人-服交互模型發(fā)展綜述

張園園 強(qiáng)靜（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1 人-服交互模型概念

航天服是航天員開展艙外活動必不可少的防護(hù)裝備。航天服不僅要為航天員提供基本的生命保障,還應(yīng)具有很高的活動性能,保證航天員能有效完成各種艙外任務(wù)。航天員要進(jìn)行大量的出艙活動訓(xùn)練，次佳的航天服設(shè)計(jì)會導(dǎo)致人體代償，從而導(dǎo)致航天員身體不適，績效下降，甚至受傷。通過優(yōu)化人體關(guān)節(jié)中心的軸承類型、尺寸、方向和位置，將使航天員完成給定任務(wù)所需的補(bǔ)償達(dá)到最小化，從而降低這些風(fēng)險，但即便如此，也很難評估不同設(shè)計(jì)對乘員績效的影響。目前，可通過光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)評估著服人員的活動性和工作能力，但這僅能解釋航天服的表面運(yùn)動，并不能了解航天服內(nèi)人體的活動性。光學(xué)運(yùn)動傳感器不能直觀地跟蹤航天服內(nèi)的人體，航天服周圍出現(xiàn)的金屬部件會使慣性測量單元(IMUs)可靠性降低，現(xiàn)有的人機(jī)交互傳感器在惡劣的航天服內(nèi)環(huán)境中反應(yīng)效率低下。除了上述這些困難，通過人在環(huán)路(HITL)系統(tǒng)測試來收集數(shù)據(jù)，不但具有挑戰(zhàn)性，而且成本昂貴。此外，目前還沒有非常好的方法來模擬人在不同重力環(huán)境下如何適應(yīng)航天服。

為克服著服人員績效評估的難點(diǎn)，美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）的人體測量學(xué)和生物力學(xué)中心(ABF)正在開發(fā)形態(tài)學(xué)和運(yùn)動學(xué)的人-服交互模型，用以評價航天服的適體性和靈活性。

人-服交互模型可以通過不同的動作重新定位和啟動，用來預(yù)測潛在的航天服設(shè)計(jì)問題和功能限制，以及特定個體的航天服尺寸。其目標(biāo)是開發(fā)一個預(yù)測模型，根據(jù)個人的人體測量尺碼和航天服的設(shè)計(jì)特征，對運(yùn)動幅度等績效進(jìn)行定量評估。

2 人-服交互模型發(fā)展

10年來，ABF中心一直致力于開發(fā)和改進(jìn)各種計(jì)算機(jī)模擬的航天服和人體模型，以下介紹了其研發(fā)的動態(tài)人-服交互模型發(fā)展情況。

人體模型發(fā)展

人體模型是人-服交互建模的重要組成部分。為了確保人體模型的先進(jìn)性且與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相一致，NASA對多種商業(yè)建模工具進(jìn)行了評價，并調(diào)研了諸如汽車等領(lǐng)域的最佳經(jīng)驗(yàn)。此外，NASA獲取的自1980年起所有候選航天員的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為建模提供了身體尺寸和力量等極佳數(shù)據(jù)。如今，研究人員利用身體掃描儀之類的工具就可以獲取全身的數(shù)字影像，這種影像可以用軟件和高速攝像機(jī)進(jìn)行測量和處理，它可以實(shí)時提供身體所處的位置，通過力量傳感器測量人施加的或被施加的力量大小，量化航天服設(shè)計(jì)對移動范圍和受力的影響。

人體模型開發(fā)的第一階段，ABF構(gòu)建了一個從航天員和測試對象在不同姿態(tài)下的線性人體測量和3D立體掃描數(shù)據(jù)，可以用于預(yù)測評估。盡管該數(shù)據(jù)庫包含了大量不同人體姿勢的掃描數(shù)據(jù)，但有時可能需要數(shù)據(jù)庫中缺少的獨(dú)特姿勢或特定體形，這就需要對人體模型進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，生成不同的身體形狀，并為虛擬航天服設(shè)計(jì)和適體性評價進(jìn)行群體分析。美國Solidworks公司初步開發(fā)了3D人體模型，通過3D掃描使用線性人體測量打造一個原始形狀“骨架”。這些“航天員”可以代表人體測量的任何組合，其活動度可以由動畫進(jìn)行演示，但其缺乏人體組織的壓縮性，且難以操縱。此外，這些形狀并沒有準(zhǔn)確地描繪出人體的真實(shí)體積和曲率。

