空間站衛(wèi)生間人機仿真評估與實踐

姚湘，劉俊，毛建赟，胡鴻雁，江奧，周家慷

空間站衛(wèi)生間人機仿真評估與實踐

姚湘，劉俊，毛建赟，胡鴻雁，江奧，周家慷

（湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105）

對空間站衛(wèi)生間的人機關系進行分析，評價其人機工效，為空間站衛(wèi)生間人機工程評價、設計優(yōu)化提供理論方法和技術支持。以DELMIA軟件為分析工具，在對空間站衛(wèi)生間環(huán)境建模后，導入航天飛行乘員人體尺寸模型，構建人機仿真虛擬場景。將空間站衛(wèi)生間如廁過程分解，調整人體模型的如廁姿態(tài)及舒適角度范圍，對空間站衛(wèi)生間可達可視域進行判別，開展空間站衛(wèi)生間如廁姿態(tài)舒適性仿真分析與評價。仿真結果顯示虛擬航天成員如廁各階段姿態(tài)可達性、可視性、舒適性均滿足人機工程學需求。該空間站衛(wèi)生間能為航天乘員提供一個舒適的如廁環(huán)境，其總體結構與布局符合人機工程學設計原則。

空間站衛(wèi)生間；人因工程；仿真技術；適人性評價

空間站衛(wèi)生間是載人航天系統(tǒng)中能夠控制和保障航天員所處的環(huán)境與生命的一個重要組成區(qū)域，是滿足航天乘員生理需要必備的物質和安全保障條件，其空間布置及硬件設計直接關系到乘員生活的質量高低，重要性不言而喻[1]。在過往對航天器廢物收集裝置的設計中，通常需要經歷產品設計–投產–試驗–改進設計–投產–再試驗等階段，這個改進過程大多憑借經驗進行，然而人的經驗和直覺會受到諸多因素的影響，可能導致改進后的產品仍無法滿足人機工程學設計原則。

基于仿真技術的航天器人–系統(tǒng)整合測評技術與平臺一直是國內外航天界關注的重點領域。NASA Ames研究中心于80年代中期開始，開發(fā)的人機整合設計與分析系統(tǒng)MIDAS，能夠實現(xiàn)行為績效模擬、作業(yè)負荷分析、可視域、可達域分析等功能，對方案階段的人–系統(tǒng)整合分析與測評起到重要支撐作用[2]。而我國航天員中心人因工程重點實驗室也根據(jù)載人航天工程重大需求，借助973項目研制了我國首個擁有自主知識產權的航天員建模與仿真系統(tǒng)AMSS，初步實現(xiàn)了對骨骼肌肉生物力學、認知績效和工作負荷等建模仿真[3]。同時仿真技術也應用于不同領域的人因工程評價，如張帥等[4]以虛擬仿真技術為基礎，系統(tǒng)分析了載人潛水器艙室空間環(huán)境特征，對潛航員空間舒適性分析與分析方法進行了討論。張樂等[5]用人機工程學理論對元胡收獲機駕駛室主要元件進行設計，并以CATIA軟件平臺為基礎，從操作舒適性、可達性、可視性等角度對整個駕駛系統(tǒng)進行仿真分析與評價。

本文旨在通過仿真技術對空間站衛(wèi)生間的人機關系進行研究，并通過實物驗證仿真結果的可靠性，將有助于空間站衛(wèi)生間人機工程評價體系的建立和應用，對空間站衛(wèi)生間人機工程評價、設計優(yōu)化等提供理論方法和技術支持。

1 空間站衛(wèi)生間人機仿真流程分析

1.1 空間站衛(wèi)生間使用流程

由于太空中特殊的失重環(huán)境，衛(wèi)生間的操作方法也與地面上有著較大的差異，使用環(huán)境的不同直接影響到航天乘員操作的舒適性[6-8]。通過對NASA航空航天局公開技術視頻、文件和ESA發(fā)布《Astronaut Biographies Home Page》的內容進行分析[9]，其所能夠使用的主要組件有：大小便收集裝置、大小便收集控制系統(tǒng)、負壓密封設備等?？臻g站衛(wèi)生間使用流程，見圖1。

