基于人體模型的航天器操作性仿真軟件分析與思考

葛哲學，楊擁民，羅 旭，吳福章

（國防科學技術大學裝備綜合保障技術重點實驗室，長沙410073）

1 引言

在載人航天活動中，航天員通常需要嚴格遵循各種操作規程，執行大量的操作任務，以成功實現載人航天器的發射降落、運行維護、科學實驗、艙內外活動及各種空間服務。然而，由于太空中的微重力環境對人的生理和行為動作產生了重要的影響，某些地面能輕而易舉地完成的操作在空間作業時則變得比較困難。如果載人航天器的設計和操作任務設計不適合航天員在微重力環境下的操作特性，如操作可達性和操作舒適度不良，可能導致航天任務的失敗或者重大的災難性事故。

因此，航天器設計的人機界面必須具有良好的可操作性，從而保證航天員能夠高效、可靠地完成規定的各項操作任務。當前，對航天器進行人機界面驗證和評價主要有三種技術途徑：圖紙的設計檢查、數字樣機仿真評價和實體樣機試驗?；跀底謽訖C和虛擬人的評價具有直觀、深入、效費比高等突出優點，且可以在設計過程中進行并行在線檢查，有利于盡早地發現人機界面的設計缺陷，因此得到了世界各國航天界的廣泛重視[1，2]，美國波音公司、NASA等均投入了大量的財力研制了高水平的仿真軟件，在航天器可操作性分析當中發揮極其重要的作用。而國內在這方面尚處于引進消化吸收階段，差距較大。因此，對國外先進的操作性仿真軟件進行分析，對于研制開發我國的同類產品具有重要的借鑒作用。

2 功能需求分析

基于虛擬人操作性學仿真分析的基本思路是構建虛擬航天員人體模型，并將其置于實際航天器數字樣機中模擬在軌操作，按照規定的姿態、強度和流程完成作業，分析人體的反應，評價航天器人機界面的操作性。評價一般從兩個角度展開：一是以人為中心，評估航天器與人交互設備界面通道的形狀、布局、操作特征以及環境照明、振動噪聲、熱度等是否合理。二是以航天器為中心，評估航天員的作業效能、能力極限，作業的安全性、舒適性、可達性等工效學問題[4]。

