低溫加壓條件下 EVA手套的力量分析

劉何慶 丁 立 袁修干 李 晶

(北京航空航天大學 生物與醫學工程學院,北京 100191)

低溫加壓條件下 EVA手套的力量分析

劉何慶 丁 立 袁修干 李 晶

(北京航空航天大學 生物與醫學工程學院,北京 100191)

為了研究航天員艙外活動時的手套壓力和太空低溫復合效應對操作力量的影響,選取最大握力和握力疲勞兩個指標評價手動作業力量,其中握力疲勞采用做功能力評價.操作力量抓握試驗所需的不同溫度和壓力是通過在低溫模擬艙中利用液氮降溫以及真空泵抽氣實現.結果表明:戴手套對最大握力和握力疲勞的影響都非常顯著;與常溫常壓戴手套相比,壓力(29.6kPa,39.2kPa)單獨作用對最大握力的影響顯著,低溫單獨作用對最大握力的影響并不顯著,而二者對握力疲勞的影響都非常顯著;在加壓和低溫復合作用下,最大握力和握力疲勞會進一步受到顯著影響.可見手套壓力和太空低溫復合效應嚴重降低了航天員手部力量的發揮,航天員艙外作業人-手套系統的研究需考慮復合因素的影響.

艙外活動;手套;低溫;壓力;力量

航天員在艙外活動(EVA,Extravehicular Activity)時的作業是在大腦調節控制之下,通過上肢、手部關節與肌肉產生的力量和手各部分協調動作而實現的,操作能力取決于這二者整合之力[1].但在實際操作過程中,受到手套結構、手套壓力、環境低溫等多種因素的作用,并產生各類復合效應,嚴重干擾或降低操作效率[2].文獻上已有大量相關報道,但僅限于單一因素(手套結構、手套壓力、溫度和手柄等)對力量等影響的研究[3-5].基于航天員在艙外作業是在多種環境因素同時存在的條件下進行的,而目前又欠缺對較為重要的手套加壓和低溫雙因素復合效應的研究,特開展本課題的研究.結合天上的實際情況,并采用能夠反映該雙因素復合效應的最佳反應指標(最大握力和疲勞),通過這 2個指標的改變,闡明航天員戴加壓手套在低溫環境的力量和操作效率的改變.本文結果可為航天員艙外作業人-手套系統力量的研究、評價和方案的制定提供新的科學依據.

1 試驗方案設計

1.1 試驗人員

本試驗的受試者選定為 10名在校的大學生志愿者,男性,年齡為 23～26歲,均為右利手.

1.2 試驗內容

1)力量.根據手的用力方式,手動作業中出現的手部力量主要可分為:握力、捏力和擰力.根據手動作業的工效評價體系最佳指標[6],本文選取握力來進行試驗.

2)疲勞.疲勞是肌肉活動過度,力量減弱在大腦產生的反應.疲勞與作業力量和時間直接相關,即與輸出功有關.同樣根據手動作業的工效評價體系最佳指標,本文選取握力疲勞進行試驗.

1.3 試驗組設計

本試驗是基于壓力和低溫復合因素下對艙外航天手套的力量進行研究,試驗組設計如表 1所示.

表 1 試驗組設計

1.4 試驗設備

試驗設備分為握力采集系統、溫度采集系統、制冷系統以及加壓系統 4個部分.

握力采集系統包括握力器、感知動態握力儀和基于 MCGS(Monitor and Control Generated System)軟件平臺開發的握力采集工程模塊,其功能為采集、實時顯示并記錄握力值.測試精度為0.1kg.

溫度采集系統包括溫度傳感器(鉑電阻 PT-100),巡檢儀(昌暉)和基于組態王軟件平臺開發的溫度數據采集模塊,其功能為采集、實時監測并記錄各測溫點的溫度值.測試精度為 0.1℃.

制冷系統包括杜瓦瓶、恒溫罐和低溫艙,其功能為實現抓握桿或低溫艙的不同低溫條件.抓握桿控制精度為 3℃,試驗艙控制精度為 1℃.

加壓系統包括真空泵和壓阻真空計,其功能為通過真空泵抽取低溫艙內空氣來實現手套內外壓差.系統的壓力控制精度為 1 kPa.

1.5 試驗方法

1)握力.受試者以最大力抓握握力器 3次,中間間隔 1min,取平均值作為受試者的最大握力Fmax.接下來進行握力疲勞試驗.

2)握力疲勞.采用無因次疲勞測試方法,受試者以 5次/30s頻率握緊和放松握力器進行 30s的動態試驗,每次握緊時采用最大握力抓握.然后始終用力握緊握力器,維持其最大握力 Fmax的20%持續 10 s.重復試驗,直至在動態抓握時,5次握力值有 2次或者 2次以上小于最大握力 Fmax的50%時,或當溫度監測任意指尖溫度小于 8℃時,停止試驗.

每組試驗工況之間受試者要休息 3 d,以使疲勞的肌肉得到恢復.