在使用尿液收集器時，航天員首先取出漏斗型的尿液收集器，然后將尿液收集器與尿液收集軟管相互連接，利用腳步限位器將雙腳進行固定，在固定后宇航員將身體重心下移，用手開啟大小便收集控制器按鈕，在吸力的作用下將尿液收集，在收集完畢后關閉控制器開關，使用專業(yè)的紙巾對尿液收集器進行擦拭，如圖1橙色線所示。

在使用糞便收集控制系統(tǒng)時，航天員準備好糞便袋、紙巾、密封袋等物品，利用地板上的限位器將雙腳進行固定，在掀開馬桶蓋，將糞便袋放置在坐便器中進行固定后，坐在馬桶上操作大小便收集控制設備，開始排泄，隨后排泄物被收集到糞便袋中，解開限位器，對個人衛(wèi)生進行整理后，解除桶蓋的固定作用，將相關的衛(wèi)生用品投擲到糞便袋中，拿出密封袋，將其進行密封處理，封裝后放入廢品收集袋，并對馬桶進行清理，如圖1青色線所示。

在使用垃圾封裝系統(tǒng)的過程中，航天員通過控制器將大小便收集系統(tǒng)中的風機打開，用以提供吸力作用，便開始負壓封裝，最后通過控制器的操作實現(xiàn)垃圾的封裝，如圖1藍色線所示。

負壓封裝系統(tǒng)的程序包括：航天乘員將密封袋與負壓封裝組件氣路連接口耦合，隨后推動手柄后，將密封袋分別放置到封裝的相應區(qū)域，下壓進行密封袋的封裝工作。在負壓封裝的過程中需要完成密封、抽氣才可以完成負壓封裝。在完成系列工作內容后，最后將負壓封裝氣路接口與密封袋斷開，抬起手柄，將密封袋放置在回收處理區(qū)域，如圖1紫色線所示。

1.2 空間站衛(wèi)生間人機仿真應用流程

通過使用DELMIA軟件中的人機工程學設計與分析模塊進行仿真分析，建立身體尺寸數(shù)據(jù)和身體坐姿數(shù)據(jù)，對作業(yè)姿態(tài)進行人機仿真實驗。結合人體的活動角度和相關部位的活動自由度設計相關實驗內容，從而驗證完成動作的人機仿真數(shù)據(jù)。

人體模型庫源自人體尺寸數(shù)據(jù)建模，人體模型結合人體的尺寸特定和力學特征能夠進行人體的運動特性的數(shù)據(jù)體現(xiàn)。使用者可以結合實驗的需求對人體外觀尺寸進行修改，從而獲取各類型人群的仿真模型。姿態(tài)分析主要是在不同的姿態(tài)環(huán)境下對人體作業(yè)情況進行分析，了解姿態(tài)的舒適性、可視性、可達性等，并且姿態(tài)會隨著人體的作業(yè)情況更新?？臻g站衛(wèi)生間人機仿真應用流程見圖2。

圖1 空間站衛(wèi)生間如廁使用流程

圖2 空間站衛(wèi)生間人機仿真流程

2 空間站衛(wèi)生間人機仿真場景構建

2.1 航天飛行乘員人體建模

根據(jù)空間站衛(wèi)生間人機仿真需要，按照GJB 4856–2003《中國男性飛行員人體尺寸標準》[10]，構建虛擬航天飛行乘員人體模型。為使仿真結果適用于大部分航天乘員，在使用人體測量數(shù)據(jù)時，不僅需要考慮航天飛行乘員的身高與空間大小的關系，還需要考慮負壓封裝與控制器等的位置能否適應不同身材者的使用，屬于平均尺寸設計[11]。因此，本文仿真實踐主要采用第50百分位數(shù)值作為建模依據(jù)，輔以第5和第95百分位數(shù)值作為參考。在DELMIA軟件設置可更改的人體參數(shù)選項，構建符合中國人體結構尺寸特征的男性航天乘員數(shù)字人體模型，具體參數(shù)見表1。

表1 航天飛行乘員人體建模參數(shù)

