模擬失重條件下航天員旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬 超，劉玉慶，朱秀慶，安 明，周伯河，陳善廣，2*

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

·基礎(chǔ)研究·

模擬失重條件下航天員旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬 超1，劉玉慶1，朱秀慶1，安 明1，周伯河1，陳善廣1，2*

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

航天員太空飛行中，需要改變自身位置與朝向以完成不同的作業(yè)任務(wù)，當(dāng)其無法觸碰到手腳限制器等借助物時(shí)，會(huì)涉及通過自身動(dòng)作的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生人體旋轉(zhuǎn)的問題。為此，首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人體動(dòng)力學(xué)方程，據(jù)此提出能夠使得人體轉(zhuǎn)動(dòng)的肢體操作方法，然后采用懸吊法模擬太空失重環(huán)境，對比不同控制方法產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)作用效果，發(fā)現(xiàn)肢體旋轉(zhuǎn)時(shí)與身體的夾角和肢體旋轉(zhuǎn)速度是影響人體旋轉(zhuǎn)完成時(shí)間和關(guān)節(jié)力矩的主要因素，最后結(jié)合推薦動(dòng)作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出空間姿態(tài)變換運(yùn)動(dòng)的操作建議。結(jié)果表明本文推薦動(dòng)作有一定的優(yōu)越性，對航天員處于太空中的自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有實(shí)用意義。

航天員；模擬失重；人體自旋運(yùn)動(dòng)；控制策略

1 引言

隨著載人航天工程的發(fā)展，航天員處于太空艙中的活動(dòng)空間將變得更大。當(dāng)航天員進(jìn)行艙內(nèi)作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)人體無法借助外力的情況，此時(shí)要產(chǎn)生人體方向的改變，需要掌握自身姿態(tài)調(diào)節(jié)方法；當(dāng)航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，其與母航天器分離，若艙外服推進(jìn)器某方向控制器發(fā)生故障，則返回到母航天器內(nèi)需要兩步，首先調(diào)整自身姿態(tài)直到面向正確的方向，然后借助方向完好的推進(jìn)器使處于艙外的航天員返回到母航天器。太空特殊的失重環(huán)境會(huì)對人體感知及肌肉運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生影響，地面上簡單的動(dòng)作此時(shí)變得困難［1］，因此研究航天員太空自旋運(yùn)動(dòng)策略，對其在太空中的姿態(tài)調(diào)整有重大意義。

美國麻省理工學(xué)院的Newman等人為了計(jì)算航天員在軌飛行時(shí)對飛行器的擾動(dòng)，借助測力與動(dòng)量的加強(qiáng)型動(dòng)態(tài)負(fù)載感應(yīng)器來分析其在軌運(yùn)行時(shí)的艙內(nèi)活動(dòng)［2］，結(jié)果顯示航天員日常的艙內(nèi)活動(dòng)不會(huì)對飛行器產(chǎn)生擾動(dòng)。Philip［3］采用美國國家航空航天局約翰遜中心的中性浮力水槽實(shí)驗(yàn)室對航天員的控制策略進(jìn)行了研究，水中活動(dòng)受限少，人體可通過配平配重實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，但水的粘性對人體肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了較大的粘滯阻力，不利于優(yōu)化人體運(yùn)動(dòng)策略的目的［4］。Stirling［5］等人同樣對地面模擬失重下人體的運(yùn)動(dòng)策略進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示訓(xùn)練過的受試者比沒有訓(xùn)練過的受試者更容易完成身體的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)作合理性問題需要更進(jìn)一步討論。季白樺等研究了失重狀態(tài)下的人體動(dòng)力學(xué)方程［6］，給出了航天員通過雙腿的圓錐擺運(yùn)動(dòng)來改變其自身姿態(tài)的方法，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，但缺少實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

本文的研究對象為復(fù)雜人體，具有誤差大、穩(wěn)定性低、主觀能動(dòng)性大的特點(diǎn)，結(jié)合未來我國航天員太空作業(yè)時(shí)無外力狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)定向的需要，采用懸吊系統(tǒng)模擬空間失重環(huán)境，驗(yàn)證肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生身體旋轉(zhuǎn)的可行性，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，研究影響人體旋轉(zhuǎn)效果的因素，提出更適合于航天員快速高效調(diào)節(jié)身體姿態(tài)的策略。

