人-服交互模型發(fā)展綜述

張園園 強(qiáng)靜（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1 人-服交互模型概念

航天服是航天員開展艙外活動必不可少的防護(hù)裝備。航天服不僅要為航天員提供基本的生命保障,還應(yīng)具有很高的活動性能,保證航天員能有效完成各種艙外任務(wù)。航天員要進(jìn)行大量的出艙活動訓(xùn)練，次佳的航天服設(shè)計會導(dǎo)致人體代償，從而導(dǎo)致航天員身體不適，績效下降，甚至受傷。通過優(yōu)化人體關(guān)節(jié)中心的軸承類型、尺寸、方向和位置，將使航天員完成給定任務(wù)所需的補(bǔ)償達(dá)到最小化，從而降低這些風(fēng)險，但即便如此，也很難評估不同設(shè)計對乘員績效的影響。目前，可通過光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)評估著服人員的活動性和工作能力，但這僅能解釋航天服的表面運動，并不能了解航天服內(nèi)人體的活動性。光學(xué)運動傳感器不能直觀地跟蹤航天服內(nèi)的人體，航天服周圍出現(xiàn)的金屬部件會使慣性測量單元(IMUs)可靠性降低，現(xiàn)有的人機(jī)交互傳感器在惡劣的航天服內(nèi)環(huán)境中反應(yīng)效率低下。除了上述這些困難，通過人在環(huán)路(HITL)系統(tǒng)測試來收集數(shù)據(jù)，不但具有挑戰(zhàn)性，而且成本昂貴。此外，目前還沒有非常好的方法來模擬人在不同重力環(huán)境下如何適應(yīng)航天服。

為克服著服人員績效評估的難點，美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）的人體測量學(xué)和生物力學(xué)中心(ABF)正在開發(fā)形態(tài)學(xué)和運動學(xué)的人-服交互模型，用以評價航天服的適體性和靈活性。

人-服交互模型可以通過不同的動作重新定位和啟動，用來預(yù)測潛在的航天服設(shè)計問題和功能限制，以及特定個體的航天服尺寸。其目標(biāo)是開發(fā)一個預(yù)測模型，根據(jù)個人的人體測量尺碼和航天服的設(shè)計特征，對運動幅度等績效進(jìn)行定量評估。

2 人-服交互模型發(fā)展

10年來，ABF中心一直致力于開發(fā)和改進(jìn)各種計算機(jī)模擬的航天服和人體模型，以下介紹了其研發(fā)的動態(tài)人-服交互模型發(fā)展情況。

人體模型發(fā)展

人體模型是人-服交互建模的重要組成部分。為了確保人體模型的先進(jìn)性且與實際經(jīng)驗相一致，NASA對多種商業(yè)建模工具進(jìn)行了評價，并調(diào)研了諸如汽車等領(lǐng)域的最佳經(jīng)驗。此外，NASA獲取的自1980年起所有候選航天員的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為建模提供了身體尺寸和力量等極佳數(shù)據(jù)。如今，研究人員利用身體掃描儀之類的工具就可以獲取全身的數(shù)字影像，這種影像可以用軟件和高速攝像機(jī)進(jìn)行測量和處理，它可以實時提供身體所處的位置，通過力量傳感器測量人施加的或被施加的力量大小，量化航天服設(shè)計對移動范圍和受力的影響。

人體模型開發(fā)的第一階段，ABF構(gòu)建了一個從航天員和測試對象在不同姿態(tài)下的線性人體測量和3D立體掃描數(shù)據(jù)，可以用于預(yù)測評估。盡管該數(shù)據(jù)庫包含了大量不同人體姿勢的掃描數(shù)據(jù)，但有時可能需要數(shù)據(jù)庫中缺少的獨特姿勢或特定體形，這就需要對人體模型進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，生成不同的身體形狀，并為虛擬航天服設(shè)計和適體性評價進(jìn)行群體分析。美國Solidworks公司初步開發(fā)了3D人體模型，通過3D掃描使用線性人體測量打造一個原始形狀“骨架”。這些“航天員”可以代表人體測量的任何組合，其活動度可以由動畫進(jìn)行演示，但其缺乏人體組織的壓縮性，且難以操縱。此外，這些形狀并沒有準(zhǔn)確地描繪出人體的真實體積和曲率。

