人-服交互模型发展综述

张园园 强静（中国航天员科研训练中心）

1 人-服交互模型概念

航天服是航天员开展舱外活动必不可少的防护装备。航天服不仅要为航天员提供基本的生命保障,还应具有很高的活动性能,保证航天员能有效完成各种舱外任务。航天员要进行大量的出舱活动训练，次佳的航天服设计会导致人体代偿，从而导致航天员身体不适，绩效下降，甚至受伤。通过优化人体关节中心的轴承类型、尺寸、方向和位置，将使航天员完成给定任务所需的补偿达到最小化，从而降低这些风险，但即便如此，也很难评估不同设计对乘员绩效的影响。目前，可通过光学运动捕捉系统评估着服人员的活动性和工作能力，但这仅能解释航天服的表面运动，并不能了解航天服内人体的活动性。光学运动传感器不能直观地跟踪航天服内的人体，航天服周围出现的金属部件会使惯性测量单元(IMUs)可靠性降低，现有的人机交互传感器在恶劣的航天服内环境中反应效率低下。除了上述这些困难，通过人在环路(HITL)系统测试来收集数据，不但具有挑战性，而且成本昂贵。此外，目前还没有非常好的方法来模拟人在不同重力环境下如何适应航天服。

为克服着服人员绩效评估的难点，美国国家航空航天局（NASA）约翰逊航天中心（JSC）的人体测量学和生物力学中心(ABF)正在开发形态学和运动学的人-服交互模型，用以评价航天服的适体性和灵活性。

人-服交互模型可以通过不同的动作重新定位和启动，用来预测潜在的航天服设计问题和功能限制，以及特定个体的航天服尺寸。其目标是开发一个预测模型，根据个人的人体测量尺码和航天服的设计特征，对运动幅度等绩效进行定量评估。

2 人-服交互模型发展

10年来，ABF中心一直致力于开发和改进各种计算机模拟的航天服和人体模型，以下介绍了其研发的动态人-服交互模型发展情况。

人体模型发展

人体模型是人-服交互建模的重要组成部分。为了确保人体模型的先进性且与实际经验相一致，NASA对多种商业建模工具进行了评价，并调研了诸如汽车等领域的最佳经验。此外，NASA获取的自1980年起所有候选航天员的基础数据，也为建模提供了身体尺寸和力量等极佳数据。如今，研究人员利用身体扫描仪之类的工具就可以获取全身的数字影像，这种影像可以用软件和高速摄像机进行测量和处理，它可以实时提供身体所处的位置，通过力量传感器测量人施加的或被施加的力量大小，量化航天服设计对移动范围和受力的影响。

人体模型开发的第一阶段，ABF构建了一个从航天员和测试对象在不同姿态下的线性人体测量和3D立体扫描数据，可以用于预测评估。尽管该数据库包含了大量不同人体姿势的扫描数据，但有时可能需要数据库中缺少的独特姿势或特定体形，这就需要对人体模型进行姿态调整，生成不同的身体形状，并为虚拟航天服设计和适体性评价进行群体分析。美国Solidworks公司初步开发了3D人体模型，通过3D扫描使用线性人体测量打造一个原始形状“骨架”。这些“航天员”可以代表人体测量的任何组合，其活动度可以由动画进行演示，但其缺乏人体组织的压缩性，且难以操纵。此外，这些形状并没有准确地描绘出人体的真实体积和曲率。

人体模型开发的第二阶段是将真实的3D扫描与3D建模环境相结合，以提高其实用性，并在航天服适体性方面达到更真实水平。2017年，美国Blender基金会引入了3D扫描技术，这种技术将骨架应用到网格上，以便能够动态地调整受试者的姿势。当操纵骨架时，与骨架相关的顶点发生了平移，位移量是根据权重计算的，这将最终引起身体对应骨架关节产生变形。

“航天员”模型下半身人体测量

“航天员”受试者展示规定的肩部伸展范围

前臂的负重区域彩色分布图

骨架服装主体

以这种方式重新定位骨架，对于一些较小调整的效果很明显，但却不能准确地量化解剖学上独特的皮肤变形或肌肉膨胀，特别是在复杂关节的极端位置（如肩部）。对于不依赖于精确身体变形的基本运动范围评估来说，这不是主要问题，但对于服装与身体的接触评估来说，这是至关重要的。此外，虽然该数据库涵盖了大量的人体测量值，但它并不能代表当前和未来的所有航天员人群，那么如何对数据库中不存在的人体体型进行航天服评价（例如：非常高大或非常矮小），为了解决这些问题，Blender基金会开发了一项新技术，基于3D扫描创建一个人体统计参数模型，以便更好地模拟皮肤变形。