Tab.1 Human modeling parameters of space flight crew

2.2 空間站衛(wèi)生間環(huán)境建模

本文以某科研階段空間站衛(wèi)生區(qū)產品工業(yè)設計課題為基礎，構建基于DELMIA的空間站衛(wèi)生間仿真場景，能夠高度地滿足真實性、交互性等基本要求。空間站衛(wèi)生間場景主要由大小便收集器、控制器、限位器及扶手模型和框架環(huán)境模型等組成，為減少計算機不必要的內存占用，提高仿真效率，對空間站衛(wèi)生間仿真場景進行了輕量化處理，僅保留了仿真流程需要的部件，見圖3。

圖3 空間站衛(wèi)生間仿真場景

2.3 空間站衛(wèi)生間使用流程動作模組設計

根據(jù)空間站衛(wèi)生間使用流程圖對航天乘員如廁過程進行劃分，理解各階段進行操作的具體要求，將空間站衛(wèi)生間如廁過程分解為a站姿、b坐姿、c手按“開始”、d起身左手輔助、e起身右手輔助、f負壓封裝操作、g手按“關閉”等階段，對7個主要姿態(tài)進行人機仿真分析，見圖4。

圖4 如廁階段姿態(tài)分解

3 人機仿真結果

3.1 空間站衛(wèi)生間可達域判別

基于人機工程可達域空間分析的主要內容是航天乘員在如廁過程中，所需操作的儀器設備是否均在航天員可達域范圍內，可達空間能否為使用者創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境等。在分析過程中一般以中指指尖為最大可達域的分析基準，從而得到操作空間的最大范圍值。

在人體行為模塊當中，運用計算功能結合航天員在使用流程中的姿態(tài)順序，對伸手的活動范圍進行仿真模擬分析，通過選定合理的分析對象和相關尺寸參數(shù)設定，從而獲得藍色的可達區(qū)域，該區(qū)域也就是手臂作業(yè)所能夠觸及的區(qū)域，見圖5。如圖5a—5g所示，為航天乘員在如廁過程中7個主要姿態(tài)的左、右手空間可觸及范圍。

圖5 空間站衛(wèi)生間可達性分析

通過使用DELMIA軟件Human Activity Analysis（人體活動分析）模塊中的Clash（檢查碰撞）工具，對航天乘員模型的可達域與空間站衛(wèi)生間內的主要操作儀器進行碰撞分析，可以精準判斷相關儀器設備是否處于可達包膜之內。根據(jù)以上對航天乘員手的仿真分析可知，空間站衛(wèi)生間中大小便收集控制器和負封壓組件均在橢球型包絡區(qū)域內，即該空間站衛(wèi)生間人機尺寸設計滿足航天乘員的空間可達域需求。

3.2 空間站衛(wèi)生間可視域判別

可視性仿真模擬主要是航天員在使用衛(wèi)生間的過程中，對相關設備信息的獲取及設備操作使用的舒適性和順利性，通過人體模型進行可視性的分析，從而獲得在正常作業(yè)環(huán)境下的視野范圍和最佳舒適性視野范圍。在衛(wèi)生間廢物收集系統(tǒng)工作時，航天乘員需觀測負封壓的運行狀態(tài)。因此，對航天乘員進行視野模擬是一項很有必要的工作。

結合需求將頸部關節(jié)進行角度調整，使虛擬航天成員視野范圍內能夠觀察到整個空間站衛(wèi)生間范圍。利用DELMIA軟件中的Vision工具對動態(tài)視野進行分析，結合人體視區(qū)對虛擬人可視錐進行區(qū)域劃分，越靠近中心的區(qū)域可視性越好[12]。然后點擊Vision工具，定義屬性中的視野類型為Binocular，可得到航天乘員在空間站衛(wèi)生間使用過程中各個階段的可視范圍，可視性分析見圖6。

圖6 操作可視性分析

通過以上對航天乘員的視野仿真分析，在該使用姿態(tài)下，其能夠比較清晰地觀測到負封壓組件和控制器的工作狀態(tài)。因此，該空間站衛(wèi)生間的視野模擬符合駕駛員的航天乘員使用需求，即滿足人機工程學設計要求。