從需求角度分析，完整的航天器操作性分析仿真軟件應包括：

（1）虛擬人建模功能，能建立參數化、關節化、層次化人體模型，具備中國航天員外觀，能穿著艙內和艙外航天服，具有剛體運動學和動力學特性[3，4]。

（2）基本操作功能，支持機械零部件模型的可視化編輯，如放大、縮小、視角變換，以及機械零部件拆裝、運動、碰撞檢測等。

（3）人體姿態仿真功能，支持人體姿態的正向調整，在關節活動范圍內調整關節角度生成姿態，可外界輸入關節參數或者通過人體模型手動在線調整姿態。

（4）人體運動仿真功能，能實現人體的位置調整，模擬太空中的行走、失重飛行、漂浮等運動。

（5）可視性分析功能，能根據人體姿態生成可視錐，顯示兩眼的可視區域，并可對椎體參數進行調整。

（6）可達性分析功能，能提供正向和逆向可達性分析，正向分析可顯示人體手臂的可達幾何體；逆向分析可根據手形和位置生成人體姿態[6，7]。

（7）受力分析功能，支持空間操作任務分析當中常用的力和扭矩評價、脊柱受力分析、腰部受力分析和靜態受力分析等。

（8）作業舒適度分析功能，能根據失重環境下的生物力學—生理學模型，以及作業姿態、作業時間、受力大小等條件，進行關節舒適度評價、代謝能耗與恢復分析評價等。

（9）綜合分析評價功能，能根據建立的完整作業任務流程或者整個人機界面評價模型，采用層次分析法或綜合加權法進行綜合分析可以得到全局的評價結論。

（10）數據導入和保存功能，能導入航天器和操作工具的CAD模型、獲取航天員人體測量學參數并保存中間分析結果、導出分析結果。

3 國外的操作性分析軟件現狀

近年來，國外在進行航天器的操作性分析時，主要采用兩類軟件：一類是專門用于航天操作性仿真的軟件，如美國波音公司研制的BHMS軟件；另一類是利用地面重力的專業軟件進行輔助仿真分析，特別是可視性、可達性等幾何學特性的分析，后者比較多，典型的如賓西法尼亞大學開發的JACK軟件、美國加利福尼亞Rockwell International公司開發的BOFORD軟件、Johnson航天中心的圖像分析室（The Graphics Analysis Facility）開發研制的計算機圖像軟件包—儀表布局自動交互設計（PLAID）等，可以根據不同的應用背景而加以選用。以下對這些軟件的特點和功能進行簡要介紹。

（1）BHMS軟件

美國波音公司的設計開發了一套可以支持微重力環境下的人體運動建模仿真系統BHMS（Boeing Human Modeling System），通過建立虛擬的三維航天員模型，進行國際空間站出艙活動（EVA）以及艙內活動（IVA）仿真[5]。

BHMS在人體模型方面功能比較強大，人體模型共有四種：逼真型（0型），采用24體段的柔性人體脊柱模型，帶有動態鮮活的脊柱、頸部以及肩膀，包括了105個人體測量學參數；航天服/EVA（1型）。人體模型穿著NASA航天服，模型中設置了航天員的關機運動極限；棍棒連接（2型），模型中每個人體連接結構采用一條直線進行表示。這種類型主要用于不需進行碰撞檢測而僅僅重視顯示速度的場合；用戶自定義（3型），人體模型可以允許用戶提供定制的人體部分如戴頭盔的頭部或者特殊的服裝和鞋子等。這種表現方式包括了24體段的人體脊柱模型。

圖1 BHMS的四種人體模型

BHMS還發布了一系列工具，用于人體進行裝配和維修任務的仿真。圖2中展示了其部分工具庫。在使用工具庫時，用戶通過提供虛擬人使用工具的方位信息，可以計算得到工具的末端效應。對于某些特殊工具，例如變速手柄，具有附著點特征，這樣可以用于生成實時動畫。

BHMS支持兩種文件格式FlyThru（波音公司專用格式）和VRML 2.0格式。BHMS支持三種脊柱運動方式：手臂、手臂+肩膀、手臂+肩膀+脊柱，對應的自由度分別為7、9、57?？稍O置尾骨、頭部、左右手、左右膝蓋、左右腳等位運動錨點（MAPS），拖動滑動條可以改變各個連接關節的角度?；痉治龉δ馨ǎ阂曈X（視覺障礙）圖、距離分析、基于VPS（Voxel Point Shell）的碰撞檢測、自動人群特性分析、可達域適應性分析、可達域包絡、靜態空間包絡、基于VPS的掃掠域分析等。

圖2 BHMS的工具庫

采用BHMS進行國際空間站在軌裝配、維修和操作任務的評估，特別是進行艙外活動的仿真，可以得到合適的工作位置接口插座，這些插座用于安裝關節連接的可移動的腳限制器（APFR），利用定位于APFR的BHMS人體模型可以生成視覺障礙圖和可達區域圖，這樣保證具備足夠的視覺通道和合適的空間，可以完成部件和連接件的裝配，并可將插口的數量可以減到最小。圖3所示為其研究腳限制器不同安裝位置對航天員完成空間站組裝工作的影響。

（2）JACK 軟件

圖3 空間站安裝作業仿真示意圖

JACK 由 NASA/JSC、NASA/Ames、Lockheed 公司等單位資助，賓西法尼亞大學計算機與信息科學系開發，1992年投入商業使用。JACK收集了上萬人的人體測量數據，人體模型有135個自由度、69段、68個關節，脊柱有17段，手有16段。人體模型可顯示為骨架、線框、渲染、高清晰和透明的模型。JACK允許通過調整虛擬人的關節改變人的姿勢，也可以從30個預定義的姿勢庫中選擇[8，9]。

