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(xué)，楊擁民，羅 旭，吳福章

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)裝備綜合保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410073）

1 引言

在載人航天活動(dòng)中，航天員通常需要嚴(yán)格遵循各種操作規(guī)程，執(zhí)行大量的操作任務(wù)，以成功實(shí)現(xiàn)載人航天器的發(fā)射降落、運(yùn)行維護(hù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、艙內(nèi)外活動(dòng)及各種空間服務(wù)。然而，由于太空中的微重力環(huán)境對(duì)人的生理和行為動(dòng)作產(chǎn)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(yè)時(shí)則變得比較困難。如果載人航天器的設(shè)計(jì)和操作任務(wù)設(shè)計(jì)不適合航天員在微重力環(huán)境下的操作特性，如操作可達(dá)性和操作舒適度不良，可能導(dǎo)致航天任務(wù)的失敗或者重大的災(zāi)難性事故。

因此，航天器設(shè)計(jì)的人機(jī)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(guī)定的各項(xiàng)操作任務(wù)。當(dāng)前，對(duì)航天器進(jìn)行人機(jī)界面驗(yàn)證和評(píng)價(jià)主要有三種技術(shù)途徑：圖紙的設(shè)計(jì)檢查、數(shù)字樣機(jī)仿真評(píng)價(jià)和實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)。基于數(shù)字樣機(jī)和虛擬人的評(píng)價(jià)具有直觀、深入、效費(fèi)比高等突出優(yōu)點(diǎn)，且可以在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行并行在線檢查，有利于盡早地發(fā)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)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(cái)力研制了高水平的仿真軟件，在航天器可操作性分析當(dāng)中發(fā)揮極其重要的作用。而國內(nèi)在這方面尚處于引進(jìn)消化吸收階段，差距較大。因此，對(duì)國外先進(jìn)的操作性仿真軟件進(jìn)行分析，對(duì)于研制開發(fā)我國的同類產(chǎn)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(xué)仿真分析的基本思路是構(gòu)建虛擬航天員人體模型，并將其置于實(shí)際航天器數(shù)字樣機(jī)中模擬在軌操作，按照規(guī)定的姿態(tài)、強(qiáng)度和流程完成作業(yè)，分析人體的反應(yīng)，評(píng)價(jià)航天器人機(jī)界面的操作性。評(píng)價(jià)一般從兩個(gè)角度展開：一是以人為中心，評(píng)估航天器與人交互設(shè)備界面通道的形狀、布局、操作特征以及環(huán)境照明、振動(dòng)噪聲、熱度等是否合理。二是以航天器為中心，評(píng)估航天員的作業(yè)效能、能力極限，作業(yè)的安全性、舒適性、可達(dá)性等工效學(xué)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(yīng)包括：

（1）虛擬人建模功能，能建立參數(shù)化、關(guān)節(jié)化、層次化人體模型，具備中國航天員外觀，能穿著艙內(nèi)和艙外航天服，具有剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性[3，4]。

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

（3）人體姿態(tài)仿真功能，支持人體姿態(tài)的正向調(diào)整，在關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)調(diào)整關(guān)節(jié)角度生成姿態(tài)，可外界輸入關(guān)節(jié)參數(shù)或者通過人體模型手動(dòng)在線調(diào)整姿態(tài)。

（4）人體運(yùn)動(dòng)仿真功能，能實(shí)現(xiàn)人體的位置調(diào)整，模擬太空中的行走、失重飛行、漂浮等運(yùn)動(dòng)。

（5）可視性分析功能，能根據(jù)人體姿態(tài)生成可視錐，顯示兩眼的可視區(qū)域，并可對(duì)椎體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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

（7）受力分析功能，支持空間操作任務(wù)分析當(dāng)中常用的力和扭矩評(píng)價(jià)、脊柱受力分析、腰部受力分析和靜態(tài)受力分析等。

（8）作業(yè)舒適度分析功能，能根據(jù)失重環(huán)境下的生物力學(xué)—生理學(xué)模型，以及作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)時(shí)間、受力大小等條件，進(jìn)行關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)、代謝能耗與恢復(fù)分析評(píng)價(jià)等。

（9）綜合分析評(píng)價(jià)功能，能根據(jù)建立的完整作業(yè)任務(wù)流程或者整個(gè)人機(jī)界面評(píng)價(jià)模型，采用層次分析法或綜合加權(quán)法進(jìn)行綜合分析可以得到全局的評(píng)價(jià)結(jié)論。

（10）數(shù)據(jù)導(dǎo)入和保存功能，能導(dǎo)入航天器和操作工具的CAD模型、獲取航天員人體測量學(xué)參數(shù)并保存中間分析結(jié)果、導(dǎo)出分析結(jié)果。

