馬 超，劉玉慶，朱秀慶，安 明，周伯河，陳善廣，2*

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

·基礎(chǔ)研究·

模擬失重條件下航天員旋轉(zhuǎn)運動方法實驗驗證

馬 超1，劉玉慶1，朱秀慶1，安 明1，周伯河1，陳善廣1，2*

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

航天員太空飛行中，需要改變自身位置與朝向以完成不同的作業(yè)任務(wù)，當(dāng)其無法觸碰到手腳限制器等借助物時，會涉及通過自身動作的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生人體旋轉(zhuǎn)的問題。為此，首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人體動力學(xué)方程，據(jù)此提出能夠使得人體轉(zhuǎn)動的肢體操作方法，然后采用懸吊法模擬太空失重環(huán)境，對比不同控制方法產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)作用效果，發(fā)現(xiàn)肢體旋轉(zhuǎn)時與身體的夾角和肢體旋轉(zhuǎn)速度是影響人體旋轉(zhuǎn)完成時間和關(guān)節(jié)力矩的主要因素，最后結(jié)合推薦動作與實驗結(jié)果提出空間姿態(tài)變換運動的操作建議。結(jié)果表明本文推薦動作有一定的優(yōu)越性，對航天員處于太空中的自旋轉(zhuǎn)運動具有實用意義。

航天員；模擬失重；人體自旋運動；控制策略

1 引言

隨著載人航天工程的發(fā)展，航天員處于太空艙中的活動空間將變得更大。當(dāng)航天員進行艙內(nèi)作業(yè)時，會出現(xiàn)人體無法借助外力的情況，此時要產(chǎn)生人體方向的改變，需要掌握自身姿態(tài)調(diào)節(jié)方法；當(dāng)航天員進行艙外活動時，其與母航天器分離，若艙外服推進器某方向控制器發(fā)生故障，則返回到母航天器內(nèi)需要兩步，首先調(diào)整自身姿態(tài)直到面向正確的方向，然后借助方向完好的推進器使處于艙外的航天員返回到母航天器。太空特殊的失重環(huán)境會對人體感知及肌肉運動性能產(chǎn)生影響，地面上簡單的動作此時變得困難［1］，因此研究航天員太空自旋運動策略，對其在太空中的姿態(tài)調(diào)整有重大意義。

美國麻省理工學(xué)院的Newman等人為了計算航天員在軌飛行時對飛行器的擾動，借助測力與動量的加強型動態(tài)負(fù)載感應(yīng)器來分析其在軌運行時的艙內(nèi)活動［2］，結(jié)果顯示航天員日常的艙內(nèi)活動不會對飛行器產(chǎn)生擾動。Philip［3］采用美國國家航空航天局約翰遜中心的中性浮力水槽實驗室對航天員的控制策略進行了研究，水中活動受限少，人體可通過配平配重實現(xiàn)運動，但水的粘性對人體肢體運動產(chǎn)生了較大的粘滯阻力，不利于優(yōu)化人體運動策略的目的［4］。Stirling［5］等人同樣對地面模擬失重下人體的運動策略進行了研究，結(jié)果顯示訓(xùn)練過的受試者比沒有訓(xùn)練過的受試者更容易完成身體的旋轉(zhuǎn)，動作合理性問題需要更進一步討論。季白樺等研究了失重狀態(tài)下的人體動力學(xué)方程［6］，給出了航天員通過雙腿的圓錐擺運動來改變其自身姿態(tài)的方法，進行了計算機仿真，但缺少實驗的驗證。

本文的研究對象為復(fù)雜人體，具有誤差大、穩(wěn)定性低、主觀能動性大的特點，結(jié)合未來我國航天員太空作業(yè)時無外力狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)定向的需要，采用懸吊系統(tǒng)模擬空間失重環(huán)境，驗證肢體運動產(chǎn)生身體旋轉(zhuǎn)的可行性，通過實驗數(shù)據(jù)的分析，研究影響人體旋轉(zhuǎn)效果的因素，提出更適合于航天員快速高效調(diào)節(jié)身體姿態(tài)的策略。

2 人體空間運動策略

將人體簡化為一個多剛體系統(tǒng)，由骨骼、肌肉、皮膚等組合而成，采用Hanavan人體模型［7］將人體分為15個體段，各體段近似為剛體，體段間的關(guān)節(jié)看作鉸連接，相互間有旋轉(zhuǎn)自由度，肢體間相對運動遵循動量矩守恒定理。設(shè)多剛體系統(tǒng)由15個剛體Bi（i=1，2，…，15）組成，各剛體相對人體總質(zhì)心C的動量矩［8］如式（1）所示。