人體模型開發(fā)的第二階段是將真實的3D掃描與3D建模環(huán)境相結(jié)合，以提高其實用性，并在航天服適體性方面達(dá)到更真實水平。2017年，美國Blender基金會引入了3D掃描技術(shù)，這種技術(shù)將骨架應(yīng)用到網(wǎng)格上，以便能夠動態(tài)地調(diào)整受試者的姿勢。當(dāng)操縱骨架時，與骨架相關(guān)的頂點發(fā)生了平移，位移量是根據(jù)權(quán)重計算的，這將最終引起身體對應(yīng)骨架關(guān)節(jié)產(chǎn)生變形。

“航天員”模型下半身人體測量

“航天員”受試者展示規(guī)定的肩部伸展范圍

前臂的負(fù)重區(qū)域彩色分布圖

骨架服裝主體

以這種方式重新定位骨架，對于一些較小調(diào)整的效果很明顯，但卻不能準(zhǔn)確地量化解剖學(xué)上獨特的皮膚變形或肌肉膨脹，特別是在復(fù)雜關(guān)節(jié)的極端位置（如肩部）。對于不依賴于精確身體變形的基本運動范圍評估來說，這不是主要問題，但對于服裝與身體的接觸評估來說，這是至關(guān)重要的。此外，雖然該數(shù)據(jù)庫涵蓋了大量的人體測量值，但它并不能代表當(dāng)前和未來的所有航天員人群，那么如何對數(shù)據(jù)庫中不存在的人體體型進(jìn)行航天服評價（例如：非常高大或非常矮?。?，為了解決這些問題，Blender基金會開發(fā)了一項新技術(shù)，基于3D掃描創(chuàng)建一個人體統(tǒng)計參數(shù)模型，以便更好地模擬皮膚變形。

由于每次3D 掃描都會產(chǎn)生大量的點云數(shù)據(jù)，因此采用基于模板的非剛性配準(zhǔn)和變形技術(shù)來創(chuàng)建相應(yīng)的表面模型，并在所有掃描中保持相同的點對點關(guān)系。對個人形狀和姿勢變化之間的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計建模，可以產(chǎn)生更廣泛的身體形狀。利用與航天服適體性相關(guān)的臨界人體測量尺寸（例如：身高和肩寬尺寸），可以生成具有這些臨界尺寸的各種近似身體形狀。

航天服模型發(fā)展

ABF目前同時開發(fā)了艙外機(jī)動裝置（EMU）3D模型、MarkⅢ航天服、Z2系列航天服、硬軟質(zhì)組件綜合變形等4種航天服模型，打造了一個多元的航天服設(shè)計數(shù)據(jù)庫。這些航天服模型不僅可以在3D空間按照使用者的身體形狀進(jìn)行定位，還可以模擬著服情況下在各種軸承和軟織物斷點處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲。目前，模型數(shù)據(jù)庫只針對艙外航天服。

統(tǒng)計生成的人體模型

EMU的HUT 航天服計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型

3D掃描與EMU的HUT建模對比圖

手腕被約束到同一個目標(biāo)時，受試者從中立姿勢到頭頂伸展的肩部變形比較

真實的EMU肩部（左）與3-旋肩（右）對比圖，圈出來的為約束線

（1）EMU 3D模型

EMU 3D模型是由Solidworks公司開發(fā)的，這種模型采用硬上軀干(HUT)3D掃描和人工測量相結(jié)合，以及螺旋軸承的方式。真實的EMU肩部完全由軟織物制成，除了肩胛骨和上臂承重部分外，還有兩條沿著肩部回旋線的織物約束線。在這個模型中，在這兩個軸承之間增加了一個旋轉(zhuǎn)連接，能夠模擬在人體測試期間航天服區(qū)域看到的活動類型。

旋轉(zhuǎn)連桿的設(shè)計是為了代表縱向約束線沿關(guān)節(jié)的一側(cè)，不能伸縮，但關(guān)節(jié)可以開放和關(guān)閉。除關(guān)節(jié)間的軸承之外，EMU小臂和下軀干組件（LTA）完全由軟材料組成。Blender模型增加了航天服的這些部分，通過捕獲完整的紋理和對顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行3D掃描，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了手臂和LTA的單獨網(wǎng)格對象。

