基于微重力模擬實驗的在軌維修時間預計修正方法

李 語，周 棟*，宋子騁，郭子玥，康子旭，帥松良，趙軒毅

（1.可靠性與環境工程技術國防科技重點實驗室； 2.北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院；3.虛擬現實技術與系統國家重點實驗室； 4.北京航空航天大學 計算機學院：北京 100191）

0 引言

2022 年11 月29 日，“神舟十五號”載人飛船的成功發射，標志著中國空間站的建設進入收官階段。3 位航天員將在軌工作生活6 個月，在此期間不僅要完成各項科研任務，還需要進行空間站的日常維護和在軌維修。

在軌維修是提高載人航天器使用壽命，使系統在壽命周期內保持高可靠性的必要手段[1]。目前，在軌維修主要有艙內（intravehicular activity, IVA）、艙外（extravehicular activity, EVA）和艙外機械臂（extravehicular robotics, EVR）3 種方式[2]。“和平號”空間站在軌運行15 年間，航天員有75%的工作時間用于在軌維修[3]。在國際空間站建造和運營期間，艙內維修總時長約2536 人·時，艙外維修總時長約421 人·時，相當于航天員每個工作日的維修時長為1.9 h，非工作日的維修時長為1.8 h[4-5]。對于即將完成建設的中國空間站而言，在軌維修已成為駐站航天員必須執行的日常任務。若在軌維修時間過長，不僅會消耗航天員的體力及精力，也會影響到其他科研任務的按時順利開展。同時，在軌維修需要相應的維修保障資源支持，而空間站內空間有限，必須準確地度量及預計在軌維修時間，以便提前運送所必須的維修保障資源，并在特定的發射周期內安排適當的在軌維修任務。

目前，在軌維修時間預計方法主要有基于經驗和基于動作分配2 種[4]?；诮涷灥脑谲壘S修時間預計方法主要以地面維修時間為基準，對于相同或者相似的維修任務，空間站中在軌維修時間會以地面維修時間的2 倍來粗略估算。顯然，這種方法僅基于簡化的經驗假設，并未考慮在軌維修和地面維修的具體差別，對維修時間的預估不準確?；趧幼鞣峙涞脑谲壘S修時間預計方法是以人為規定的維修時間為標準，通過已知數據來預計每天的維修時間。但是，這種基于已知數據而人為規定的維修時間可能受到個人經驗、技能水平、工作效率等主觀因素的影響，并且不能對不同的維修任務和單個的維修任務時間進行預計。此外，這2 種方法都忽略了微重力環境對在軌維修時間的重要影響，無法全面體現微重力環境對航天員生理、認知和維修視覺可達性的影響。

基于上述現有在軌維修時間預計方法存在的問題，本文借鑒地面上的動作時間方法思路[6-7]，提出一種在軌維修時間預計修正方法，利用中性浮力水槽模擬微重力環境的特點，對在軌維修基準動作時間進行修正，既可以建立在軌維修操作基本動作的時間標準數據，也能為未來維修任務的時間預計提供參考。

1 微重力下的維修動作

空間站的維修任務主要包括檢查和監視、日常維護和應急反應3 大類[8]，參見表1。航天員進行艙內維修的時間超過40 h/月，其中日常檢測時間在12 h/月以上，包括檢測艙內空氣質量、光線、聲音級別和視頻安全等；同時必須應對緊急情況，包括發現和維修泄漏、可燃物等?？臻g站上有多臺攝像機承擔觀察和監視等任務[9]，而維修人員必須手動擺放攝像機鏡頭的位置。

表1 空間站維修任務Table 1 Space station maintenance missions

航天員是維修活動的主體和核心，微重力環境對人體生理、認知和維修視覺可達性的影響會導致航天員的身體形態、操作能力、肌肉力量以及認知決策的改變，例如微重力環境會使維修人員力量下降，從而無法長時間從事需要較大力量的工作，且會導致航天員的信息處理機制（觸覺、痛覺、視覺等）接受、處理和反應速度減慢，限制其在短時間內處理多任務和突發事件的能力，也不適宜航天員長時間集中注意力或持續進行無法中斷的工作。綜上，微重力環境的影響使得航天員在軌維修活動與地面上的維修操作存在明顯差異，需要考慮這些影響因素來制定適合微重力環境下的維修動作分類和時間標準，以提高在軌維修時間預計的準確度。