由于每次3D 扫描都会产生大量的点云数据，因此采用基于模板的非刚性配准和变形技术来创建相应的表面模型，并在所有扫描中保持相同的点对点关系。对个人形状和姿势变化之间的相关性进行统计建模，可以产生更广泛的身体形状。利用与航天服适体性相关的临界人体测量尺寸（例如：身高和肩宽尺寸），可以生成具有这些临界尺寸的各种近似身体形状。

航天服模型发展

ABF目前同时开发了舱外机动装置（EMU）3D模型、MarkⅢ航天服、Z2系列航天服、硬软质组件综合变形等4种航天服模型，打造了一个多元的航天服设计数据库。这些航天服模型不仅可以在3D空间按照使用者的身体形状进行定位，还可以模拟着服情况下在各种轴承和软织物断点处进行旋转弯曲。目前，模型数据库只针对舱外航天服。

统计生成的人体模型

EMU的HUT 航天服计算机辅助设计（CAD）模型

3D扫描与EMU的HUT建模对比图

手腕被约束到同一个目标时，受试者从中立姿势到头顶伸展的肩部变形比较

真实的EMU肩部（左）与3-旋肩（右）对比图，圈出来的为约束线

（1）EMU 3D模型

EMU 3D模型是由Solidworks公司开发的，这种模型采用硬上躯干(HUT)3D扫描和人工测量相结合，以及螺旋轴承的方式。真实的EMU肩部完全由软织物制成，除了肩胛骨和上臂承重部分外，还有两条沿着肩部回旋线的织物约束线。在这个模型中，在这两个轴承之间增加了一个旋转连接，能够模拟在人体测试期间航天服区域看到的活动类型。

旋转连杆的设计是为了代表纵向约束线沿关节的一侧，不能伸缩，但关节可以开放和关闭。除关节间的轴承之外，EMU小臂和下躯干组件（LTA）完全由软材料组成。Blender模型增加了航天服的这些部分，通过捕获完整的纹理和对颜色数据进行3D扫描，将这些数据转换成了手臂和LTA的单独网格对象。

（2）MarkⅢ航天服模型

与EMU一样，MarkⅢ航天服的硬质部件也是Solidworks公司开发的，基于3D扫描和人工测量技术制造，其中，肩部回旋处是将实际机构配置与6-卷曲结构相匹配的肩旋模型。MarkⅢ航天服LTA包括1个可水平旋转的腰部轴承和1个可前后移动的腰环枢轴关节和旋转盘。坚硬的骨盆部分配有3个坚硬的髋关节支撑和大腿外展/内收旋转部件，使其能够行走和完成其他下半身任务（例如：弯腰捡起物体）。Blender基金会引入硬物几何模型后，将组成小臂和小腿的软物组件模拟成简单的管状结构，并配以普通的靴子和手套。

3D扫描与MarkⅢ航天服HUT建模对比图

内置肩部6-卷曲结构的MarkⅢ航天服上躯干

（3）Z2系列航天服模型

Z2系列航天服在构造上与MarkⅢ航天服有很多相似之处，具有背入式和旋转式肩部设计。然而，Z2与EMU、MarkⅢ航天服的区别在于，它是在现代计算机辅助设计建模软件问世之前设计出来的，因此有3D模型基础。在此种情况下，研发人员将硬质组件的原始模型直接导入，形成了HUT、肩部部分的关节、手臂和腿部模型，通过结合使用3D激光扫描和实体建模，可以打造一个全面的关节航天服模型。

（4）硬、软质组件综合变形模型

骨架系统实质上是一系列起源于HUT并向外延伸到手臂和腿部的系列骨架。它同时控制航天服的硬质组件(如：HUT和肩膀支承)和软质组件(如：LTA和手臂)。每个骨骼的头部和尾部与航天服上相应节段的旋转中心一致。每个骨骼也被固定在x、y和z轴，以限制转动的程度，模拟实际航天服中每节关节的机械活动范围（ROM）。例如，控制肩旋环的骨骼只允许在连接销的旋转轴上弯曲，并且有活动范围限制，以防止它们以机械上不可能的方式相互干扰。

与人体模型类似，软质组件变形具有一定的局限性，因为在极端的姿势下模拟逼真程度会大幅度降低。因此，未来的软质组件建模将结合参数化建模技术来提高逼真程度。目前正在开发一种混合航天服模型，该模型将运动和模拟变形相结合，从而更好地体现着服执行任务时受到的约束和操作模式。