（2）MarkⅢ航天服模型

與EMU一樣，MarkⅢ航天服的硬質(zhì)部件也是Solidworks公司開發(fā)的，基于3D掃描和人工測量技術(shù)制造，其中，肩部回旋處是將實際機(jī)構(gòu)配置與6-卷曲結(jié)構(gòu)相匹配的肩旋模型。MarkⅢ航天服LTA包括1個可水平旋轉(zhuǎn)的腰部軸承和1個可前后移動的腰環(huán)樞軸關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)盤。堅硬的骨盆部分配有3個堅硬的髖關(guān)節(jié)支撐和大腿外展/內(nèi)收旋轉(zhuǎn)部件，使其能夠行走和完成其他下半身任務(wù)（例如：彎腰撿起物體）。Blender基金會引入硬物幾何模型后，將組成小臂和小腿的軟物組件模擬成簡單的管狀結(jié)構(gòu)，并配以普通的靴子和手套。

3D掃描與MarkⅢ航天服HUT建模對比圖

內(nèi)置肩部6-卷曲結(jié)構(gòu)的MarkⅢ航天服上軀干

（3）Z2系列航天服模型

Z2系列航天服在構(gòu)造上與MarkⅢ航天服有很多相似之處，具有背入式和旋轉(zhuǎn)式肩部設(shè)計。然而，Z2與EMU、MarkⅢ航天服的區(qū)別在于，它是在現(xiàn)代計算機(jī)輔助設(shè)計建模軟件問世之前設(shè)計出來的，因此有3D模型基礎(chǔ)。在此種情況下，研發(fā)人員將硬質(zhì)組件的原始模型直接導(dǎo)入，形成了HUT、肩部部分的關(guān)節(jié)、手臂和腿部模型，通過結(jié)合使用3D激光掃描和實體建模，可以打造一個全面的關(guān)節(jié)航天服模型。

（4）硬、軟質(zhì)組件綜合變形模型

骨架系統(tǒng)實質(zhì)上是一系列起源于HUT并向外延伸到手臂和腿部的系列骨架。它同時控制航天服的硬質(zhì)組件(如：HUT和肩膀支承)和軟質(zhì)組件(如：LTA和手臂)。每個骨骼的頭部和尾部與航天服上相應(yīng)節(jié)段的旋轉(zhuǎn)中心一致。每個骨骼也被固定在x、y和z軸，以限制轉(zhuǎn)動的程度，模擬實際航天服中每節(jié)關(guān)節(jié)的機(jī)械活動范圍（ROM）。例如，控制肩旋環(huán)的骨骼只允許在連接銷的旋轉(zhuǎn)軸上彎曲，并且有活動范圍限制，以防止它們以機(jī)械上不可能的方式相互干擾。

與人體模型類似，軟質(zhì)組件變形具有一定的局限性，因為在極端的姿勢下模擬逼真程度會大幅度降低。因此，未來的軟質(zhì)組件建模將結(jié)合參數(shù)化建模技術(shù)來提高逼真程度。目前正在開發(fā)一種混合航天服模型，該模型將運動和模擬變形相結(jié)合，從而更好地體現(xiàn)著服執(zhí)行任務(wù)時受到的約束和操作模式。

完整顯示內(nèi)部骨架的EMU 3D模型

完整顯示內(nèi)部骨架的MarkⅢ航天服模型

3 應(yīng)用及用途

這些人-服模型應(yīng)用廣泛，其在可達(dá)域、活動性和適體性方面的應(yīng)用分析充分體現(xiàn)了實用性，通過這些模型可以了解航天服結(jié)構(gòu)調(diào)整對著服乘員移動能力的潛在影響，進(jìn)而改善航天服的設(shè)計。同時，因為航天員在執(zhí)行艙外活動期間需要與空間站進(jìn)行緊密聯(lián)系，這還將對空間站的設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。

可達(dá)域方面

由于艙外航天服一般采用很多剛性材料制造，以提供足夠的保護(hù)，航天員著服后對人體的操作能力不可避免地產(chǎn)生一些限制。著服時航天員雙手可達(dá)到和可操作范圍與不著服時并不相同。所以，航天服的工作域是航天服工效學(xué)研究的重點。工作域包含可達(dá)域和可操作域。其中，可達(dá)域一般指著服人員通過所有可能的運動范圍移動伸展四肢時運動軌跡的包絡(luò)，可以左右航天服活動范圍的一種度量方式，也是衡量航天服在肩部和髖部移動能力的有效方法。

例如：肩部可達(dá)域可以被認(rèn)為是一個圍繞肩關(guān)節(jié)中心球體的一部分，其半徑延伸到感興趣的末端執(zhí)行器（如：肘部、手腕或手）。航天服模型的個別關(guān)節(jié)可以被鎖定，這樣它們就不會發(fā)生移動，并且可以增加運動限制的范圍來模擬現(xiàn)實的人體極限。

