基于JACK的空間站實驗艙內工作姿勢的工效學分析

潘 靜，初建杰，閆 妍，丁田妹，陳 婧，馬干干

（西北工業大學 機電學院，陜西 西安 710072）

在對空間站實驗艙進行人機工程和人機工效學分析評價的過程中，借助傳統的創建真實樣本的分析評價方法，需要花費大量的時間及成本。而現如今發展的虛擬現實仿真技術的應用則突破了傳統的基于二維的人—機界面模式和交互方式的局限，極大地增強了人的主動性和仿真方法的靈活性[1]，為人機工效分析評價提供了新的方式。

JACK是一個目前較為成功的人體建模仿真和工效評估軟件，提供了直觀的操作界面，豐富的人體測量學數據庫，和完整的人機工效評估工具包以及強大的人體運動仿真能力[2]。本文將實驗艙的3D—MAX模型導入到JACK軟件中，利用我國航天員的人體測量數據，在JACK軟件中建立數字人，創建位于太空中的實驗艙仿真模型，對其內部的裝置和布局進行分析評價，對不符合人機工程原理和人機工效學的部分進行修改和優化，使實驗艙內的人—機—環境達到和諧平衡，航天員在生理和心理上都能獲得最優、最舒適的人機環境。

1 仿真環境的創建

1.1 實驗艙模型的創建

在JACK軟件中，可以從草圖開始建立模型，也可以導入3D模型數據，如利用UG，PRO-E，3D—MAX，或CAD等。而其中的分析對象是指由3D軟件建立的模型，在本文中，即指空間站實驗艙的3D模型。通過STL文件格式將其導入軟件后，構成航天員的虛擬環境，利用JACK軟件對其進行人機工效仿真分析，分析評價其裝置及布局的可視域、可達域、疲勞和舒適度，并提出修改和優化方案。

1.2 數字人的創建

1.2.1 數字人的人體數據

JACK之所以在人體建模領域占據主導性的地位，其主要原因是軟件本身提供了業界最精確的人體生物學模型，模型包含運動學算法和生物學算法。JACK中的三維人體模型在建立數字人模型的過程中還可以自定義數字人模型身體的各個尺寸[3]。在JACK軟件中可以創建身高或體重百分位為 99、95、50、5、1的男性或者女性，此外還可以對創建模型的26項數據進行修改，以便得到符合仿真分析條件的數字人模型。

現如今的JACK7.1版本的三維人體模型數據庫包含了美國、加拿大、中國、印度、德國、日本、韓國以及國際的權威人體數據，適用于大多數國家。然而，對于本文中特定的航天員群體，其人體尺寸與JACK數據庫中的尺寸會存在一定的差異。因此應根據表1中提供的航天員數據對數字人進行微調。

要通過精確定義，利用建立數字人模型窗口進行微調，根據表1中提供的航天員數據，可以修改人體的26個部位的尺寸，以及25個關節的自由度，其中重點關注數字人的身高，手臂長度，腿部長度，手長寬，足長寬，坐高等數值，創建出合適的數字人以進行之后的仿真分析。

1.2.2 數字人的工效學姿勢

在數字人的底層代碼中包含了大量的運動學公式，可用以定位和設置數字人姿勢。設置數字人姿勢時，可以通過直接操縱關節或從姿勢庫（包含30個預定義姿勢）中選擇姿勢來改變數字人的姿勢。由于太空微重力的影響，航天員在實驗艙內的姿勢基本自然呈中性體位，如圖1所示，即腳和通過軀干的軸線呈約有111°的彎曲，大腿小腿間角度約為133°，上下手臂間角度約為120°，背部自然彎曲，腳面傾斜。根據航天員在實驗艙內要進行的活動，工作狀態下的航天員主要是以在臨時工作椅上的坐姿為主。

表1 我國航天員群體地面1g環境下不著服工況下人體形態參數Tab.1 Chinese astronauts’body shape parameters of no suit conditions in the environment of 1g

