人-服交互模型發展綜述

張園園 強靜（中國航天員科研訓練中心）

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裝備。航天服不僅要為航天員提供基本的生命保障,還應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。航天員要進行大量的出艙活動訓練，次佳的航天服設計會導致人體代償，從而導致航天員身體不適，績效下降，甚至受傷。通過優化人體關節中心的軸承類型、尺寸、方向和位置，將使航天員完成給定任務所需的補償達到最小化，從而降低這些風險，但即便如此，也很難評估不同設計對乘員績效的影響。目前，可通過光學運動捕捉系統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動，并不能了解航天服內人體的活動性。光學運動傳感器不能直觀地跟蹤航天服內的人體，航天服周圍出現的金屬部件會使慣性測量單元(IMUs)可靠性降低，現有的人機交互傳感器在惡劣的航天服內環境中反應效率低下。除了上述這些困難，通過人在環路(HITL)系統測試來收集數據，不但具有挑戰性，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境下如何適應航天服。

為克服著服人員績效評估的難點，美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）的人體測量學和生物力學中心(ABF)正在開發形態學和運動學的人-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，用來預測潛在的航天服設計問題和功能限制，以及特定個體的航天服尺寸。其目標是開發一個預測模型，根據個人的人體測量尺碼和航天服的設計特征，對運動幅度等績效進行定量評估。

2 人-服交互模型發展

10年來，ABF中心一直致力于開發和改進各種計算機模擬的航天服和人體模型，以下介紹了其研發的動態人-服交互模型發展情況。

人體模型發展

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性且與實際經驗相一致，NASA對多種商業建模工具進行了評價，并調研了諸如汽車等領域的最佳經驗。此外，NASA獲取的自1980年起所有候選航天員的基礎數據，也為建模提供了身體尺寸和力量等極佳數據。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字影像，這種影像可以用軟件和高速攝像機進行測量和處理，它可以實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，量化航天服設計對移動范圍和受力的影響。

人體模型開發的第一階段，ABF構建了一個從航天員和測試對象在不同姿態下的線性人體測量和3D立體掃描數據，可以用于預測評估。盡管該數據庫包含了大量不同人體姿勢的掃描數據，但有時可能需要數據庫中缺少的獨特姿勢或特定體形，這就需要對人體模型進行姿態調整，生成不同的身體形狀，并為虛擬航天服設計和適體性評價進行群體分析。美國Solidworks公司初步開發了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，這些形狀并沒有準確地描繪出人體的真實體積和曲率。

人體模型開發的第二階段是將真實的3D掃描與3D建模環境相結合，以提高其實用性，并在航天服適體性方面達到更真實水平。2017年，美國Blender基金會引入了3D掃描技術，這種技術將骨架應用到網格上，以便能夠動態地調整受試者的姿勢。當操縱骨架時，與骨架相關的頂點發生了平移，位移量是根據權重計算的，這將最終引起身體對應骨架關節產生變形。

“航天員”模型下半身人體測量

“航天員”受試者展示規定的肩部伸展范圍

前臂的負重區域彩色分布圖

骨架服裝主體

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

由于每次3D 掃描都會產生大量的點云數據，因此采用基于模板的非剛性配準和變形技術來創建相應的表面模型，并在所有掃描中保持相同的點對點關系。對個人形狀和姿勢變化之間的相關性進行統計建模，可以產生更廣泛的身體形狀。利用與航天服適體性相關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。

航天服模型發展

ABF目前同時開發了艙外機動裝置（EMU）3D模型、MarkⅢ航天服、Z2系列航天服、硬軟質組件綜合變形等4種航天服模型，打造了一個多元的航天服設計數據庫。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行定位，還可以模擬著服情況下在各種軸承和軟織物斷點處進行旋轉彎曲。目前，模型數據庫只針對艙外航天服。

統計生成的人體模型

EMU的HUT 航天服計算機輔助設計（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時，受試者從中立姿勢到頭頂伸展的肩部變形比較

真實的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公司開發的，這種模型采用硬上軀干(HUT)3D掃描和人工測量相結合，以及螺旋軸承的方式。真實的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連接，能夠模擬在人體測試期間航天服區域看到的活動類型。

旋轉連桿的設計是為了代表縱向約束線沿關節的一側，不能伸縮，但關節可以開放和關閉。除關節間的軸承之外，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據進行3D掃描，將這些數據轉換成了手臂和LTA的單獨網格對象。

（2）MarkⅢ航天服模型

與EMU一樣，MarkⅢ航天服的硬質部件也是Solidworks公司開發的，基于3D掃描和人工測量技術制造，其中，肩部回旋處是將實際機構配置與6-卷曲結構相匹配的肩旋模型。MarkⅢ航天服LTA包括1個可水平旋轉的腰部軸承和1個可前后移動的腰環樞軸關節和旋轉盤。堅硬的骨盆部分配有3個堅硬的髖關節支撐和大腿外展/內收旋轉部件，使其能夠行走和完成其他下半身任務（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構，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