活動性方面

航天員要有效地完成各種艙外活動，這要求航天服必須要有很好的活動性，那就必須考慮航天服的工效學(xué)。航天服工效學(xué)的一個基本內(nèi)容是:解決航天服的姿態(tài)和活動性，計算各個關(guān)節(jié)活動時需要的力，從而減少航天員疲勞。航天服關(guān)節(jié)應(yīng)活動靈活，其動力學(xué)性能應(yīng)符合人體動力學(xué)要求。

在面向未來的行星任務(wù)時，航天服活動性顯得格外重要。行星航天服的重要功能包括行走、在地面上下移動，以及彎腰撿取物件等。這些活動都可以通過模型動畫演示出不同的航天服構(gòu)造在執(zhí)行任務(wù)時的運動學(xué)變化。

例如，對于專為行星操作設(shè)計的EVA航天服來說，髖部的靈活性很重要。航天服要適應(yīng)人類髖部復(fù)雜的活動范圍尤其困難。從“阿波羅”（Apollo）任務(wù)中航天員在月球上行走的錄像，可以明顯看出，航天服軟質(zhì)材料的硬度嚴(yán)重限制了髖部的彎曲和外展。先前研究受試者的動作捕捉，包括操控貨物、彎腰調(diào)整航天靴、跪下、坐下、俯臥-恢復(fù)站立、側(cè)步、爬梯子等活動，都被結(jié)合起來，并在不著服與著服條件之間進(jìn)行了比較，因為這些可能會對未來的行星任務(wù)的受傷風(fēng)險產(chǎn)生影響。

適體性方面

航天服無論在地面訓(xùn)練使用，還是在太空使用，航天服外殼形態(tài)均應(yīng)與人體體表形態(tài)和幾何尺寸相一致，并且人與服裝內(nèi)表面具有預(yù)定的間隙（空氣層，過大過小會影響人體活動性能）、外殼的活動關(guān)節(jié)應(yīng)與人體關(guān)節(jié)相適應(yīng)。虛擬適體性評估是對航天服設(shè)計的適體性和績效的預(yù)測評估。評估可以在構(gòu)建實際航天服或物理模型之前執(zhí)行，從而大大減少迭代設(shè)計修改的時間和成本。人-服交互模型將能夠在每個關(guān)鍵維度上為特定的個體提供航天服適體性信息，開發(fā)容許相互作用力作為位置函數(shù)的準(zhǔn)則。

例如，在HUT適體性評估中,可以開展航天服軀干內(nèi)的皮膚承壓能力和服裝整體適體性對EVA績效的影響研究，這些研究結(jié)果將應(yīng)用于提高人和航天服模型之間的相互作用。此外，通過統(tǒng)計建模的方法來提高軟質(zhì)材料的逼真度，可以更好地體現(xiàn)不同運動范圍內(nèi)航天服手臂和腿部的形狀變化。

除了航天服適體性預(yù)測之外，人-服交互模型還可以用于系列尺碼分析，對特定的航天服設(shè)計中不同的身型表現(xiàn)進(jìn)行全面評估，并可以通過對設(shè)計參數(shù)的調(diào)整來研究其對群體模型的影響，進(jìn)而通過開發(fā)優(yōu)化的硬件解決方案來改善航天服設(shè)計，提高人體績效和人體測量適應(yīng)能力。針對人體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心優(yōu)化軸承類型、尺寸、方向和位置可以降低受傷風(fēng)險，增加舒適度，并提高航天員的作業(yè)績效。

4 小結(jié)

準(zhǔn)確有效的人-服交互模型可以減少為了獲得可接受的航天服適體性而必須反復(fù)進(jìn)行的適體性檢查。近年來，人-服交互模型的研究重點是將參數(shù)化的人體模型與現(xiàn)有的航天服計算機(jī)輔助設(shè)計模型相結(jié)合，通過增加仿真度，改進(jìn)先前基于線性人體測量學(xué)的人體建模。人與航天服之間的干擾探測映射也正在研究發(fā)展中，這將進(jìn)一步加強(qiáng)人們對航天服適體性的認(rèn)識。

隨著特定的航天服構(gòu)造或設(shè)計中不同的身型范圍的擴(kuò)展，可以得出更多的信息，并進(jìn)行可達(dá)域等方面的評估。人-服建模是一項復(fù)雜的工作，并將隨著未來更先進(jìn)的模型和技術(shù)的進(jìn)步而不斷改進(jìn)。