式中，Ji、ωi代表體段i相對體段坐標(biāo)系原點的轉(zhuǎn)動慣量與角速度，m代表體段質(zhì)量，ρi是體段質(zhì)心到體段坐標(biāo)系原點的距離，rC為體段坐標(biāo)系原點到人體總質(zhì)心的距離，約定矢量上方的“·”表示在慣性空間向量對時間的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)初始動量矩為零，各體段協(xié)同動作且不受外力及外

航天員在太空無外力條件下要完成操作任務(wù)需要通過肢體運動改變自身姿態(tài)，姿態(tài)的改變可以總結(jié)為轉(zhuǎn)動、翻滾和傾斜?；谏鲜鰟恿烤厥睾愣ɡ碇猩婕暗降霓D(zhuǎn)動慣量、旋轉(zhuǎn)半徑等概念，經(jīng)過熟悉訓(xùn)練和模擬相似條件的試驗，總結(jié)出如表1的推薦動作提供給實驗中受試者使用，以達到航天員改變姿態(tài)的目的。

人體自然站立時，定義矢狀軸為x軸，由胸指向背，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時，雙臂與身體運動在同一平面內(nèi)，此時雙臂朝一個方向運動，身體即向另一方向產(chǎn)生傾斜運動；定義冠狀軸為y軸，由右肩指向左肩，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時，運用移軸定理知身體也可繞y軸向相反方向產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)；定義垂直軸為z軸，由人體質(zhì)心指向頭部，受試者繞其旋轉(zhuǎn)時，同樣運用移軸定理知身體也可繞z軸向相反方向產(chǎn)生偏航。

運用上述動作，理論上符合動量矩守恒定理，且經(jīng)過計算身體隨肢體響應(yīng)較快且省力。下面將采用實驗的方法對模擬失重環(huán)境下的航天員自轉(zhuǎn)運動進行進一步研究，從而修正航天員太空自旋運動策略。力矩作用時，則有動量矩守恒，如式2。

3 懸吊實驗設(shè)計

3.1 受試者

結(jié)合我國航天員的真實年齡、身高等參數(shù)，本實驗經(jīng)過中國航天員科研訓(xùn)練中心志愿者參與性試驗申請，選拔了10名男性健康志愿者作為受試者參加實驗，年齡在20至36歲之間，平均年齡為27.5歲。

3.2 基本參數(shù)的測量

為了分析受試者不同身體尺寸對于旋轉(zhuǎn)效果的影響，依據(jù)國標(biāo)《用于技術(shù)設(shè)計的人體測量基礎(chǔ)項目》［9］選擇測量項目，采用國標(biāo)《人體測量儀器》［10］中的儀器對10位受試者相關(guān)肢體的長度、圍度等進行測量，以此作為實驗結(jié)果分析的數(shù)據(jù)來源。

測量得到各項數(shù)據(jù)后，結(jié)合國標(biāo)《成年人人體慣性參數(shù)》［11］，計算得所有受試者體段的質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量。表2以第五名受試者（下稱“S5”）身體參數(shù)為例列出相關(guān)變量的計算結(jié)果。

表1 單軸運動控制方法Tab le1 M ethod of single-axis self-rotation

表2 受試者S5各參數(shù)值Table 2 The values of Subject 5

3.3 懸吊設(shè)計

地面模擬失重方法有多種，相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn)失重飛機模擬出的失重環(huán)境最為真實，但持續(xù)時間少，造價昂貴，難以實施；中性浮力水槽中適用于出艙進行程序性訓(xùn)練，不適合進行動作優(yōu)化的研究；自由落塔可實現(xiàn)短暫的微重力環(huán)境，持續(xù)時間短的特點不適合本實驗的驗證；氣浮平臺模擬的失重環(huán)境受限于活動自由度，不適合于本實驗的開展?；诖耍疚牟捎萌N懸吊模擬失重的方式，使受試者分別完成繞三個人體軸的旋轉(zhuǎn)運動，如圖1所示。

人體繞任意軸的旋轉(zhuǎn)運動均可通過繞三軸的旋轉(zhuǎn)組合來實現(xiàn)。為減少人體懸吊狀態(tài)下自由旋轉(zhuǎn)的摩擦力，采用旋轉(zhuǎn)摩擦可以忽略不計的萬向節(jié)連接繩索，承重為23 kN；用于懸掛受試者的繩索承重22 kN；固定支持機構(gòu)的懸吊實驗裝置用工字型懸臂梁承擔(dān)。

繞x軸與z軸旋轉(zhuǎn)的懸吊方式為采用背帶固定受試者的方法，以保持身體盡量筆直，借助繩索將其懸吊于懸臂梁上，實現(xiàn)繞相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)。繞y軸旋轉(zhuǎn)則采用吊床將受試者吊起，以實現(xiàn)其繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)。此方法擴大身體接觸平板的面積，增強了舒適性，但側(cè)向固定不穩(wěn)帶來了測量誤差，因此身體應(yīng)盡可能保持側(cè)平，避免與固定帶接觸。