2 人體空間運(yùn)動(dòng)策略

將人體簡化為一個(gè)多剛體系統(tǒng)，由骨骼、肌肉、皮膚等組合而成，采用Hanavan人體模型［7］將人體分為15個(gè)體段，各體段近似為剛體，體段間的關(guān)節(jié)看作鉸連接，相互間有旋轉(zhuǎn)自由度，肢體間相對運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)量矩守恒定理。設(shè)多剛體系統(tǒng)由15個(gè)剛體Bi（i=1，2，…，15）組成，各剛體相對人體總質(zhì)心C的動(dòng)量矩［8］如式（1）所示。

式中，Ji、ωi代表體段i相對體段坐標(biāo)系原點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度，m代表體段質(zhì)量，ρi是體段質(zhì)心到體段坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離，rC為體段坐標(biāo)系原點(diǎn)到人體總質(zhì)心的距離，約定矢量上方的“·”表示在慣性空間向量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)初始動(dòng)量矩為零，各體段協(xié)同動(dòng)作且不受外力及外

航天員在太空無外力條件下要完成操作任務(wù)需要通過肢體運(yùn)動(dòng)改變自身姿態(tài)，姿態(tài)的改變可以總結(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)、翻滾和傾斜?；谏鲜鰟?dòng)量矩守恒定理中涉及到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、旋轉(zhuǎn)半徑等概念，經(jīng)過熟悉訓(xùn)練和模擬相似條件的試驗(yàn)，總結(jié)出如表1的推薦動(dòng)作提供給實(shí)驗(yàn)中受試者使用，以達(dá)到航天員改變姿態(tài)的目的。

人體自然站立時(shí)，定義矢狀軸為x軸，由胸指向背，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙臂與身體運(yùn)動(dòng)在同一平面內(nèi)，此時(shí)雙臂朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，身體即向另一方向產(chǎn)生傾斜運(yùn)動(dòng)；定義冠狀軸為y軸，由右肩指向左肩，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)用移軸定理知身體也可繞y軸向相反方向產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)；定義垂直軸為z軸，由人體質(zhì)心指向頭部，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時(shí)，同樣運(yùn)用移軸定理知身體也可繞z軸向相反方向產(chǎn)生偏航。

運(yùn)用上述動(dòng)作，理論上符合動(dòng)量矩守恒定理，且經(jīng)過計(jì)算身體隨肢體響應(yīng)較快且省力。下面將采用實(shí)驗(yàn)的方法對模擬失重環(huán)境下的航天員自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而修正航天員太空自旋運(yùn)動(dòng)策略。力矩作用時(shí)，則有動(dòng)量矩守恒，如式2。

3 懸吊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 受試者

結(jié)合我國航天員的真實(shí)年齡、身高等參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中國航天員科研訓(xùn)練中心志愿者參與性試驗(yàn)申請，選拔了10名男性健康志愿者作為受試者參加實(shí)驗(yàn)，年齡在20至36歲之間，平均年齡為27.5歲。

3.2 基本參數(shù)的測量

為了分析受試者不同身體尺寸對于旋轉(zhuǎn)效果的影響，依據(jù)國標(biāo)《用于技術(shù)設(shè)計(jì)的人體測量基礎(chǔ)項(xiàng)目》［9］選擇測量項(xiàng)目，采用國標(biāo)《人體測量儀器》［10］中的儀器對10位受試者相關(guān)肢體的長度、圍度等進(jìn)行測量，以此作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的數(shù)據(jù)來源。

測量得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，結(jié)合國標(biāo)《成年人人體慣性參數(shù)》［11］，計(jì)算得所有受試者體段的質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。表2以第五名受試者（下稱“S5”）身體參數(shù)為例列出相關(guān)變量的計(jì)算結(jié)果。

表1 單軸運(yùn)動(dòng)控制方法Tab le1 M ethod of single-axis self-rotation

表2 受試者S5各參數(shù)值Table 2 The values of Subject 5

3.3 懸吊設(shè)計(jì)

地面模擬失重方法有多種，相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn)失重飛機(jī)模擬出的失重環(huán)境最為真實(shí)，但持續(xù)時(shí)間少，造價(jià)昂貴，難以實(shí)施；中性浮力水槽中適用于出艙進(jìn)行程序性訓(xùn)練，不適合進(jìn)行動(dòng)作優(yōu)化的研究；自由落塔可實(shí)現(xiàn)短暫的微重力環(huán)境，持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)不適合本實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證；氣浮平臺(tái)模擬的失重環(huán)境受限于活動(dòng)自由度，不適合于本實(shí)驗(yàn)的開展?；诖耍疚牟捎萌N懸吊模擬失重的方式，使受試者分別完成繞三個(gè)人體軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