完整显示内部骨架的EMU 3D模型

完整显示内部骨架的MarkⅢ航天服模型

3 应用及用途

这些人-服模型应用广泛，其在可达域、活动性和适体性方面的应用分析充分体现了实用性，通过这些模型可以了解航天服结构调整对着服乘员移动能力的潜在影响，进而改善航天服的设计。同时，因为航天员在执行舱外活动期间需要与空间站进行紧密联系，这还将对空间站的设计产生一定的影响。

可达域方面

由于舱外航天服一般采用很多刚性材料制造，以提供足够的保护，航天员着服后对人体的操作能力不可避免地产生一些限制。着服时航天员双手可达到和可操作范围与不着服时并不相同。所以，航天服的工作域是航天服工效学研究的重点。工作域包含可达域和可操作域。其中，可达域一般指着服人员通过所有可能的运动范围移动伸展四肢时运动轨迹的包络，可以左右航天服活动范围的一种度量方式，也是衡量航天服在肩部和髋部移动能力的有效方法。

例如：肩部可达域可以被认为是一个围绕肩关节中心球体的一部分，其半径延伸到感兴趣的末端执行器（如：肘部、手腕或手）。航天服模型的个别关节可以被锁定，这样它们就不会发生移动，并且可以增加运动限制的范围来模拟现实的人体极限。

活动性方面

航天员要有效地完成各种舱外活动，这要求航天服必须要有很好的活动性，那就必须考虑航天服的工效学。航天服工效学的一个基本内容是:解决航天服的姿态和活动性，计算各个关节活动时需要的力，从而减少航天员疲劳。航天服关节应活动灵活，其动力学性能应符合人体动力学要求。

在面向未来的行星任务时，航天服活动性显得格外重要。行星航天服的重要功能包括行走、在地面上下移动，以及弯腰捡取物件等。这些活动都可以通过模型动画演示出不同的航天服构造在执行任务时的运动学变化。

例如，对于专为行星操作设计的EVA航天服来说，髋部的灵活性很重要。航天服要适应人类髋部复杂的活动范围尤其困难。从“阿波罗”（Apollo）任务中航天员在月球上行走的录像，可以明显看出，航天服软质材料的硬度严重限制了髋部的弯曲和外展。先前研究受试者的动作捕捉，包括操控货物、弯腰调整航天靴、跪下、坐下、俯卧-恢复站立、侧步、爬梯子等活动，都被结合起来，并在不着服与着服条件之间进行了比较，因为这些可能会对未来的行星任务的受伤风险产生影响。

适体性方面

航天服无论在地面训练使用，还是在太空使用，航天服外壳形态均应与人体体表形态和几何尺寸相一致，并且人与服装内表面具有预定的间隙（空气层，过大过小会影响人体活动性能）、外壳的活动关节应与人体关节相适应。虚拟适体性评估是对航天服设计的适体性和绩效的预测评估。评估可以在构建实际航天服或物理模型之前执行，从而大大减少迭代设计修改的时间和成本。人-服交互模型将能够在每个关键维度上为特定的个体提供航天服适体性信息，开发容许相互作用力作为位置函数的准则。

例如，在HUT适体性评估中,可以开展航天服躯干内的皮肤承压能力和服装整体适体性对EVA绩效的影响研究，这些研究结果将应用于提高人和航天服模型之间的相互作用。此外，通过统计建模的方法来提高软质材料的逼真度，可以更好地体现不同运动范围内航天服手臂和腿部的形状变化。

除了航天服适体性预测之外，人-服交互模型还可以用于系列尺码分析，对特定的航天服设计中不同的身型表现进行全面评估，并可以通过对设计参数的调整来研究其对群体模型的影响，进而通过开发优化的硬件解决方案来改善航天服设计，提高人体绩效和人体测量适应能力。针对人体关节旋转中心优化轴承类型、尺寸、方向和位置可以降低受伤风险，增加舒适度，并提高航天员的作业绩效。

4 小结

准确有效的人-服交互模型可以减少为了获得可接受的航天服适体性而必须反复进行的适体性检查。近年来，人-服交互模型的研究重点是将参数化的人体模型与现有的航天服计算机辅助设计模型相结合，通过增加仿真度，改进先前基于线性人体测量学的人体建模。人与航天服之间的干扰探测映射也正在研究发展中，这将进一步加强人们对航天服适体性的认识。

随着特定的航天服构造或设计中不同的身型范围的扩展，可以得出更多的信息，并进行可达域等方面的评估。人-服建模是一项复杂的工作，并将随着未来更先进的模型和技术的进步而不断改进。