3 國外的操作性分析軟件現(xiàn)狀

近年來，國外在進(jìn)行航天器的操作性分析時(shí)，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(yè)軟件進(jìn)行輔助仿真分析，特別是可視性、可達(dá)性等幾何學(xué)特性的分析，后者比較多，典型的如賓西法尼亞大學(xué)開發(fā)的JACK軟件、美國加利福尼亞Rockwell International公司開發(fā)的BOFORD軟件、Johnson航天中心的圖像分析室（The Graphics Analysis Facility）開發(fā)研制的計(jì)算機(jī)圖像軟件包—儀表布局自動(dòng)交互設(shè)計(jì)（PLAID）等，可以根據(jù)不同的應(yīng)用背景而加以選用。以下對(duì)這些軟件的特點(diǎn)和功能進(jìn)行簡要介紹。

（1）BHMS軟件

美國波音公司的設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可以支持微重力環(huán)境下的人體運(yùn)動(dòng)建模仿真系統(tǒng)BHMS（Boeing Human Modeling System），通過建立虛擬的三維航天員模型，進(jìn)行國際空間站出艙活動(dòng)（EVA）以及艙內(nèi)活動(dòng)（IVA）仿真[5]。

BHMS在人體模型方面功能比較強(qiáng)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(dòng)態(tài)鮮活的脊柱、頸部以及肩膀，包括了105個(gè)人體測量學(xué)參數(shù)；航天服/EVA（1型）。人體模型穿著NASA航天服，模型中設(shè)置了航天員的關(guān)機(jī)運(yùn)動(dòng)極限；棍棒連接（2型），模型中每個(gè)人體連接結(jié)構(gòu)采用一條直線進(jìn)行表示。這種類型主要用于不需進(jìn)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(xiàn)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(fā)布了一系列工具，用于人體進(jìn)行裝配和維修任務(wù)的仿真。圖2中展示了其部分工具庫。在使用工具庫時(shí)，用戶通過提供虛擬人使用工具的方位信息，可以計(jì)算得到工具的末端效應(yīng)。對(duì)于某些特殊工具，例如變速手柄，具有附著點(diǎn)特征，這樣可以用于生成實(shí)時(shí)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方式：手臂、手臂+肩膀、手臂+肩膀+脊柱，對(duì)應(yīng)的自由度分別為7、9、57。可設(shè)置尾骨、頭部、左右手、左右膝蓋、左右腳等位運(yùn)動(dòng)錨點(diǎn)（MAPS），拖動(dòng)滑動(dòng)條可以改變各個(gè)連接關(guān)節(jié)的角度。基本分析功能包括：視覺（視覺障礙）圖、距離分析、基于VPS（Voxel Point Shell）的碰撞檢測、自動(dòng)人群特性分析、可達(dá)域適應(yīng)性分析、可達(dá)域包絡(luò)、靜態(tài)空間包絡(luò)、基于VPS的掃掠域分析等。

圖2 BHMS的工具庫

采用BHMS進(jìn)行國際空間站在軌裝配、維修和操作任務(wù)的評(píng)估，特別是進(jìn)行艙外活動(dòng)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(guān)節(jié)連接的可移動(dòng)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(dá)區(qū)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(shù)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(duì)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(yè)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(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系開發(fā)，1992年投入商業(yè)使用。JACK收集了上萬人的人體測量數(shù)據(jù)，人體模型有135個(gè)自由度、69段、68個(gè)關(guān)節(jié)，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(diào)整虛擬人的關(guān)節(jié)改變?nèi)说淖藙荩部梢詮?0個(gè)預(yù)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。可達(dá)性分析包括以下四個(gè)類型：上肢上的關(guān)節(jié)從肩膀開始運(yùn)動(dòng)、上肢上的關(guān)節(jié)從腰部的軸向旋轉(zhuǎn)開始運(yùn)動(dòng)、上肢上的關(guān)節(jié)從某個(gè)受約束的關(guān)節(jié)開始運(yùn)動(dòng)、上肢上的關(guān)節(jié)舒適的可達(dá)范圍。JACK在舒適度分析方面的功能比較強(qiáng)大，它包括了Porter、Krist、Grandjean、Rebife、Dreyfuss 2D、Dreyfuss 3D六種舒適性評(píng)價(jià)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(gè)關(guān)節(jié)，能進(jìn)行全面的人體舒適性分析。

圖4 JACK用于數(shù)字人體操作評(píng)價(jià)

由于以上諸方面的優(yōu)越性，JACK已經(jīng)被許多飛機(jī)公司、汽車制造商和車輛機(jī)構(gòu)所采用。在航天領(lǐng)域，NASA早期就用它進(jìn)行二維航天員岀艙活動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬，隨著Jack的三維仿真軟件的功能的完善和提高，NASA將動(dòng)作捕獲工具與Jack仿真平臺(tái)相結(jié)合模擬航天員岀艙活動(dòng)，取得了良好的應(yīng)用效果。

（3）其它軟件

除了以上兩個(gè)典型的軟件之外，歐美航天技術(shù)發(fā)達(dá)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(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)行了應(yīng)用，這方面的情況總結(jié)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(diǎn)，BHMS軟件的人體模型和工具庫較為完整，支持艙內(nèi)艙外的航天員模型創(chuàng)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(shù)封鎖，自主研發(fā)我國的航天器操作性分析軟件系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)要認(rèn)清以下幾個(gè)基本問題：

