结论：

1) 通过手部压力测试来评价握把握持舒适性，以压力离散系数作为分析握持舒适性的指标，具有可行性。

2) 影响战术握把舒适性因素包括：宽厚比、表面防滑槽纹路、外形曲面和手部的贴合程度等。

由于受手段的限制本文仍存在不足，建议进一步采用参数化仿真的方法对具体结构参数的影响规律进行分析和优化等。