圖1 數字人中性體位Fig.1 Normal position of digital bodies

2 艙內工作姿勢的工效學分析

2.1 可視域

航天員在實驗艙內不僅要做各項實驗，而且還需要操控艙內的儀器以保證實驗艙正常運行。航天員需要通過顯示器和各類面板準確地了解艙內的運行狀況和設備的實時狀態，進而高效且準確地執行任務，因此對航天員工作姿勢下的可視域分析十分重要。

圖2 人眼與顯示屏的視角關系Fig.2 The viewing angle between human eyes and display screen

圖2 是根據人機工程學原理，人眼與顯示屏的視角關系。由圖可知，人眼到顯示屏的最佳距離是710 mm，上視角＜10°，下視角＜45°，顯示屏和垂直面角度應小于 30°，人眼中心點與屏幕角度為90°±10°[4]。而在太空微重力環境的影響下，中性體位狀態下主視線下降15°，相對于正常情況下的視線下降，顯示器的高度也要隨之調整。如圖3所示，可通過可視域分析工具分析處于工作姿勢時航天員的可視域，保證顯示器屏幕在航天員的可視域范圍內。并且根據人的視覺運動規律，應使最常用、最重要的顯示器和面板位于視野中心范圍內，顯示器與控制器應按其重要性原則、使用頻率原則、功能原則，和使用順序原則等進行布局，盡量使航天員在使用過程中，以從左至右、從上至下的操作習慣來使用[5]。

圖3 工作姿勢下的可視域分析Fig.3 View shed analysis in work postures

2.2 可達域

航天員在工作狀態時，需要保證對臨時工作臺的操控和儀器儀表盤的精確操作，才能維護保持實驗艙內的各項事務安全、高效地運行。 當進行操控時，所需要的儀器按鍵等應按照使用順序和頻率原則、重要性原則、功能原則等進行合理分配，并要保證位于如表2所示的航天員的上肢可達域范圍內。

表2 上肢最大可達域（中指指尖點）前/后、左/右方向范圍數據Tab.2 Upper limbs of the maximum reachable domain（the tip of the middle finger）front/back， left/right direction range data

通過可達域分析工具，可以分析得出如圖4所示的，該工作姿勢下航天員的最大可觸及范圍。在分析過程中，以航天員坐在臨時工作椅上的工作姿勢為主，一般選擇中指指尖作為最大可達域的分析基準，判斷儀表盤、電腦等需要操作的儀器位于可達域范圍內，表明了該工作姿勢下工效學設計的合理性。

2.3 艙內工作姿勢的舒適度分析

圖4 工作姿勢下的可達域分析Fig.4 Reachable region analysis in work postures

在實驗艙內，航天員長時間工作時需要利用臨時工作臺、臨時工作椅達到姿勢的最大舒適化，然而在太空微重力環境下，則還應考慮工作椅曲面的舒適度和束縛力的合理分布。

舒適度分析工具提供6個舒適度參考數據，由于太空微重力的特殊環境，在進行舒適度分析時，則應更注重航天員身體各部分的舒適程度，因此選擇屬于單關節舒適度、且較偏向于關節角度的[Porter]工具。由此可得到數字人關于頭部、上手臂、軀干、大腿和膝關節，以及小腿到腳等部位的舒適度分析表。黃色條狀代表該部位處在危險狀態下，而綠色則表示的是該姿勢下，此部位舒適度在正常范圍內，是不易產生疲勞，且安全高效的。數值越小，表示舒適度越高。

在對航天員的坐姿進行舒適度分析的過程中，需要注意JACK的各類仿真數據都是建立在地球這個有重力的大環境中，并且主要針對駕駛姿勢的舒適度分析，應用在空間站實驗艙的工效學分析上則有一定的局限性。因此，在對工作姿勢進行分析時，利用對比優化的方式，對座椅大小和角度進行微調，以保證航天員工作姿勢的最佳舒適性。