3.3 航天飛行乘員人體姿態(tài)分析

人體姿態(tài)分析，可以對人的整體或局部姿態(tài)進行檢查、評分和優(yōu)化，從而確定使用者在作業(yè)過程中的人機交互最佳使用情況，并對其工效進行評定。

進入姿態(tài)分析模塊，利用其中的工具菜單欄的功能，依據(jù)機械設計手冊，對人體重要關節(jié)部位的最佳角度和最大范圍角度的數(shù)值進行設置。工業(yè)設計與人機工程和DELMIA仿真軟件允許用戶創(chuàng)建并保存自定義的舒適度與人體主要活動范圍，得出的主要調節(jié)范圍見表2[13-15]。以肩關節(jié)為例，白色的桿狀代表人體模型，桿件交接的部分則虛擬成人的關節(jié)部位，桿件交接會形成不同的角度與范圍，從而有了不同方向的自由度。對各個關節(jié)不同方向的自由度區(qū)域進行劃分，從而將關節(jié)的最佳舒適度進行評分。在關節(jié)舒適性活動區(qū)域，越是在中心位置則表明得分越高，舒適性便越好，越是遠離中心位置，則表示舒適性越差，得分也就越低。將關節(jié)不同方向的自由度分為5個不同的區(qū)域，綠色表示舒適區(qū)域，黃色表示可操作區(qū)域，紅色表示極限區(qū)域[16]。

以肩關節(jié)為例，由表2可知肩關節(jié)前擺、后擺的最大角度為+110～ –25°，舒適調節(jié)范圍為+20～ +60。因此，定義可達極限區(qū)域為0°～ –25°、+100°～ +110°（40分），可作業(yè)區(qū)域為0°～ +20°、+60°～ +110°（60分），舒適區(qū)域為+20～ +60（80分），同理設定肩關節(jié)其他自由度的調節(jié)范圍。運用DELMIA的人體姿態(tài)評估模塊，可使用圖表形式比較直觀地輸出所有自由度評價結果。

表2 人肢體活動范圍和舒適姿態(tài)的調節(jié)范圍

Tab.2 Range of human limb movement and adjustment range of comfortable posture

根據(jù)對人體各結構所有自由度的綜合評估計算，由DELMIA軟件可得出針對7組使用流程下姿態(tài)的各部位舒適度分值結果，見圖7。

圖7 不同百分位人體舒適度評價數(shù)值

通過分析以上的人體模型姿態(tài)舒適度分值，可知第5、第50、第95百分位的人體模型，在空間站衛(wèi)生間如廁各階段的姿態(tài)舒適度總分均超過60分，見圖7。姿態(tài)舒適度仿真結果表明，虛擬航天乘員的大部分關節(jié)在如廁過程中處于可作業(yè)區(qū)域與舒適區(qū)域之間。因此，該空間站衛(wèi)生間能為航天乘員提供一個舒適的如廁環(huán)境，其結構布局基本符合人機工程學設計原則。

4 實物驗證與后續(xù)優(yōu)化分析

4.1 實物驗證

為驗證仿真實驗數(shù)據(jù)的可靠性，根據(jù)基本原理可劃分、技術成熟度、材料性能應用、分析模型產品特征和制作成本等綜合分析，采用激光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技術和熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）進行此空間站衛(wèi)生間部分產品的1∶1比例模型制作[17]，并選取與實驗中5、50、95百分位虛擬航天乘員身體尺寸數(shù)據(jù)相近的三名實驗人員進行局部驗證實驗，具體身體尺寸數(shù)據(jù)見表3。

表3 實驗人員身體尺寸數(shù)據(jù)

Tab.3 Testee's body size data

根據(jù)圖7的數(shù)據(jù)結果，選取部分姿態(tài)進行驗證實驗，結果表明實驗人員在各姿態(tài)下可視性、可達性、姿態(tài)舒適性均較好，無明顯不適，符合該姿態(tài)下的人機仿真結果，見圖8。