2 試驗結果與分析

2.1 最大握力

對最大握力的處理是將每種情況下 10名受試者的最大力 Fmax求均值加以比較.計算發現,與裸手相比戴手套后最大握力下降非常明顯(顯著性 p＜0.01),平均下降 37%(見圖 1),這與文獻[3]的 35%以及文獻[7]的 39%的結論基本一致.以下是戴手套后不同試驗組之間最大握力的比較.

2.1.1 壓力對最大握力的影響

由圖 1可知與常溫常壓戴手套相比常溫加壓戴手套對最大握力有一定的影響,其中 22.1 kPa的壓力對最大握力下降影響不明顯(p＞0.05);29.6 kPa和 39.2 kPa對最大握力下降影響顯著(p＜0.05),平均下降 11.4%,與裸手相比平均下降 43%,與文獻[3]的 47%基本一致.但幾個壓力水平之間最大握力差異并不顯著(p＞0.05).握力下降主要是由于手套受到壓力作用時,會處于膨脹狀態,握力彎曲時就會使手套褶皺處產生與作業方向相反的阻力,影響手動作業力量.但又由于最大握力的時間很短,因此,不同壓力水平之間的差異并不顯著,這與文獻[4]的研究結果是一致的.

圖1 裸手及戴手套常溫的最大握力比較

2.1.2 低溫對最大握力的影響

由圖 2可知,與常溫常壓戴手套相比常壓戴手套抓握低溫物體會導致最大握力有所下降但減小幅度不大,低溫對最大握力影響不顯著(p＞0.05).這是由于最大握力是在短時間內抓握測得的,盡管抓握桿的溫度很低,但溫度的影響有限.因此 -50℃,-90℃,-110℃,-130℃幾個溫度水平之間握力差異也不顯著(p＞0.05),而目前國外還未見相關研究.

圖2 戴手套常壓抓握低溫物體最大握力比較

2.1.3 壓力和低溫復合因素對最大握力的影響

在戴手套加壓和低溫復合因素的作用下(見圖 3),與常溫常壓戴手套相比加壓低溫戴手套時最大握力下降較大,平均下降 20.4%,影響水平非常顯著(p＜0.01),但幾個加壓低溫復合因素之間最大握力差異并不顯著(p＞0.05).在低溫環境抓握低溫物體時,最大握力下降也很明顯,這種試驗環境最接近出艙作業的實際情況,但目前還未見相關報道.

2.2 握力疲勞

2.2.1 握力疲勞數據處理方法比較

圖3 復合因素下的最大握力比較

鑒于目前對艙外航天服手套握力疲勞的認定仍沒有一個有效的評價標準,本文在已有研究基礎上對疲勞的處理方法進行了進一步的探索與改進[6],采用抓握過程中所做的功對疲勞進行數據處理研究.

試驗中握力采集系統的實時采集頻率為5次/s,與握力變化相比,可認為握力器在采集時間內受到的力恒定,因此應變片發生的應變 s也恒定.

式中,e為握力器中應變片的應變率,N/m;sn為在第 n個 0.2 s內應變片的應變量,m;Fn為握力采集系統采集到的第 n個握力值,N.那么握力在每個采集時間內做的功為

式中,Wn為在第 n個 0.2 s內所做的功,N·m.

從而

由式(3)可知,做功量與握力器中應變片的 e以及握力采集系統采集到的握力值有關.為消除應變片的 e的影響,本文以常溫常壓戴手套為參照對各試驗組數據進行了歸一化處理,這樣做功相對值只與握力值有關.

圖4所示是對疲勞處理方法的一個對比,可以看到采用握力曲線與橫坐標圍成的面積即沖量來評價疲勞與主觀的感受差異較大,而采用做功來評價疲勞與主觀的感受一致性較好,力的物理概念也更合理.主觀疲勞感受值的計算方法參見文獻[6].

通過計算做功發現,戴手套對疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),與裸手相比平均下降 37%,略低于文獻[3]的 46%.這是由于戴手套使握力值顯著下降,進而導致做功能力下降.以下是戴手套后不同試驗組之間握力疲勞的比較.

2.2.2 壓力對握力疲勞的影響

圖4 處理方法的比較

由圖 5可知與常溫常壓戴手套相比常溫加壓戴手套對疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),平均下降 31.8%,與裸手相比平均下降 57%,與文獻[3]的 59%一致.但 22.1 kPa,29.6 kPa和39.2 kPa幾個壓力水平之間的差異并不顯著(p＞0.05).這主要是因為手套存在的壓力引起的反作用力持續對握力的影響,減少了手部疲勞的耐受時間,從而導致做功能力下降,但不同壓力之間導致的反作用力差異不大.

圖5 戴手套常溫的做功比較

2.2.3 低溫對握力疲勞的影響

由圖 6可知與常溫常壓戴手套相比常壓戴手套抓握低溫物體對疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),平均下降 46.8%,但 -50℃,-90℃,-110℃,-130℃幾個溫度水平之間的差異并不顯著(p＞0.05),與主觀的感受一致性較好.這是由于抓握的低溫物體溫度很低,導致手部因為冷而引起抓握循環次數明顯減少,從而導致做功的顯著下降.