人體模型開發(fā)的第二階段是將真實(shí)的3D掃描與3D建模環(huán)境相結(jié)合，以提高其實(shí)用性，并在航天服適體性方面達(dá)到更真實(shí)水平。2017年，美國Blender基金會引入了3D掃描技術(shù)，這種技術(shù)將骨架應(yīng)用到網(wǎng)格上，以便能夠動態(tài)地調(diào)整受試者的姿勢。當(dāng)操縱骨架時，與骨架相關(guān)的頂點(diǎn)發(fā)生了平移，位移量是根據(jù)權(quán)重計(jì)算的，這將最終引起身體對應(yīng)骨架關(guān)節(jié)產(chǎn)生變形。

“航天員”模型下半身人體測量

“航天員”受試者展示規(guī)定的肩部伸展范圍

前臂的負(fù)重區(qū)域彩色分布圖

骨架服裝主體

以這種方式重新定位骨架，對于一些較小調(diào)整的效果很明顯，但卻不能準(zhǔn)確地量化解剖學(xué)上獨(dú)特的皮膚變形或肌肉膨脹，特別是在復(fù)雜關(guān)節(jié)的極端位置（如肩部）。對于不依賴于精確身體變形的基本運(yùn)動范圍評估來說，這不是主要問題，但對于服裝與身體的接觸評估來說，這是至關(guān)重要的。此外，雖然該數(shù)據(jù)庫涵蓋了大量的人體測量值，但它并不能代表當(dāng)前和未來的所有航天員人群，那么如何對數(shù)據(jù)庫中不存在的人體體型進(jìn)行航天服評價（例如：非常高大或非常矮小），為了解決這些問題，Blender基金會開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，基于3D掃描創(chuàng)建一個人體統(tǒng)計(jì)參數(shù)模型，以便更好地模擬皮膚變形。

由于每次3D 掃描都會產(chǎn)生大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此采用基于模板的非剛性配準(zhǔn)和變形技術(shù)來創(chuàng)建相應(yīng)的表面模型，并在所有掃描中保持相同的點(diǎn)對點(diǎn)關(guān)系。對個人形狀和姿勢變化之間的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，可以產(chǎn)生更廣泛的身體形狀。利用與航天服適體性相關(guān)的臨界人體測量尺寸（例如：身高和肩寬尺寸），可以生成具有這些臨界尺寸的各種近似身體形狀。

航天服模型發(fā)展

ABF目前同時開發(fā)了艙外機(jī)動裝置（EMU）3D模型、MarkⅢ航天服、Z2系列航天服、硬軟質(zhì)組件綜合變形等4種航天服模型，打造了一個多元的航天服設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。這些航天服模型不僅可以在3D空間按照使用者的身體形狀進(jìn)行定位，還可以模擬著服情況下在各種軸承和軟織物斷點(diǎn)處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲。目前，模型數(shù)據(jù)庫只針對艙外航天服。

統(tǒng)計(jì)生成的人體模型

EMU的HUT 航天服計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型

3D掃描與EMU的HUT建模對比圖

手腕被約束到同一個目標(biāo)時，受試者從中立姿勢到頭頂伸展的肩部變形比較

真實(shí)的EMU肩部（左）與3-旋肩（右）對比圖，圈出來的為約束線

（1）EMU 3D模型

EMU 3D模型是由Solidworks公司開發(fā)的，這種模型采用硬上軀干(HUT)3D掃描和人工測量相結(jié)合，以及螺旋軸承的方式。真實(shí)的EMU肩部完全由軟織物制成，除了肩胛骨和上臂承重部分外，還有兩條沿著肩部回旋線的織物約束線。在這個模型中，在這兩個軸承之間增加了一個旋轉(zhuǎn)連接，能夠模擬在人體測試期間航天服區(qū)域看到的活動類型。

旋轉(zhuǎn)連桿的設(shè)計(jì)是為了代表縱向約束線沿關(guān)節(jié)的一側(cè)，不能伸縮，但關(guān)節(jié)可以開放和關(guān)閉。除關(guān)節(jié)間的軸承之外，EMU小臂和下軀干組件（LTA）完全由軟材料組成。Blender模型增加了航天服的這些部分，通過捕獲完整的紋理和對顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行3D掃描，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了手臂和LTA的單獨(dú)網(wǎng)格對象。