4.2 后續(xù)優(yōu)化分析

本文運用DELMIA軟件，依據(jù)GJB 4856—2003中國男性飛行員人體尺寸，建立了航天飛行乘員人體尺寸模型，以虛擬人體模型的關節(jié)自由度及動作活動角度設計仿真實驗。將空間站衛(wèi)生間如廁過程分解成7個主要姿勢，分析身體姿勢并對姿勢進行評估，同時判別空間站衛(wèi)生間可達域及可視域，對空間站衛(wèi)生間使用過程舒適性進行分析?？梢缘弥梭w在空間站衛(wèi)生間中不同姿態(tài)的調整導致人體舒適度分值的改變。通過對人體模型同一部位舒適度的分析，可知此空間站衛(wèi)生間結構布局雖然基本滿足了人機工程學要求，但依然存在需要不斷改進舒適度的設計點。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)結果分析，在虛擬航天飛行乘員各部位中，手部的舒適度數(shù)值浮動變化較大，見圖9。

圖8 模型驗證實驗

圖9 手部各姿態(tài)舒適值

以上數(shù)據(jù)表明，在虛擬航天飛行乘員處于姿態(tài)c（手按“開始”）、e（起身右手輔助）和g（手按“關閉”）時，左手和右手的舒適度變化較為明顯，且舒適度分值低于60分，說明在該姿態(tài)下手部舒適度較低。因此，在今后空間站衛(wèi)生間易用性的設計中，應針對舒適度較低的部位和特定的姿態(tài)進行優(yōu)化設計，以便提升航天飛行乘員的整體舒適性和操作的協(xié)調性。

5 結語

本文運用DELMIA軟件對空間站衛(wèi)生間的使用流程進行了仿真分析與評價，將建立的航天飛行乘員人體尺寸模型導入空間站衛(wèi)生間三維模型中，構建了人機仿真虛擬場景。通過對空間站衛(wèi)生間使用流程姿態(tài)分解，調整了人體模型的如廁姿態(tài)及舒適角度范圍，對如廁各階段可達性、可視性和姿態(tài)肢體舒適性進行了仿真分析評價，結果表明在航天員如廁的各階段可達性、可視性與舒適性均符合人機工程學要求。最后通過對該空間站衛(wèi)生間的實物驗證分析，證明使用仿真技術評價該空間站衛(wèi)生間的人機關系是可行的。

隨著神舟十二號載人飛船與天和核心艙成功對接，該衛(wèi)生區(qū)系統(tǒng)也亮相太空，為航天員的長期駐留提供了良好的如廁環(huán)境。由于空間環(huán)境的特殊性，在今后對航天產品的設計中，可針對中大型或與航天飛行乘員相關的裝置提前進行仿真分析，以達到減少試產次數(shù)、縮短設計周期、提高產品工效的良好效果，為航天乘員提供一個更舒適、安全的空間站環(huán)境。

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Evaluation and Practice of Human-machine Simulation in Space Station Toilet

YAO Xiang, LIU Jun, MAO Jian-yun, HU Hong-yan, JIANG Ao, ZHOU Jia-kang

(School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Hunan Xiangtan 411105, China)

The work aims to analyze the human-machine relationship in the space station toilet, and evaluate its ergonomics, to provide theoretical methods and technical support for the ergonomics evaluation and design optimization of space station toilet. DELMIA software was used as the analysis tool to import the human body size model of the space flight crew after the modeling of the toilet environment in the space station to construct a human-machine simulation virtual scene. The toileting process in the space station toilet was decomposed, the toileting posture and comfort angle range of the human model were adjusted and the reachable visual field in the space station toilet was determined to carry out the simulation analysis and evaluation on the comfort of toileting posture in the space station toilet. According to the simulation results, the virtual toileting posture of space flight crew met the ergonomic requirements at all stages in terms of accessibility, visibility and comfort. The space station toilet can provide a comfortable toileting environment for the space flight crew and its overall structure and layout are in line with the ergonomic design principles.

space station toilet; ergonomics; simulation technology; human-rating

TB472

A

1001-3563(2023)04-0165-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.020

2022–09–11

國家社科基金藝術學一般項目（20BG115）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目（19B568）；湖南省科技創(chuàng)新計劃資助（2020RC1009）；空間站**產品工業(yè)設計（航天員科研訓練中心）。

姚湘（1982—），男，博士，教授，主要研究方向為人因工程與設計。

責任編輯：陳作