1.1 微重力下維修動作過程

一般來說，一個完整的維修過程分為人體移動過程、維修姿態調整過程和維修操作過程（圖1），包括很多子維修任務，如接近維修目標、檢測隔離、更換等。這些任務不僅包含維修人員的維修活動，還包含維修人員不能控制的時間，如隔離時間。從本質上講，維修活動是由一連串的動作組成的，可以利用動作時間方法的原則將這些動作分解成一些基本的動作單元。

圖1 維修過程分解Fig.1 Decomposition of maintenance process

在實際飛行任務中，航天員主要有2 種運動狀態，即：有約束或支撐的運動狀態，比如被座椅和腳限位器束縛、用繩索固定雙腿或用手扶住扶手等；無約束無支撐的自由漂浮狀態[10]。本文只討論艙內、有約束或支撐的航天員維修動作和行為。

1.2 微重力下維修動作分解

微重力下維修動作包括維修人員的移動、姿勢調整和維修操作（徒手或使用工具），如圖2 所示?？紤]到在微重力環境下，維修人員必須先固定住自己才能執行維修動作，因此在空間站微重力環境下要花費大量的時間進行維修姿態調節，先從漂浮姿態調整為中性姿態，再從中性姿態轉換到用限位器和固定繩固定身體的維修姿態。

圖2 微重力下維修動作分解Fig.2 Decomposition of maintenance actions in microgravity

通過對航天員實際在艙內的維修操作進行分析，建立了8 類維修運動模型，分別是艙內軸向運動、艙內橫向運動、艙內爬行、艙間物品轉移、艙內物品轉移、航天員手部操作維修工具、插拔電連接器和撥動開關。表2 對航天員有約束的動作姿態進行了總結，其中最為常見的有約束維修姿態是身體固定住、上肢做動作，一般的維修拆裝、插拔電纜和檢測調試都采用的是這種動作姿態。

表2 有約束的動作姿態Table 2 Constrained action postures

2 在軌可修系統維修時間預計修正方法

2.1 動作時間方法

動作時間方法是通過對具有普遍和代表性的動作進行動素分解，利用對于動作的影片分析和時間研究，得到最基本的動作單元時間。這種基準動作時間可以作為時間消耗的標準，包括了幾乎所有的人體形態動作時間。動作時間方法使得可以不用額外的觀測和測定時間，直接根據作業過程進行動作分解，然后查表得到每個動作對應的時間，再經過簡單的累加即可得到完成該作業所需的時間[11]。

目前動作時間方法已被廣泛應用在航空航天、制造業和其他領域的維修時間預測中，如Chen等[12]提出了一種考慮維修行動要素（maintenance action elements, MAEs）和模塊化預定時間標準（modular arrangement of predetermined time standards,MODAPTS）的維修時間估計方法，通過將維修任務分解為不同的基本單元進行初步的時間估計，并分析了MAEs 與維修性之間的關聯關系，以彌補人、機器和環境之間交互所需的額外時間。

人機工效學的研究表明，動作速度過快會導致能量消耗高，人容易疲勞；而動作速度太慢，能耗也會加快[13-14]。動作時間方法旨在以能耗最低的速度作為基準動作的速度，得到每個基準動作的時間。

一個維修任務包含多個維修活動，分別對應不同的維修動作和動素。如圖3 所示，一段維修任務被分為任務層、作業單元層、動作單元層和動作元素層4 層。其中，動作元素層中的基本動作是最為重要的，每一段維修任務都可以這樣被分解成許多個動作元素[12]。本文的研究目的就是要測定出微重力下基本動作元素的標準時間。

圖3 維修任務分解Fig.3 Decomposition of maintenance tasks

動作分析的基準時間單位因預定時間標準的類別不同而不同，例如，工作因素動作時間標準采用0.006 s 作為時間單位；MTM 標準采用0.036 s 作為時間單位；模特法采用1MOD=0.129 s 作為時間單位。本文主要基于關節運動來建立微重力下的動作時間準則。

2.2 基于關節運動的維修時間預計修正方法

2.2.1 動作的時間因素

目前已有的動作時間方法忽視了影響動作時間的關鍵因素——微重力，因此并不適用于空間站中的維修時間度量。在進行動作分析時，動作的時間會受到很多不確定因素的影響，首先要明確微重力下影響動作時間的變量以確定維修基本動素的時間。下面列出3 種決定動作時間的主要因素。

1）執行動作的人體部位

由于人體活動部位的功能和構造不同，所以不同部位的動作速度也不同。在維修操作中，手部、手臂和身體其他部位的動作速度明顯不同。本文主要研究的是維修操作中應用最多的手部動作。