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

（2）體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這是研制軟件的關(guān)鍵問題。應(yīng)從可行性、易用性、可擴(kuò)展性等角度出發(fā)，通過接受各種樣機(jī)和模型文件的輸入，以將PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）作為軟件的基本數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行可視性、可達(dá)性等分析，輸出各種操作性分析的結(jié)果。體系結(jié)構(gòu)重點(diǎn)在于科學(xué)合理的層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫環(huán)境、開發(fā)環(huán)境、功能界面、人機(jī)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(shè)計(jì)、選擇基本平臺(tái)二次開發(fā)和應(yīng)用集成設(shè)計(jì)等幾種不同的策略。對(duì)于航天器操作性分析軟件來說，每種實(shí)現(xiàn)方式均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在可塑性和開發(fā)代價(jià)方面各有側(cè)重。應(yīng)立足于操作性分析軟件的功能需求，重點(diǎn)考慮功能滿足性、效費(fèi)比、時(shí)效性等因素，進(jìn)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(jié)構(gòu)和基本研制策略。

3.1 軟件的基本體系結(jié)構(gòu)

圖5 我國航天操作性仿真軟件的體系結(jié)構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字樣機(jī)的操作性仿真，提出軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。結(jié)構(gòu)分為用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)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(chǎn)品和操作工具的CAD模型、人體測量學(xué)參數(shù)、操作流程；輸出為操作性分析過程數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果。應(yīng)用層則分別提供虛擬航天員建模、姿態(tài)仿真、操作性分析、綜合分析以及動(dòng)畫制作模塊，軟件管理模塊實(shí)現(xiàn)軟件的權(quán)限和用戶信息管理。數(shù)據(jù)層則存儲(chǔ)人體模型庫、操作姿態(tài)庫、操作動(dòng)素庫以及標(biāo)準(zhǔn)工具庫，支持不斷升級(jí)和更新，為適應(yīng)軟件和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成化應(yīng)用，這些數(shù)據(jù)庫應(yīng)可通過PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）接口進(jìn)行獲取和存儲(chǔ)。

3.2 軟件的幾種實(shí)現(xiàn)策略

（1）研制全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真平臺(tái)。這種方式能緊密結(jié)合我國載人航天操作性分析的技術(shù)需求，充分考慮我國航天器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及航天員的外觀特征、人體生理特點(diǎn)和操作習(xí)慣，并可結(jié)合我國航天器數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)的接口特性，其針對(duì)性強(qiáng)、今后改進(jìn)升級(jí)方便、具有全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但缺點(diǎn)是軟件工程量和難度均非常大，需要計(jì)算機(jī)軟件、機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)工程、機(jī)器人、航天器設(shè)計(jì)等多學(xué)科領(lǐng)域的支撐，要從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用算法、軟件實(shí)現(xiàn)等不同層面進(jìn)行集智攻關(guān)，不僅要建立基礎(chǔ)性的開發(fā)平臺(tái)，還要實(shí)現(xiàn)各種分析應(yīng)用模塊，是一項(xiàng)非常大的系統(tǒng)工程，需要大量的人力和財(cái)力投入。

（2）選擇具有較好開放性平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。該方式可以考慮開放性較好的軟件如JACK、CATIA/DELMIA等，在其基礎(chǔ)上通過改變軟件的表現(xiàn)形式、性能參數(shù)和內(nèi)核功能來實(shí)現(xiàn)。其中菜單、按鈕、對(duì)話框以及語言的改變?yōu)樽畹蛯哟危瑢?shí)現(xiàn)較為方便，效果一般比較好；涉及到人體測量學(xué)參數(shù)、關(guān)節(jié)活動(dòng)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)，或者修改軟件的顯式代碼實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)的可行性；涉及到內(nèi)核模型和功能的改變?nèi)缥⒅亓Νh(huán)境下的疲勞度/舒適度分析、受力特性分析等，由于軟件對(duì)計(jì)算模型和實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了dll封裝，需要進(jìn)行復(fù)雜的正向、逆向人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，需要進(jìn)行局部開發(fā)并進(jìn)行功能替代，這是軟件二次開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（3）利用專業(yè)軟件模塊進(jìn)行集成實(shí)現(xiàn)。這種方式主要是首先建立基礎(chǔ)平臺(tái)，然后以服務(wù)或代理的形式調(diào)用其它專業(yè)軟件的功能模塊，軟件系統(tǒng)只管理工具生成的I/O數(shù)據(jù)，而不操作其內(nèi)部的具體數(shù)據(jù)，理論和技術(shù)瓶頸問題較少。比如人體模型的創(chuàng)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(tǒng)當(dāng)中并賦予剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性；而人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算集成專業(yè)的力學(xué)分析模塊，進(jìn)行微分方程求解。這種方式降低了軟件的實(shí)現(xiàn)難度，并且可隨著其它軟件模塊的升級(jí)保持同步，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和效費(fèi)比，工作量也比第一種小很多，但難點(diǎn)是解決各功能模塊之間的兼容性以及數(shù)據(jù)一致性問題。 ◇

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