人體繞任意軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均可通過繞三軸的旋轉(zhuǎn)組合來實(shí)現(xiàn)。為減少人體懸吊狀態(tài)下自由旋轉(zhuǎn)的摩擦力，采用旋轉(zhuǎn)摩擦可以忽略不計(jì)的萬向節(jié)連接繩索，承重為23 kN；用于懸掛受試者的繩索承重22 kN；固定支持機(jī)構(gòu)的懸吊實(shí)驗(yàn)裝置用工字型懸臂梁承擔(dān)。

繞x軸與z軸旋轉(zhuǎn)的懸吊方式為采用背帶固定受試者的方法，以保持身體盡量筆直，借助繩索將其懸吊于懸臂梁上，實(shí)現(xiàn)繞相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)。繞y軸旋轉(zhuǎn)則采用吊床將受試者吊起，以實(shí)現(xiàn)其繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)。此方法擴(kuò)大身體接觸平板的面積，增強(qiáng)了舒適性，但側(cè)向固定不穩(wěn)帶來了測量誤差，因此身體應(yīng)盡可能保持側(cè)平，避免與固定帶接觸。

圖1 懸吊系統(tǒng)裝置Fig.1 Suspension system equipment

首先受試者分別熟悉三種懸吊方法下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)自己的理解做出相應(yīng)動(dòng)作，以完成表3中的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)前不獲取任何指導(dǎo)性幫助的實(shí)驗(yàn)作為對比組；完成上述任務(wù)后，工作人員告知受試者推薦動(dòng)作要領(lǐng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的動(dòng)作熟悉與訓(xùn)練，同樣完成表3中的實(shí)驗(yàn)任務(wù)作為實(shí)驗(yàn)組。每位受試者需要分別采用自主動(dòng)作和推薦動(dòng)作各完成3次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，3次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

表3 受試者需要完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)Table 3 Experimen t tasks by the test subjects

3.4 評價(jià)分析

實(shí)驗(yàn)中，對受試者的運(yùn)動(dòng)控制策略進(jìn)行全程記錄，以此統(tǒng)計(jì)出受試者各個(gè)動(dòng)作的完成時(shí)間，比較各組動(dòng)作策略的差異。在每一次試驗(yàn)任務(wù)完成后，受試者的主觀評價(jià)作為地面模擬失重環(huán)境完成自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)效果好壞的量化評價(jià)方式。實(shí)驗(yàn)采用任務(wù)工作量表（NASA-TLX）［12］評判各個(gè)維度的感受，作為對比自主動(dòng)作與推薦動(dòng)作運(yùn)動(dòng)控制策略優(yōu)劣性的依據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)到10名受試者完成各個(gè)試驗(yàn)任務(wù)時(shí)的完成時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)等信息，據(jù)此分析不同控制方法的差異性。統(tǒng)計(jì)受試者每次動(dòng)作時(shí)間，使用非參數(shù)檢驗(yàn)的Friedman法［13］檢驗(yàn)試驗(yàn)次數(shù)之間的顯著性；結(jié)合各位受試者身體參數(shù)，分析受試者主動(dòng)體質(zhì)量、主動(dòng)體旋轉(zhuǎn)半徑與試驗(yàn)任務(wù)動(dòng)作次數(shù)的關(guān)系；使用Mann-Whitney檢驗(yàn)方法［13］定量分析自主動(dòng)作與推薦動(dòng)作的差異。所有涉及檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的非參數(shù)檢驗(yàn)，顯著性水平定為0.05。

4.1 完成時(shí)間的影響因素

4.1.1 初始動(dòng)作與后續(xù)動(dòng)作完成時(shí)間的區(qū)別

人體處于懸吊模擬失重這種不熟悉的狀態(tài)下時(shí)，往往在第一次動(dòng)作具有試探性，隨后的試驗(yàn)中會(huì)實(shí)時(shí)地調(diào)整姿態(tài)與動(dòng)作以更好的完成任務(wù)。分別將各受試者采用自主動(dòng)作完成6項(xiàng)任務(wù)的第一次、第二次、第三次試驗(yàn)完成時(shí)間取均值后繪制成圖，可以清楚的看到隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，完成時(shí)間在減少，如圖2所示。

圖2 受試者采用自主動(dòng)作完成時(shí)間平均值對比圖Fig.2 Com parison of performance time of each task

由圖可見，受試者做每個(gè)新動(dòng)作過程中，第一次試驗(yàn)時(shí)占用更多的時(shí)間，接下來的嘗試完成時(shí)間會(huì)減少。由于繞x軸旋轉(zhuǎn)較困難，三次試驗(yàn)完成時(shí)間規(guī)律性不明顯。采用非參數(shù)檢驗(yàn)Friedman方法對受試者順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的三次動(dòng)作進(jìn)行分析，漸近顯著性P=0.008＜0.05，說明每次試驗(yàn)的完成時(shí)間存在顯著差異。掌握此規(guī)律有助于為航天員制定控制策略時(shí)考慮如何盡快適應(yīng)失重環(huán)境，避免試探性的使用動(dòng)作而消耗時(shí)間與精力。