2）動作距離

對于一些以關節為旋轉支點的活動，活動距離越大對應的關節活動角度就越大，繞著關節活動相當于做圓弧運動。動作距離的測定以基準點的軌跡為依據，表3 是身體各活動部位動作距離的測定基準點。

表3 人體活動部位測定基準點Table 3 Reference point for measurement of human body moving parts

3）微重力

相比于地面上動作時的重力和阻力，微重力對于關節動作的影響較小，但會使航天員肌肉力量退化、骨量丟失，并且微重力對維修動作的影響反映在使人的認知、動作延遲，在模擬實驗測定之后要加上相應的延遲時間，才能得到適用于空間站的動作基準時間。

2.2.2 動作時間公式

艙內基本維修作業時間包括維修人員的移動、姿態的調整以及上肢/手部操作等。其中手部的操作最為復雜，其動作會并行地進行，各個關節協調控制動作完成。維修任務的時間T采用累計時間方法進行計算，串行作業的維修時間等于串聯的基本維修動作作業單元時間的累加值，并行作業維修時間為各項并行動作中單元作業時間的最大值，即

式中：ti為該維修任務中第i項維修動作的時間；m為每項維修任務中并行動作的總數；n為總的維修動作步數。

微重力下的維修動作可以分為以下3 類：

1）移動類。微重力下的移動時間為

式中：s為維修人員到維修地點的距離；v為空間站中維修人員漂浮移動的平均速度。

2）姿態調整類。維修人員在微重力下進行維修時，必須手握艙壁上的扶手、使用腳限制器或者用固定繩索固定住身體，因此需要有額外的姿態調整時間。例如維修人員可能是橫向漂移到達維修目標的位置，為了穩定身體并保持相對于維修目標的位置，維修人員通常會利用固定裝置，以從橫向漂移姿態調整為穩定的中性姿態。這些額外的姿態調整步驟也是微重力下維修動作的關鍵部分。微重力下維修姿態調整的總結見表4。

表4 微重力下維修姿態調整Table 4 Maintenance posture adjustment in microgravity

3）手部維修操作類。對于手部的維修動作不能簡單地利用動作距離來度量動作時間，因為手部動作隨機性大、動作數量多、運動關節多且呈曲線，不適合簡單利用原來的時間比率來計算。從人體關節的單調操作運動的級別得到：手指關節、腕關節、肘關節和肩關節的靈活度依次逐漸下降，它們對應的關節自由度在相同變化時耗費的時間依次增加；再結合關節運動角度范圍，可以確定4 種不同的基礎動作級別。微重力不會影響關節旋轉角度的大小，并且各個關節的旋轉角度是一定的。

在維修操作過程中，4 個關節會一起協調控制整個操作活動，結合參與關節動作的節段將單調操作運動分為大臂、小臂、手掌和手指4 個級別。每個節段以其關節點為原點做旋轉運動，每個關節在一定的旋轉角度范圍內活動。表5 為動作過程中各個關節的活動類型和活動角度。

表5 各關節活動類型和角度Table 5 Types and angles of joint movements

以虛擬仿真軟件DIAMIL 中虛擬人物的肩關節動作為示意，展示肩關節對應的3 種不同的姿態變化，如圖4 所示。

圖4 肩關節姿態變化Fig.4 Posture changes of shoulder joint

在操作過程中，動作過程一般是以某個關節為核心進行，因為手臂的特殊關聯結構，其他的關節部位也會隨之動作，不過動作的幅度偏小，但會對動作的基準時間計算帶來干擾。模特法中把這種過程稱為并行動作，在計算動作時間時取較短的時間作為時間單元計算，但這樣的計算方法缺乏準確度。對于這類動作時間的計算，首先需要確定動作的基準位置，然后給出基準動作時間單元。因此，在確定基準動作時間實驗之前，需要給出各個操作部位的分類確定方法[15]。

首先，計算圓心角弧長

參照模特法的研究思路，可以把手部動作分為4 種：

1）指關節動作M1，以指關節為坐標中心，手指繞指關節屈曲和外展；

2）腕關節動作M2，以手腕關節為坐標中心，包括整個手掌的動作；

3）肘關節動作M3，以肘關節作為坐標中心，包括前臂、手掌和手指的動作；

4）肩關節動作M4，以肩關節為坐標中心，包括整個上臂的動作，其他關節可以小范圍動作。

根據每個關節測定基準點（見表3）的移動范圍來確定關節動作的判斷指標，結合之前的研究對于各關節的活動角度與旋轉角度的轉化公式[16]為

式中θ為以關節為中心點的旋轉角度。最終計算出肩關節、肘關節、腕關節和手指關節的活動角度范圍和各關節動作時指尖活動的距離，各個關節的判定標準如下：

4.好題。有的題包含了很多解題思路和數學思維，比如一題多解的題、有巧妙解法的題等，都可以算作好題，這類題，如果老師經常強調，或者對自己而言是很不錯的題，也可以摘錄進去。

