Application of ergonomics to layout design of manned submersible

Cong Ye,Weizhe Xu,Shuai Liu

doi:10.1051/jnwpu/20213920233

Abstract

Manned submersible is a complex man-machine-environment system, ergonomics design is an indispensable link in layout design of manned submersible, the advantages and disadvantages of ergonomics design will directly affect the operation and maintenance efficiency of submersible. This paper introduces the application of ergonomics to the equipment layout design of submersible and the layout design of manned cabin. Firstly, in terms of the principle of equipment layout design, the stability, maintainability, operation requirements and electromagnetic compatibility of manned submersible are comprehensively considered to partition the equipment layout, and accessibility and extravehicular light environment design are also considered. Then, from the aspects of manned cockpit hole parameters, equipment layout, hatch access ladder and light environment design in cabin, the ergonomics-oriented cabin layout design process is expounded.

Highlights

This paper introduces the application of ergo⁃ nomics to the equipment layout design of submersible and the layout design of manned cabin
Xi′an: Northwest University of Technology, 2016 ( in Chinese)

Summary

Introduction

载人潜水器是为了满足我国及国际海底资源勘探和开发、开展深远海科学考察、深海考古等迫切需求研制的水下装备。载人潜水器能将人送达水下或者海底,充分发挥人在现场直接观察、取样和测绘的优点,以便及时发现和决策,有效地执行精细作业任务。自 2002 年以来,我国研制完成首台大深度作业型载人潜水器蛟龙号,创造了 7 062 m 的下潜记录。在此基础上,研制出的 4 500 m 级深海勇士号载人潜水器,实现了 95% 的国产化率,进一步提升了我国载人深潜核心技术及关键部件自主创新能力。 2020 年 11 月 10 日,我国最新研制全海深载人潜水器奋斗者号,在马里亚纳海沟成功下潜至 10 909 m, 创下了中国载人深潜的新记录。载人潜水器是一个牵涉多学科的复杂人-机-环系统,其布局设计不仅决定了潜水器的主尺寸、重量、航速、功能等重要指标,还对潜水器维护性、作业效率、舒适性等有着直接影响。因此载人潜水器布局设计中的人机工效应用受到了越来越多的重视,人机工效设计的优劣将影响到潜水器运维效率。布局验证。一是使用人机工程学软件 Delmia 和 JACK,构建载人舱三维模型和虚拟人体模型, 然后通过软件的可达域、可视域、OWAS、RULA、CA、LBA 等人机模块完成人机分析。这种方法周期短、成本低,能在设计初期快速评价舱内布局,提出修改优化意见。另一种是在初步设计完成之后,搭建样机,开展布局验证试验。这种方法能够让人员直观地体验到舱内布局的优劣,提出主观的优化意见,同时试验采集的生理指标和评分结果能够为方案优化提供数据支撑。图 8 为奋斗者号载人潜水器样机验证试验,通过测定记录实验对象的坐位压力分布、表面肌电(斜方肌、竖脊肌和股直肌)、静息脑电、心电( 心率及心率变异性) 、血压、大腿皮肤血流等生理指标,以及利用视觉模拟评分法( visual analogue scale, VAS) 开展主观评价和状态焦虑评分,对乘客区域有支撑板和无支撑板 2 种舱内布局方案进行评估。评估结果为:1有支撑板时乘客臀部与座椅接触面积减小大腿血流量降低,下肢循环较差;2有支撑板时乘客股直肌、竖脊肌和斜方肌的平均频率、中位频率和功率峰值频率均有不同程度降低,说明有支撑板情况下姿态相对固定,能减少非任务性的体力损耗, 从而提高作业效率;3有支撑板观察时,乘客更易焦虑,撤去支撑板后愉悦感、工作效率和总体舒适度均有提升。综合以上试验结果, 设计可折叠支撑板 (见图 9),在乘客休息时收起支撑板增加活动空间提高舒适度,观察时打开支撑板减少肢体活动度,减轻肌肉疲劳,提高工作效率。较小( 通常不大于 500 mm) ,同时出入舱口位置进行结构补强,其壁厚较大,可达到 350 mm。根据实际现场试验测量,在潜航员通过梯子进出舱时,臀部及膝盖会受到舱口尺寸限制,每一踏步的高度约为 150 ~ 230 mm,同时膝盖超出足尖平面,如果采用传统梯子,梯子踏板将与潜航员膝盖干涉( 见图 10) ; 另外,由于载人舱内设备繁多、活动空间有限,载人潜水器进出舱梯子的支撑斜度通常无法低于 70°, 因此也无法通过降低梯子的倾斜角度来避开踏板与膝盖的干涉问题;同时,传统梯子的直线型踏板型式将占据一定出入舱口空间,影响人员进出。由于载人潜水器长期工作于风浪较大的海面,载人潜水器进出舱梯子还应满足:1方便拆装;2在颠簸的海样环境中固定稳固,以保证使用安全;3踏板的位置应在人的可视范围内,使用时不至于踏空。

Results

Conclusion