4.1.2 采用不同控制方法初次試驗(yàn)的區(qū)別

將受試者采用兩種方法第一次完成三種旋轉(zhuǎn)的時(shí)間繪制成圖，如圖3所示，可以看出采用推薦動(dòng)作比采用自主動(dòng)作的完成時(shí)間短。這說明本文推薦動(dòng)作能夠很快起到旋轉(zhuǎn)的作用，而受試者自主研究的動(dòng)作有試探性、不確定性，不能及時(shí)表現(xiàn)出很好的效果。因此后續(xù)訓(xùn)練中，可采用此方法對航天員進(jìn)行地面訓(xùn)練。

圖3 不同控制方法完成時(shí)間對比圖Fig.3 Com parison of performance of differentmethod

4.1.3 不同動(dòng)作完成時(shí)間的區(qū)別

各受試者分別采用自主動(dòng)作與推薦動(dòng)作完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，記錄完成時(shí)間與肢體動(dòng)作次數(shù)，分別將順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)繪制成圖表，如圖4。

圖4 各受試者采用自主動(dòng)作與推薦動(dòng)作所用時(shí)間及動(dòng)作次數(shù)對比圖Table 4 Com parison of performance tim e and m otion times of differentmethods

受試者采用兩種方法完成任務(wù)效果的差異性可用Mann-Whitney檢驗(yàn)來評價(jià)。繞x軸順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.019、0.011，繞y軸順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.005、0.015，繞z軸順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.315、0.393。當(dāng)P＜0.05時(shí)，認(rèn)為有明顯的差異性，則繞x軸和繞y軸旋轉(zhuǎn)的差異性明顯，這與實(shí)際期望是一致的。而繞z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受試者所感受的狀態(tài)與地面相似，采用的動(dòng)作也更為熟悉，因此差異性不顯著。

4.2 體型對旋轉(zhuǎn)效果的影響

由上可以看出，單獨(dú)研究旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量、質(zhì)心位置、動(dòng)量矩以及質(zhì)量比時(shí)旋轉(zhuǎn)次數(shù)的變化無顯著規(guī)律性。雖然說旋轉(zhuǎn)次數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量增大而減小，隨質(zhì)心位置越遠(yuǎn)而減小，隨著動(dòng)量矩變大而減小，隨著質(zhì)量比的增大而減小，但各因素耦合作用時(shí)，受試者其他身體部位參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)改變，因此體型無法得出顯著特點(diǎn)。但根據(jù)理論分析得知質(zhì)心位置越遠(yuǎn)，雙臂旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而質(zhì)量比越大同樣可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而能夠減少主動(dòng)體旋轉(zhuǎn)次數(shù)。因此，控制策略應(yīng)更傾向于將雙臂打開更大角度增大質(zhì)心位置，同時(shí)多鍛煉四肢力量，以便更輕易的完成空間旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閯?dòng)作完成時(shí)間的快慢還取決于人體其它部分質(zhì)量及慣量的大小，以及人體動(dòng)作習(xí)慣程度。

圖5 旋轉(zhuǎn)次數(shù)隨體型變化圖Fig.5 Changes of rotation times

4.3 任務(wù)工作量指數(shù)

對受試者完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)后進(jìn)行任務(wù)工作量評價(jià)打分。圖6顯示了受試者在不同項(xiàng)目中的得分情況，著重將兩類動(dòng)作分開進(jìn)行了對比，圖中表明了六項(xiàng)指標(biāo)影響程度的大小情況。

圖6 各受試者六項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)得分情況分布Fig.6 The NASA-TLX score of every subject

總體橫向組間比較后發(fā)現(xiàn)，體力需求與努力程度得分相對較高，這反映模擬失重條件下航天員做動(dòng)作影響因素較大的兩個(gè)方面。

在腦力需求與體力需求方面，由于受試者處于懸吊系統(tǒng)模擬失重這種不熟悉的環(huán)境中，無論使用自主動(dòng)作或是推薦動(dòng)作都將耗費(fèi)很大的腦力與體力，因此差異性??；而由于采用推薦動(dòng)作能夠更快更好的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，因此在時(shí)間壓力、努力程度和挫折程度方面差異較大，即采用推薦動(dòng)作時(shí)，受試者會(huì)放心的運(yùn)動(dòng)，不會(huì)造成時(shí)間壓力的擔(dān)心，同時(shí)不用付出更多努力與克服挫折即可順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。受試者采用兩種控制方法都能完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，因此在自我表現(xiàn)得分方面都較高，說明完成情況良好。