（2）MarkⅢ航天服模型

與EMU一樣，MarkⅢ航天服的硬質(zhì)部件也是Solidworks公司開發(fā)的，基于3D掃描和人工測量技術(shù)制造，其中，肩部回旋處是將實(shí)際機(jī)構(gòu)配置與6-卷曲結(jié)構(gòu)相匹配的肩旋模型。MarkⅢ航天服LTA包括1個可水平旋轉(zhuǎn)的腰部軸承和1個可前后移動的腰環(huán)樞軸關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)盤。堅(jiān)硬的骨盆部分配有3個堅(jiān)硬的髖關(guān)節(jié)支撐和大腿外展/內(nèi)收旋轉(zhuǎn)部件，使其能夠行走和完成其他下半身任務(wù)（例如：彎腰撿起物體）。Blender基金會引入硬物幾何模型后，將組成小臂和小腿的軟物組件模擬成簡單的管狀結(jié)構(gòu)，并配以普通的靴子和手套。

3D掃描與MarkⅢ航天服HUT建模對比圖

內(nèi)置肩部6-卷曲結(jié)構(gòu)的MarkⅢ航天服上軀干

（3）Z2系列航天服模型

Z2系列航天服在構(gòu)造上與MarkⅢ航天服有很多相似之處，具有背入式和旋轉(zhuǎn)式肩部設(shè)計(jì)。然而，Z2與EMU、MarkⅢ航天服的區(qū)別在于，它是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模軟件問世之前設(shè)計(jì)出來的，因此有3D模型基礎(chǔ)。在此種情況下，研發(fā)人員將硬質(zhì)組件的原始模型直接導(dǎo)入，形成了HUT、肩部部分的關(guān)節(jié)、手臂和腿部模型，通過結(jié)合使用3D激光掃描和實(shí)體建模，可以打造一個全面的關(guān)節(jié)航天服模型。

（4）硬、軟質(zhì)組件綜合變形模型

骨架系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一系列起源于HUT并向外延伸到手臂和腿部的系列骨架。它同時控制航天服的硬質(zhì)組件(如：HUT和肩膀支承)和軟質(zhì)組件(如：LTA和手臂)。每個骨骼的頭部和尾部與航天服上相應(yīng)節(jié)段的旋轉(zhuǎn)中心一致。每個骨骼也被固定在x、y和z軸，以限制轉(zhuǎn)動的程度，模擬實(shí)際航天服中每節(jié)關(guān)節(jié)的機(jī)械活動范圍（ROM）。例如，控制肩旋環(huán)的骨骼只允許在連接銷的旋轉(zhuǎn)軸上彎曲，并且有活動范圍限制，以防止它們以機(jī)械上不可能的方式相互干擾。

與人體模型類似，軟質(zhì)組件變形具有一定的局限性，因?yàn)樵跇O端的姿勢下模擬逼真程度會大幅度降低。因此，未來的軟質(zhì)組件建模將結(jié)合參數(shù)化建模技術(shù)來提高逼真程度。目前正在開發(fā)一種混合航天服模型，該模型將運(yùn)動和模擬變形相結(jié)合，從而更好地體現(xiàn)著服執(zhí)行任務(wù)時受到的約束和操作模式。

完整顯示內(nèi)部骨架的EMU 3D模型

完整顯示內(nèi)部骨架的MarkⅢ航天服模型

3 應(yīng)用及用途

這些人-服模型應(yīng)用廣泛，其在可達(dá)域、活動性和適體性方面的應(yīng)用分析充分體現(xiàn)了實(shí)用性，通過這些模型可以了解航天服結(jié)構(gòu)調(diào)整對著服乘員移動能力的潛在影響，進(jìn)而改善航天服的設(shè)計(jì)。同時，因?yàn)楹教靻T在執(zhí)行艙外活動期間需要與空間站進(jìn)行緊密聯(lián)系，這還將對空間站的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。

可達(dá)域方面

由于艙外航天服一般采用很多剛性材料制造，以提供足夠的保護(hù)，航天員著服后對人體的操作能力不可避免地產(chǎn)生一些限制。著服時航天員雙手可達(dá)到和可操作范圍與不著服時并不相同。所以，航天服的工作域是航天服工效學(xué)研究的重點(diǎn)。工作域包含可達(dá)域和可操作域。其中，可達(dá)域一般指著服人員通過所有可能的運(yùn)動范圍移動伸展四肢時運(yùn)動軌跡的包絡(luò)，可以左右航天服活動范圍的一種度量方式，也是衡量航天服在肩部和髖部移動能力的有效方法。

例如：肩部可達(dá)域可以被認(rèn)為是一個圍繞肩關(guān)節(jié)中心球體的一部分，其半徑延伸到感興趣的末端執(zhí)行器（如：肘部、手腕或手）。航天服模型的個別關(guān)節(jié)可以被鎖定，這樣它們就不會發(fā)生移動，并且可以增加運(yùn)動限制的范圍來模擬現(xiàn)實(shí)的人體極限。