圖6 戴手套常壓抓握低溫物體的做功比較

2.2.4 壓力和低溫復合因素對握力疲勞的影響

由圖 7可知在加壓低溫復合因素的作用下,手部的做功能力下降很大,平均下降 65.7%(p＜0.01).但幾個加壓低溫復合因素之間做功能力下降較為緩慢,并不顯著(p＞0.05).而對于更惡劣的環境和抓握物體都是低溫的情況,做功下降非常明顯(p＜0.01),僅僅環境溫度是 -50℃,做功能力就下降了 79%.對于更低的溫度,受試者都因手套冷而無法有效完成疲勞測試.這是因為環境也是低溫時,整個手套處于低溫環境中,使整個手都很冷,溫度耐受時間驟減,循環抓握次數顯著減少,從而導致做功的顯著下降.

圖7 復合因素下的做功比較

可以看到對比壓力和低溫作為單因素對握力疲勞的影響,在加壓低溫復合因素的作用下握力疲勞會非常顯著地進一步降低,但復合因素的影響又不是簡單的單因素疊加.

3 結 論

通過對復合因素(低溫、壓力)條件下艙外航天手套的最大握力和握力疲勞的系統研究,可得到以下結論:

1)同單因素作用相比,在壓力和低溫復合因素作用下,最大握力下降非常明顯.

2)戴手套、壓力和低溫作為單因素對握力疲勞的影響都非常顯著,在壓力和低溫的復合因素作用下,疲勞會非常顯著地進一步降低,并呈現隨溫度降低而降低的趨勢.

本文較真實地模擬了航天員艙外作業情況,并運用人-手套系統操作的理念開展了對復合因素的研究,類似研究未見相關報道,有實用價值.

致 謝賈司光老師對本課題的研究給予了很大的幫助,在此表示衷心的感謝.

References)

[1]賈司光.艙外航天服研制的學科基礎[M].北京:航天醫學工程研究所,2003:29-35 Jia Siguang.Discipline-based for the developmentof the extravehicular activity space suit[M].Beijing:Institute of Space Medico-Engineering,2003:29-35(in Chinese)

[2]丁立,楊鋒,楊春信,等.艙外航天服手套的工效問題[J].北京航空航天大學學報,2005,31(4):416-420 Ding Li,Yang Feng,Yang Chunxin,et al.Ergonomics implications of extravehicular activity spacesuit glove[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2005,31(4):416-420(in Chinese)

[3]O'Hara JM,Briganti M,Clel and J,et al.Extravehicular activities limitations study volumeⅡestablishment of physiological and performance criteria for EVA gloves-final report[R].NAS-9-17702,1988

[4]Ram R B,Lisa A B,Dishayne G,et al.Tactility asa function of grasp force:effects of glove,orientation,pressure,load,and handle[R].NASA-TP-3474,1994

[5]Melissa H W,David L A.The effects of extravehicular activity gloves on human hand performance Maryland:SAE[R].SAE-2001-01-2164,2001

[6]陳守平,丁立,楊鋒,等.基于艙外航天服手套基礎性工效評價的人體力學指標優選研究[J].航天醫學與醫學工程,2006,19(2):106-110 Chen Shouping,Ding Li,Yang Feng,et al.Study on index optimization of human-mechannics based on basic ergonomic evaluation of spacesuit gloves[J].Space Medicine＆Medical Engineering,2006,19(2):106-110(in Chinese)

[7]Pelton M.The effects of extravehicular activity gloves on human hand performance[D].College Park:Department of Aerospace Engineering,University of Maryland,College Park,2000

(編 輯 :張 嶸)

EVA glove strength under low temperature and pressure

Liu Heqing Ding Li Yuan Xiugan Li Jing

(School of Biological Science and Medical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In order to study the effects of combined stress of glove pressure and low temperature on astronaut operation strength during extravehicul aractivity(EVA),the maximum grip strength and grip fatigue were selected as two indicators to evaluate the strength of manual performance.Fatigue was evaluated by the work done in grip test.The low-temperature and pressured experimental conditions in the grip test were simulated in the low-temperature simulation cabin using the liquid nitrogen and the vacuum pump.The results indicate that wearing glove has very significant effect on the maximum grip strength and grip fatigue.Pressure(29.6 kPa,39.2 kPa)has significant influence on the maximum grip strength compared with wearing glove under normal temperature and pressure.Low temperature has nosignific ant influence on the maximum grip strength.However,pressure and low temperature have particularly significant influence on grip fatigue.Under the combined stress of both pressure and low temperature,the maximum grip strength and grip fatigue will be further influenced significantly.The combined stress of pressure and low temperature in space seriously reduces the strength of the astronauts.The effects of combined stresses should be considered in researches of the man-glove system during extravehicular operations.

extravehicular activity;glove;low temperature;pressure;strength

V 444.3+91

A

1001-5965(2010)11-1311-04

2009-10-20

劉何慶(1983-),男,河北保定人,碩士生,liuheqing-2000@163.com.