指關節的活動判定標準為

腕關節的活動判定標準為

肘關節的活動判定標準為

肩關節的活動判定標準為

根據每個關節動作的判定標準，通過模擬實驗來確定每個關節部位的單調動作時間tMOMi，將確定的tMOMi累加即可得到操作運動的時間

3 模擬實驗

3.1 模擬實驗設計

目前，在地面上模擬微重力環境的方法主要有失重飛機、懸吊及水下浮力3 種。失重飛機是通過做短暫的拋物線飛行來獲得失重；懸吊模擬是施加一個與重力方向相反的力來獲得失重；水下浮力是通過在水下對人員和服裝實施配重，使得人所受浮力和自身重力抵消達到平衡，可以有效模擬航天員在太空失重狀態下的維修操作[16]。美國、俄羅斯、中國和歐盟等都建有中性浮力水槽來模擬微重力，中性浮力地面模擬允許人員直接參與，實驗條件與空間真實環境條件幾乎相同，參與人員感受直觀，并且可進行長時間試驗，因此得到廣泛的應用。考慮實驗室的條件，利用中性浮力水槽來模擬微重力開展動作時間測定較為妥當。

微重力下的3 大類維修動作（人體移動、姿態調整和手部維修操作）中，手部維修操作是最為頻繁和復雜的。對于手部的動作實驗主要分為手指繞指關節的移動、手掌繞著腕關節的移動、小臂繞著肘關節的移動和大臂繞著肩關節的移動?？紤]到中性浮力水槽中動作的可行性，本文對于人體移動和姿態調整動作只是給出實驗思路和計算方法，水下模擬實驗只針對手部的關節動作進行基準時間測定。

3.1.1 實驗人員

實驗人員根據中國航天員人體形態參數測量結果選取，即身高在1.67～1.76 m 之間的在校大學生5 人。具體參加本實驗人員的身體各部位信息如表6 所示。

表6 實驗人員身體各部位數據統計Table 6 Experimenters’ body part statistics單位：cm

3.1.2 實驗器材

實驗的中性浮力水槽采用的是標準游泳池，為安全考慮，只在水深1.2 m 和1.5 m 的區域完成動作。其他實驗器材包括刻度尺、秒表、水下攝影機、防水袋、基本的游泳裝備以及基本的維修工具。其中維修工具（見圖5）均使用塑料制品模擬，材質密度和水一致，從而抵消工具自身的重力以達到更加接近微重力下使用的效果。

圖5 模擬維修工具Fig.5 Tools to simulate maintenance

3.1.3 實驗過程

動作實驗的主體思路是要讓手部操作的基本動作單元在微重力環境下進行，因此實驗時手部要完全浸泡在水中；動作要遵守最低能耗原則，平穩勻速。當測定關節動作的基準時間時，實驗人員在不使用任何工具的情況下獨立進行關節動作；同時要做到關節的角度和移動范圍合理，滿足2.2.2 節中規定的關節動作要求。

實驗人員每個關節動作連續進行5 組并記錄動作時間，即每個關節（5 名實驗者）的動作時間共有25 個記錄值。包括指關節動作、腕關節動作、肘關節動作、肩關節動作。

3.2 實驗數據處理

將所有實驗人員的動作時間數據進行匯總，統計極值及極差，并對所有相同關節的動作時間數據計算5%、50%、95%分位數以及平均值、標準差，計算腕、肘、肩關節與手指關節動作時間的相關系數，如表7 所示。從表中可以看到，關節靈活度的規律在微重力下和地面上有相同的特性，即指關節、腕關節、肘關節和肩關節的靈活度依次下降，動作需要時間依次增加。指關節和腕關節的動作時間的穩定性最好；而肩關節的動作幅度較大，因此動作時間較為分散。由指關節與腕關節、肘關節和肩關節的動作時間相關系數可知，微重力下的關節動作時間與指關節動作時間沒有明顯的相關性，即微重力導致了地面上相互關聯的關節動作之間的解耦，因此地面上的動作時間方法并不適用于微重力環境下，需要對每個關節動作進行基準時間測量。