圖5 工作姿勢的舒適度分析Fig.5 Comfort level snalysis of work postures

由圖5中的兩圖對比可知，下圖的工作姿勢是基于上圖微調優化，從而得到最佳舒適度的最優姿勢。但這兩種工作姿勢，除了腰部受力是由于地球重力呈危險狀態而出現偏差外，其他數據皆滿足舒適度范圍之內，表明航天員的工作姿勢不僅合乎人體舒適性，而且可活動范圍較大。

3 輔助設施的優化改良

通過對航天員在艙內工作姿勢的仿真分析，如可視域、可達域、舒適度分析等，可得到的相應的人機工效學數據，由此能夠進一步優化艙內的輔助設施，為航天員提供更好的人機環境，便于工作高效舒適地展開。

3.1 工作臺尺寸及斜度

航天員在艙內的主要工作任務都是在工作臺上完成，實現人—工作臺的良好人機關系十分重要。最佳工作臺大小的設計應考慮所放置物品的大小和位置，以及臺面要有足夠的空間放置雙手，應減少使用者的手指手臂或者腿部的相互擠壓[6]。航天員坐姿操作時，工作面下部應設置容膝空間，容膝空間的高度應要小于640 mm，工作臺的高度應大約在肘高位置，可設計初始高度為880 mm，并且高度可調節，滿足航天員不同需求。在初步設計中，根據前期調研和臺面雙層設計確定了工作臺長為430 mm，寬為360 mm，厚為15 mm。將其導入JACK后，發現與數字人略不協調，并且為了節省艙內空間，可將寬度尺寸修改為350 mm。

此外，根據可視域分析，確定最適合視線角度后，結合頸部疲勞程度分析，應確保頸部彎曲角度不超過20°～30°，并且應該使用可調節角度的工作臺，傾斜10°就可以降低21%的頸部伸肌負荷。

3.2 工作椅尺寸及固定

太空微重力環境下，工作椅除了承重作用外，還有固定作用。而人的重心一般位于腰部，為此在椅面處設置固定安全帶以固定航天員腰部，并在腳踏上設置限位器。安全帶除了要承受至少規定內的拉伸載荷以外，還要便于航天員解開。

為了防止座椅面不會對大腿產生壓力，需要通過調整座椅尺寸來調整膝高，根據臀寬來確定座寬。由此，確定工作椅座寬410 mm，坐深為170 mm。將其導入JACK后，發現雙腳相距較大，增加大腿壓力，而且影響了容腳空間，于是將座椅底部限位器間尺寸調整為330 mm。

4 結束語

基于JACK仿真分析軟件，可以分析得到模擬實驗艙的工效學特性。不僅大大地節省了時間和成本，也可應用人機工程和人機工效學確定輔助設施的各項尺寸數據，使航天員生理和心理上都能獲得最優、最舒適的人機環境。為進一步的研究提供了堅實的理論基礎。

[1]周前祥.虛擬現實技術在航天工效學中的進展應用[J].計算機仿真，2001，18（2）：8－10，14.ZHOU Qian-xiang.Progress in the application of virtual real-ity technology in space Ergonomics[J].Computer Simulation，2001，18（2）:8-10，14.

[2]譚正文，薛紅軍，蘇潤娥.基于JACK的民機駕駛艙可視性評估研究[J].航空計算技術，2010，40（5）:79-82 TAN Zheng-wen，XUE Hong-jun，SU Run-e.Research on Visibility for Cockpit of Civil Aircraft Based on JACK[J].Aeronautical Computing Technique，2010，40（5）:79-82.

[3]鈕建偉，張樂，李險峰.JACK人因工程基礎及應用實例[M].北京：電子工業出版社，2012

[4]劉社明，王小平，陳登凱，等.基于JACK的駕駛艙仿真及人機工效學分析[J].計算機與現代化，2013（8）:106-110.LIU She-ming，WANG Xiao-ping，CHEN Deng-kai，et al.Cockpitsimulation and ergonomicsanalysisbased on JACK[J].Computer and Modernization，2013（8）：106-110.

[5]丁玉蘭.人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[6]童時中.人機工程設計與應用手冊[M].北京：中國標準出版社，2007.