內置肩部6-卷曲結構的MarkⅢ航天服上軀干

（3）Z2系列航天服模型

Z2系列航天服在構造上與MarkⅢ航天服有很多相似之處，具有背入式和旋轉式肩部設計。然而，Z2與EMU、MarkⅢ航天服的區別在于，它是在現代計算機輔助設計建模軟件問世之前設計出來的，因此有3D模型基礎。在此種情況下，研發人員將硬質組件的原始模型直接導入，形成了HUT、肩部部分的關節、手臂和腿部模型，通過結合使用3D激光掃描和實體建模，可以打造一個全面的關節航天服模型。

（4）硬、軟質組件綜合變形模型

骨架系統實質上是一系列起源于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組件(如：HUT和肩膀支承)和軟質組件(如：LTA和手臂)。每個骨骼的頭部和尾部與航天服上相應節段的旋轉中心一致。每個骨骼也被固定在x、y和z軸，以限制轉動的程度，模擬實際航天服中每節關節的機械活動范圍（ROM）。例如，控制肩旋環的骨骼只允許在連接銷的旋轉軸上彎曲，并且有活動范圍限制，以防止它們以機械上不可能的方式相互干擾。

與人體模型類似，軟質組件變形具有一定的局限性，因為在極端的姿勢下模擬逼真程度會大幅度降低。因此，未來的軟質組件建模將結合參數化建模技術來提高逼真程度。目前正在開發一種混合航天服模型，該模型將運動和模擬變形相結合，從而更好地體現著服執行任務時受到的約束和操作模式。

完整顯示內部骨架的EMU 3D模型

完整顯示內部骨架的MarkⅢ航天服模型

3 應用及用途

這些人-服模型應用廣泛，其在可達域、活動性和適體性方面的應用分析充分體現了實用性，通過這些模型可以了解航天服結構調整對著服乘員移動能力的潛在影響，進而改善航天服的設計。同時，因為航天員在執行艙外活動期間需要與空間站進行緊密聯系，這還將對空間站的設計產生一定的影響。

可達域方面

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，航天員著服后對人體的操作能力不可避免地產生一些限制。著服時航天員雙手可達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研究的重點。工作域包含可達域和可操作域。其中，可達域一般指著服人員通過所有可能的運動范圍移動伸展四肢時運動軌跡的包絡，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：肩部可達域可以被認為是一個圍繞肩關節中心球體的一部分，其半徑延伸到感興趣的末端執行器（如：肘部、手腕或手）。航天服模型的個別關節可以被鎖定，這樣它們就不會發生移動，并且可以增加運動限制的范圍來模擬現實的人體極限。

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。航天服工效學的一個基本內容是:解決航天服的姿態和活動性，計算各個關節活動時需要的力，從而減少航天員疲勞。航天服關節應活動靈活，其動力學性能應符合人體動力學要求。

在面向未來的行星任務時，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造在執行任務時的運動學變化。

例如，對于專為行星操作設計的EVA航天服來說，髖部的靈活性很重要。航天服要適應人類髖部復雜的活動范圍尤其困難。從“阿波羅”（Apollo）任務中航天員在月球上行走的錄像，可以明顯看出，航天服軟質材料的硬度嚴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、彎腰調整航天靴、跪下、坐下、俯臥-恢復站立、側步、爬梯子等活動，都被結合起來，并在不著服與著服條件之間進行了比較，因為這些可能會對未來的行星任務的受傷風險產生影響。

適體性方面

航天服無論在地面訓練使用，還是在太空使用，航天服外殼形態均應與人體體表形態和幾何尺寸相一致，并且人與服裝內表面具有預定的間隙（空氣層，過大過小會影響人體活動性能）、外殼的活動關節應與人體關節相適應。虛擬適體性評估是對航天服設計的適體性和績效的預測評估。評估可以在構建實際航天服或物理模型之前執行，從而大大減少迭代設計修改的時間和成本。人-服交互模型將能夠在每個關鍵維度上為特定的個體提供航天服適體性信息，開發容許相互作用力作為位置函數的準則。

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

除了航天服適體性預測之外，人-服交互模型還可以用于系列尺碼分析，對特定的航天服設計中不同的身型表現進行全面評估，并可以通過對設計參數的調整來研究其對群體模型的影響，進而通過開發優化的硬件解決方案來改善航天服設計，提高人體績效和人體測量適應能力。針對人體關節旋轉中心優化軸承類型、尺寸、方向和位置可以降低受傷風險，增加舒適度，并提高航天員的作業績效。

4 小結

準確有效的人-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進行的適體性檢查。近年來，人-服交互模型的研究重點是將參數化的人體模型與現有的航天服計算機輔助設計模型相結合，通過增加仿真度，改進先前基于線性人體測量學的人體建模。人與航天服之間的干擾探測映射也正在研究發展中，這將進一步加強人們對航天服適體性的認識。

隨著特定的航天服構造或設計中不同的身型范圍的擴展，可以得出更多的信息，并進行可達域等方面的評估。人-服建模是一項復雜的工作，并將隨著未來更先進的模型和技術的進步而不斷改進。