JACK主要用于多約束分析、人因分析、視場分析，如圖4所示?？蛇_性分析包括以下四個類型：上肢上的關節從肩膀開始運動、上肢上的關節從腰部的軸向旋轉開始運動、上肢上的關節從某個受約束的關節開始運動、上肢上的關節舒適的可達范圍。JACK在舒適度分析方面的功能比較強大，它包括了Porter、Krist、Grandjean、Rebife、Dreyfuss 2D、Dreyfuss 3D六種舒適性評價模型。其中最常用的是Dreyfuss 3D模型，覆蓋了涉及到舒適性的l6個關節，能進行全面的人體舒適性分析。

圖4 JACK用于數字人體操作評價

由于以上諸方面的優越性，JACK已經被許多飛機公司、汽車制造商和車輛機構所采用。在航天領域，NASA早期就用它進行二維航天員岀艙活動的計算機模擬，隨著Jack的三維仿真軟件的功能的完善和提高，NASA將動作捕獲工具與Jack仿真平臺相結合模擬航天員岀艙活動，取得了良好的應用效果。

（3）其它軟件

除了以上兩個典型的軟件之外，歐美航天技術發達國家還研制了其它的操作性分析軟件，均不同程度地在航天領域當中進行了應用，這方面的情況總結如表1所示。

表1 其它航天操作性分析軟件

3 若干思考

可以看出，美國和歐洲的航天器操作性分析軟件種類較多，每種軟件都有自身的鮮明特點，BHMS軟件的人體模型和工具庫較為完整，支持艙內艙外的航天員模型創建。而JACK軟件在空間幾何分析和人體受力分析方面的功能較為較大。要想徹底打破國外的技術封鎖，自主研發我國的航天器操作性分析軟件系統，應當要認清以下幾個基本問題：

（1）功能設計。功能必須緊密圍繞我國載人航天工程的整體戰略需求展開。未來空間站、載人登月等活動需要大量的在軌操作支持，特別是出艙活動將成為一種常態。因此，人體模型必須支持著艙外航天服及機動裝置。另外，從操作性分析的內容來看，由于多剛體動力學分析的難度較大，國外也并不成熟，建立人體的生物力學模型不切實際，應以可視性、可達性和等幾何特性的分析為主。

（2）體系結構的設計。這是研制軟件的關鍵問題。應從可行性、易用性、可擴展性等角度出發，通過接受各種樣機和模型文件的輸入，以將PDM（產品數據管理）作為軟件的基本數據接口，進行可視性、可達性等分析，輸出各種操作性分析的結果。體系結構重點在于科學合理的層次結構、數據庫環境、開發環境、功能界面、人機接口[10]。

（3）研制基本策略。大型軟件的研制主要有自主全新設計、選擇基本平臺二次開發和應用集成設計等幾種不同的策略。對于航天器操作性分析軟件來說，每種實現方式均有自己的優缺點，在可塑性和開發代價方面各有側重。應立足于操作性分析軟件的功能需求，重點考慮功能滿足性、效費比、時效性等因素，進行詳盡分析和折中選擇。

以下主要探討我國操作性分析軟件的體系結構和基本研制策略。

3.1 軟件的基本體系結構

圖5 我國航天操作性仿真軟件的體系結構示意圖

為實現基于數字樣機的操作性仿真，提出軟件的體系結構如圖5所示。結構分為用戶層、應用層和數據層。用戶層提供使用界面以及輸入輸出接口，輸入為航天器產品和操作工具的CAD模型、人體測量學參數、操作流程；輸出為操作性分析過程數據和評價結果。應用層則分別提供虛擬航天員建模、姿態仿真、操作性分析、綜合分析以及動畫制作模塊，軟件管理模塊實現軟件的權限和用戶信息管理。數據層則存儲人體模型庫、操作姿態庫、操作動素庫以及標準工具庫，支持不斷升級和更新，為適應軟件和設計系統的集成化應用，這些數據庫應可通過PDM（產品數據管理）接口進行獲取和存儲。