圖1 懸吊系統(tǒng)裝置Fig.1 Suspension system equipment

首先受試者分別熟悉三種懸吊方法下的運動狀態(tài)，并根據(jù)自己的理解做出相應(yīng)動作，以完成表3中的實驗任務(wù)。實驗前不獲取任何指導(dǎo)性幫助的實驗作為對比組；完成上述任務(wù)后，工作人員告知受試者推薦動作要領(lǐng)并進行實驗前的動作熟悉與訓(xùn)練，同樣完成表3中的實驗任務(wù)作為實驗組。每位受試者需要分別采用自主動作和推薦動作各完成3次順時針旋轉(zhuǎn)，3次逆時針旋轉(zhuǎn)的實驗任務(wù)。

表3 受試者需要完成的實驗任務(wù)Table 3 Experimen t tasks by the test subjects

3.4 評價分析

實驗中，對受試者的運動控制策略進行全程記錄，以此統(tǒng)計出受試者各個動作的完成時間，比較各組動作策略的差異。在每一次試驗任務(wù)完成后，受試者的主觀評價作為地面模擬失重環(huán)境完成自轉(zhuǎn)運動效果好壞的量化評價方式。實驗采用任務(wù)工作量表（NASA-TLX）［12］評判各個維度的感受，作為對比自主動作與推薦動作運動控制策略優(yōu)劣性的依據(jù)。

4 實驗結(jié)果及分析

實驗統(tǒng)計到10名受試者完成各個試驗任務(wù)時的完成時間、動作次數(shù)等信息，據(jù)此分析不同控制方法的差異性。統(tǒng)計受試者每次動作時間，使用非參數(shù)檢驗的Friedman法［13］檢驗試驗次數(shù)之間的顯著性；結(jié)合各位受試者身體參數(shù)，分析受試者主動體質(zhì)量、主動體旋轉(zhuǎn)半徑與試驗任務(wù)動作次數(shù)的關(guān)系；使用Mann-Whitney檢驗方法［13］定量分析自主動作與推薦動作的差異。所有涉及檢驗統(tǒng)計量的非參數(shù)檢驗，顯著性水平定為0.05。

4.1 完成時間的影響因素

4.1.1 初始動作與后續(xù)動作完成時間的區(qū)別

人體處于懸吊模擬失重這種不熟悉的狀態(tài)下時，往往在第一次動作具有試探性，隨后的試驗中會實時地調(diào)整姿態(tài)與動作以更好的完成任務(wù)。分別將各受試者采用自主動作完成6項任務(wù)的第一次、第二次、第三次試驗完成時間取均值后繪制成圖，可以清楚的看到隨著試驗的進行，完成時間在減少，如圖2所示。

圖2 受試者采用自主動作完成時間平均值對比圖Fig.2 Com parison of performance time of each task

由圖可見，受試者做每個新動作過程中，第一次試驗時占用更多的時間，接下來的嘗試完成時間會減少。由于繞x軸旋轉(zhuǎn)較困難，三次試驗完成時間規(guī)律性不明顯。采用非參數(shù)檢驗Friedman方法對受試者順時針方向旋轉(zhuǎn)的三次動作進行分析，漸近顯著性P=0.008＜0.05，說明每次試驗的完成時間存在顯著差異。掌握此規(guī)律有助于為航天員制定控制策略時考慮如何盡快適應(yīng)失重環(huán)境，避免試探性的使用動作而消耗時間與精力。

4.1.2 采用不同控制方法初次試驗的區(qū)別

將受試者采用兩種方法第一次完成三種旋轉(zhuǎn)的時間繪制成圖，如圖3所示，可以看出采用推薦動作比采用自主動作的完成時間短。這說明本文推薦動作能夠很快起到旋轉(zhuǎn)的作用，而受試者自主研究的動作有試探性、不確定性，不能及時表現(xiàn)出很好的效果。因此后續(xù)訓(xùn)練中，可采用此方法對航天員進行地面訓(xùn)練。

圖3 不同控制方法完成時間對比圖Fig.3 Com parison of performance of differentmethod

4.1.3 不同動作完成時間的區(qū)別

各受試者分別采用自主動作與推薦動作完成實驗任務(wù)，記錄完成時間與肢體動作次數(shù)，分別將順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時的數(shù)據(jù)繪制成圖表，如圖4。

圖4 各受試者采用自主動作與推薦動作所用時間及動作次數(shù)對比圖Table 4 Com parison of performance tim e and m otion times of differentmethods