表7 微重力下動作時間數據分析Table 7 Data analysis of action time in micrograrity

將所有數據繪制成散點圖（如圖6 所示），可以看到，不同的關節動作時間具有明顯的差別，有很好的區分度，可以取每個關節各自的動作時間平均值作為微重力下的標準動作時間數據。

圖6 各個關節動作時間分布散點圖Fig.6 Scatterplot of time distribution of joints’ actions

因此，以每個關節25 組動作時間數據的平均值作為標準時間，即

其中，tMOM1～tMOM4依次為指關節、腕關節、肘關節和肩關節動作時間。

3.3 模擬實驗驗證

為了驗證水下實驗得到的關節動作標準時間的準確性，需要進一步的維修活動實驗。本次驗證實驗的內容為在水中拆卸1 個螺母，該維修過程主要集中在手部的操作，不涉及維修人員的移動和姿態調整。實驗過程動作流程分析細節如下：

1）動作1——手握著維修工具，肩關節和肘關節一起帶動手接近待拆卸螺母；

2）動作2——工具套上螺母后，以肘關節為中心進行旋轉動作，其他關節基本保持不變狀態，旋轉1 周；

3）動作3——待螺母松動后，直接用食指和大拇指擰下螺母。

這一整段的維修時間從肩關節開始移動到螺母完全被擰下結束，視頻記錄時間從00:00:14 到00:00:42，即維修操作時間為28 s。分別將地面上的模特法計算方法和本文提出的改進的動作方法與實驗記錄的維修操作時間對比，具體數據見表8。

表8 維修時間計算數據Table 8 Maintenance time calculation

利用式(9)計算得到的基于模擬實驗動作時間方法的維修時間為T總=tMOM4+10tMOM3+5tMOM1=26.12 s；地面上的模特法計算，T總=5MOD+10×6MOD+5×MOD=70MOD=9.03 s，再根據工程經驗乘以2 倍，得到維修時間為18.06 s?？梢钥闯觯孛嫔系哪Ｌ胤ㄓ嬎愠龅木S修時間與真實值差異較大，本文提出的改進的動作方法的計算結果更加接近真實值，具有一定的參考價值。

4 在軌基準時間修正

目前，根據模擬實驗已經得到模擬微重力下的基準動作時間。以關節的活動角度和移動范圍來確定主動關節的方法能更加準確地測定維修任務時間。但是，水下的微重力和空間站的微重力環境仍存在較大差異，主要體現在：

1）人在水中動作時水平方向存在阻力，而空間微重力下沒有。

2）長期的空間站環境下，航天員的協調運動能力和空間識別能力會受到影響。

3）長期在軌飛行使航天員對于各類信號的反應時間延長，NASA 已有研究給出的定量數據為：聲信號反應時間延長100 ms，視覺反應時間延長120 ms，選擇反應時間延長1 s。

這些都無法在地面的中性浮力水槽中準確地模擬出來，不過，對于在軌的基準動作時間，可以認定水中阻力造成的速度減慢和航天員的生理變化帶來的動作延遲對于動作時間的影響都是很小的，且互為正負，在計算時可以一起忽略掉。因此，空間站中以關節為節點的動作時間可以認定為模擬實驗得到的時間加上視覺、選擇反應延長的時間。

基于上述分析，可以得到空間站中以關節來區分的指關節、腕關節、肘關節和肩關節的基準動作時間單元為實驗測定的關節動作基準時間的平均值（如式(10)所示）加上由于微重力造成的延遲時間1.22 s，即

其中：tMOMf為指關節動作基準時間；tMOMw為腕關節動作的基準時間；tMOMe為肘關節動作的基準時間；tMOMs為肩關節動作的基準時間，并且都滿足2.2.2 節中的動作范圍。

5 結束語

本文提出了一種修正的在軌維修時間預計方法，利用中性浮力水槽模擬空間微重力環境，通過模擬實驗測定了手部多個關節的維修動作基準時間，對地面上常用的動作時間方法進行修正，并通過實驗對方法的準確性進行了驗證，最終確定了修正的在軌維修基準動作時間。

本方法的重點在于，通過模擬實驗在已有預計方法上引入微重力對維修時間的影響，考慮了在軌維修任務的具體環境，可以為實際的空間站維修活動提供更準確的時間預計結果。同時，本方法確定的在軌維修基準動作時間可以為空間站的維修性設計和改進空間站的在軌維修流程提供參考。