4.4 旋轉(zhuǎn)策略修正

由受試者雙臂的旋轉(zhuǎn)軌跡可以看出，當(dāng)其采用自主動(dòng)作時(shí)傾向于嘗試雙臂在胸前畫圓的方法可有效實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。這與游泳時(shí)劃水的動(dòng)作相似，可體現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)效果。

觀察繞x軸旋轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，10名受試者同樣傾向于將懸吊環(huán)境想象為水中的情境，采用肢體反向劃動(dòng)的方式，產(chǎn)生人體的旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)技術(shù)能夠較快的實(shí)現(xiàn)身體轉(zhuǎn)動(dòng)，但雙臂上下的方位容易引起身體的翻動(dòng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于繞y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)受試者處于不常見的姿態(tài)，因此動(dòng)作較難完成。受試者傾向于將雙手置于胸前，在水平面來回的畫圈，從而產(chǎn)生了輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)。這些旋轉(zhuǎn)技術(shù)體現(xiàn)了受試者更愿采用熟悉的動(dòng)作來完成任務(wù)。相對繞x軸和繞y軸旋轉(zhuǎn)，繞z軸旋轉(zhuǎn)最易完成，因?yàn)閦軸的懸吊狀態(tài)對于受試者最為熟悉。

綜上分析，人體處于無外力狀態(tài)時(shí)，可通過質(zhì)量和慣量較大的肢體旋轉(zhuǎn)，來產(chǎn)生身體的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將模擬失重環(huán)境想象為熟悉的情景，劃動(dòng)肢體，穩(wěn)定產(chǎn)生身體旋轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

通過懸吊系統(tǒng)模擬失重環(huán)境的方法研究了人體運(yùn)動(dòng)策略的可行性和優(yōu)劣性，對航天員地面訓(xùn)練提供指導(dǎo)方法。整體上研究結(jié)果得出了以下三個(gè)結(jié)論，即空間動(dòng)作適應(yīng)時(shí)間與動(dòng)作熟悉程度相關(guān)，推薦動(dòng)作完成效果優(yōu)于自主動(dòng)作，繞x軸旋轉(zhuǎn)和繞y軸旋轉(zhuǎn)比繞z軸旋轉(zhuǎn)困難。

研究中發(fā)現(xiàn)個(gè)別受試者的個(gè)別動(dòng)作效果好，表現(xiàn)出優(yōu)于推薦動(dòng)作的特點(diǎn)。這反映出各受試者習(xí)慣方式不盡相同，需要通過大量實(shí)驗(yàn)得到適合自己的動(dòng)作，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了理論計(jì)算中無法得出的一些結(jié)論，反映出人體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，為我們以后的研究帶來新的課題。個(gè)性化的自旋運(yùn)動(dòng)方法涉及到航天員人體感知方面的研究，這將在后續(xù)工作中加以完善，并運(yùn)用最優(yōu)化理論方法，得到普遍適應(yīng)于所有航天員的策略，同時(shí)結(jié)合艙外服的特征系統(tǒng)對艙外活動(dòng)航天員的運(yùn)動(dòng)與操作方法做出研究。

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Experimental Validation of Astronaut Self-rotation M otion M ethod in Simulated Weightless Condition

MA Chao1，LIU Yuqing1，ZHU Xiuqing1，AN Ming1，ZHOU Bohe1，CHEN Shanguang1，2*
（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China）

Astronaut needs to change his or her orientation to perform different tasks during the spacemission.The issue of how to rotate body through limbs'motion without external torques is studied in this paper.First，the kinetics equations ofmulti-body systemswere built by the Roberson-Wittenburgmethod and the body rotarymethods through limb manipulation motions were proposed. Then，a suspension experimentwas conducted to simulate weightless environment to contrast the rotary performances with different self-rotation strategies and to find the influencing factors on completing time and joint torques.In the end，the self-rotation motion strategy without external torqueswas improved.The results show that the recommended motion control strategy is excellent as compared with othermethods and will be beneficial to astronaut self-rotation motion.

astronaut；simulated weightlessness；human self-rotation；control strategy

R857.1

A

1674-5825（2014）04-0371-07

2014-04-16；

2014-06-30

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（B1720132001）；中國航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（2010SY5413004）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011CB711005）

馬超（1988-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教祜w行訓(xùn)練模擬技術(shù)。Email：chillymay@163.com

陳善廣，shanguang-chen@126.com