活動性方面

航天員要有效地完成各種艙外活動，這要求航天服必須要有很好的活動性，那就必須考慮航天服的工效學(xué)。航天服工效學(xué)的一個基本內(nèi)容是:解決航天服的姿態(tài)和活動性，計(jì)算各個關(guān)節(jié)活動時需要的力，從而減少航天員疲勞。航天服關(guān)節(jié)應(yīng)活動靈活，其動力學(xué)性能應(yīng)符合人體動力學(xué)要求。

在面向未來的行星任務(wù)時，航天服活動性顯得格外重要。行星航天服的重要功能包括行走、在地面上下移動，以及彎腰撿取物件等。這些活動都可以通過模型動畫演示出不同的航天服構(gòu)造在執(zhí)行任務(wù)時的運(yùn)動學(xué)變化。

例如，對于專為行星操作設(shè)計(jì)的EVA航天服來說，髖部的靈活性很重要。航天服要適應(yīng)人類髖部復(fù)雜的活動范圍尤其困難。從“阿波羅”（Apollo）任務(wù)中航天員在月球上行走的錄像，可以明顯看出，航天服軟質(zhì)材料的硬度嚴(yán)重限制了髖部的彎曲和外展。先前研究受試者的動作捕捉，包括操控貨物、彎腰調(diào)整航天靴、跪下、坐下、俯臥-恢復(fù)站立、側(cè)步、爬梯子等活動，都被結(jié)合起來，并在不著服與著服條件之間進(jìn)行了比較，因?yàn)檫@些可能會對未來的行星任務(wù)的受傷風(fēng)險產(chǎn)生影響。

適體性方面

航天服無論在地面訓(xùn)練使用，還是在太空使用，航天服外殼形態(tài)均應(yīng)與人體體表形態(tài)和幾何尺寸相一致，并且人與服裝內(nèi)表面具有預(yù)定的間隙（空氣層，過大過小會影響人體活動性能）、外殼的活動關(guān)節(jié)應(yīng)與人體關(guān)節(jié)相適應(yīng)。虛擬適體性評估是對航天服設(shè)計(jì)的適體性和績效的預(yù)測評估。評估可以在構(gòu)建實(shí)際航天服或物理模型之前執(zhí)行，從而大大減少迭代設(shè)計(jì)修改的時間和成本。人-服交互模型將能夠在每個關(guān)鍵維度上為特定的個體提供航天服適體性信息，開發(fā)容許相互作用力作為位置函數(shù)的準(zhǔn)則。

例如，在HUT適體性評估中,可以開展航天服軀干內(nèi)的皮膚承壓能力和服裝整體適體性對EVA績效的影響研究，這些研究結(jié)果將應(yīng)用于提高人和航天服模型之間的相互作用。此外，通過統(tǒng)計(jì)建模的方法來提高軟質(zhì)材料的逼真度，可以更好地體現(xiàn)不同運(yùn)動范圍內(nèi)航天服手臂和腿部的形狀變化。

除了航天服適體性預(yù)測之外，人-服交互模型還可以用于系列尺碼分析，對特定的航天服設(shè)計(jì)中不同的身型表現(xiàn)進(jìn)行全面評估，并可以通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整來研究其對群體模型的影響，進(jìn)而通過開發(fā)優(yōu)化的硬件解決方案來改善航天服設(shè)計(jì)，提高人體績效和人體測量適應(yīng)能力。針對人體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心優(yōu)化軸承類型、尺寸、方向和位置可以降低受傷風(fēng)險，增加舒適度，并提高航天員的作業(yè)績效。

4 小結(jié)

準(zhǔn)確有效的人-服交互模型可以減少為了獲得可接受的航天服適體性而必須反復(fù)進(jìn)行的適體性檢查。近年來，人-服交互模型的研究重點(diǎn)是將參數(shù)化的人體模型與現(xiàn)有的航天服計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型相結(jié)合，通過增加仿真度，改進(jìn)先前基于線性人體測量學(xué)的人體建模。人與航天服之間的干擾探測映射也正在研究發(fā)展中，這將進(jìn)一步加強(qiáng)人們對航天服適體性的認(rèn)識。

隨著特定的航天服構(gòu)造或設(shè)計(jì)中不同的身型范圍的擴(kuò)展，可以得出更多的信息，并進(jìn)行可達(dá)域等方面的評估。人-服建模是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，并將隨著未來更先進(jìn)的模型和技術(shù)的進(jìn)步而不斷改進(jìn)。