3.2 軟件的幾種實現策略

（1）研制全自主知識產權的仿真平臺。這種方式能緊密結合我國載人航天操作性分析的技術需求，充分考慮我國航天器的設計特點以及航天員的外觀特征、人體生理特點和操作習慣，并可結合我國航天器數字樣機設計平臺的接口特性，其針對性強、今后改進升級方便、具有全自主知識產權。但缺點是軟件工程量和難度均非常大，需要計算機軟件、機械設計與計算機圖形學、人機工程、機器人、航天器設計等多學科領域的支撐，要從基礎理論、應用算法、軟件實現等不同層面進行集智攻關，不僅要建立基礎性的開發平臺，還要實現各種分析應用模塊，是一項非常大的系統工程，需要大量的人力和財力投入。

（2）選擇具有較好開放性平臺進行二次開發實現。該方式可以考慮開放性較好的軟件如JACK、CATIA/DELMIA等，在其基礎上通過改變軟件的表現形式、性能參數和內核功能來實現。其中菜單、按鈕、對話框以及語言的改變為最低層次，實現較為方便，效果一般比較好；涉及到人體測量學參數、關節活動范圍、外貌特征的改變需要通過軟件提供的公開/半公開軟件接口進行實現，或者修改軟件的顯式代碼實現，技術上實現具有較強的可行性；涉及到內核模型和功能的改變如微重力環境下的疲勞度/舒適度分析、受力特性分析等，由于軟件對計算模型和實現算法進行了dll封裝，需要進行復雜的正向、逆向人體運動學和動力學計算，需要進行局部開發并進行功能替代，這是軟件二次開發的重點和難點。

（3）利用專業軟件模塊進行集成實現。這種方式主要是首先建立基礎平臺，然后以服務或代理的形式調用其它專業軟件的功能模塊，軟件系統只管理工具生成的I/O數據，而不操作其內部的具體數據，理論和技術瓶頸問題較少。比如人體模型的創建可以集成三維CAD軟件的制圖功能，甚至是已有的人體模型，將其載入到系統當中并賦予剛體運動學特性和關節運動特性；而人體運動學和動力學計算集成專業的力學分析模塊，進行微分方程求解。這種方式降低了軟件的實現難度，并且可隨著其它軟件模塊的升級保持同步，具有良好的可實現性和效費比，工作量也比第一種小很多，但難點是解決各功能模塊之間的兼容性以及數據一致性問題。 ◇

［1］周前祥.虛擬現實技術在航天工效學中的應用進展.計算機仿真，2001，18（2）:8-14.

［2］魏鵬威.載人航天器設計中的可維修性技術研究.航天器工程，2008，17（6）:68-72.

［3］孫瑛.現代機械設計中的人機工程學.機械研究與應用，2005，18（5）:14-15.

［4］周前祥，蔡蔡劌，王宏偉.工效虛擬人研究的最新進展.計算機仿真，2009，26（5）:6-9.

［5］https://www2.hf.faa.gov/Workbenchtools/default.aspx?rPage=Tooldetails&subCatId=3&toolID=19.

［6］Abdel-Malek K，Yang J，Brand R，Tanbour E.Towards Understanding the workspace of the upper extremities.SAE Transactions– Journal of Passenger Cars:Mechanical Systems，2001，110（6），2198–2206.

［7］Patrick C，Damien C，Christophe Le R.A distributed approach for access and visibility task with a manikin and a robot in a virtual reality environment.IEEE Transactions On Industrial Electronics，2003，50（4）:692-698.

［8］馬智，薛紅軍，蘇潤娥.基于Jack的人體建模與人機工效分析.航空計算技術，2008，38（1）:97-100.

［9］N I Badler，C B Phillips，B L Webber.Simulating Humans:Computer Graphics，Animation，and Control.London：Oxford University Press，1999.

［10］W.P.Neumann.Inventory of Human Factors Tools and Methods，http://www.ryerson.ca/hfe/，2007.