受試者采用兩種方法完成任務(wù)效果的差異性可用Mann-Whitney檢驗來評價。繞x軸順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.019、0.011，繞y軸順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.005、0.015，繞z軸順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的精確顯著性分別為0.315、0.393。當(dāng)P＜0.05時，認(rèn)為有明顯的差異性，則繞x軸和繞y軸旋轉(zhuǎn)的差異性明顯，這與實際期望是一致的。而繞z軸旋轉(zhuǎn)時，受試者所感受的狀態(tài)與地面相似，采用的動作也更為熟悉，因此差異性不顯著。

4.2 體型對旋轉(zhuǎn)效果的影響

由上可以看出，單獨研究旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量、質(zhì)心位置、動量矩以及質(zhì)量比時旋轉(zhuǎn)次數(shù)的變化無顯著規(guī)律性。雖然說旋轉(zhuǎn)次數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量增大而減小，隨質(zhì)心位置越遠而減小，隨著動量矩變大而減小，隨著質(zhì)量比的增大而減小，但各因素耦合作用時，受試者其他身體部位參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)改變，因此體型無法得出顯著特點。但根據(jù)理論分析得知質(zhì)心位置越遠，雙臂旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動慣量，而質(zhì)量比越大同樣可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動慣量，從而能夠減少主動體旋轉(zhuǎn)次數(shù)。因此，控制策略應(yīng)更傾向于將雙臂打開更大角度增大質(zhì)心位置，同時多鍛煉四肢力量，以便更輕易的完成空間旋轉(zhuǎn)。因為動作完成時間的快慢還取決于人體其它部分質(zhì)量及慣量的大小，以及人體動作習(xí)慣程度。

圖5 旋轉(zhuǎn)次數(shù)隨體型變化圖Fig.5 Changes of rotation times

4.3 任務(wù)工作量指數(shù)

對受試者完成每個實驗任務(wù)后進行任務(wù)工作量評價打分。圖6顯示了受試者在不同項目中的得分情況，著重將兩類動作分開進行了對比，圖中表明了六項指標(biāo)影響程度的大小情況。

圖6 各受試者六項評價指標(biāo)得分情況分布Fig.6 The NASA-TLX score of every subject

總體橫向組間比較后發(fā)現(xiàn)，體力需求與努力程度得分相對較高，這反映模擬失重條件下航天員做動作影響因素較大的兩個方面。

在腦力需求與體力需求方面，由于受試者處于懸吊系統(tǒng)模擬失重這種不熟悉的環(huán)境中，無論使用自主動作或是推薦動作都將耗費很大的腦力與體力，因此差異性??；而由于采用推薦動作能夠更快更好的完成實驗任務(wù)，因此在時間壓力、努力程度和挫折程度方面差異較大，即采用推薦動作時，受試者會放心的運動，不會造成時間壓力的擔(dān)心，同時不用付出更多努力與克服挫折即可順利完成實驗任務(wù)。受試者采用兩種控制方法都能完成實驗任務(wù)，因此在自我表現(xiàn)得分方面都較高，說明完成情況良好。

4.4 旋轉(zhuǎn)策略修正

由受試者雙臂的旋轉(zhuǎn)軌跡可以看出，當(dāng)其采用自主動作時傾向于嘗試雙臂在胸前畫圓的方法可有效實現(xiàn)自轉(zhuǎn)。這與游泳時劃水的動作相似，可體現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)效果。

觀察繞x軸旋轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，10名受試者同樣傾向于將懸吊環(huán)境想象為水中的情境，采用肢體反向劃動的方式，產(chǎn)生人體的旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)技術(shù)能夠較快的實現(xiàn)身體轉(zhuǎn)動，但雙臂上下的方位容易引起身體的翻動，產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于繞y軸旋轉(zhuǎn)時受試者處于不常見的姿態(tài)，因此動作較難完成。受試者傾向于將雙手置于胸前，在水平面來回的畫圈，從而產(chǎn)生了輕微的轉(zhuǎn)動。這些旋轉(zhuǎn)技術(shù)體現(xiàn)了受試者更愿采用熟悉的動作來完成任務(wù)。相對繞x軸和繞y軸旋轉(zhuǎn)，繞z軸旋轉(zhuǎn)最易完成，因為z軸的懸吊狀態(tài)對于受試者最為熟悉。

綜上分析，人體處于無外力狀態(tài)時，可通過質(zhì)量和慣量較大的肢體旋轉(zhuǎn)，來產(chǎn)生身體的旋轉(zhuǎn)，同時將模擬失重環(huán)境想象為熟悉的情景，劃動肢體，穩(wěn)定產(chǎn)生身體旋轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

通過懸吊系統(tǒng)模擬失重環(huán)境的方法研究了人體運動策略的可行性和優(yōu)劣性，對航天員地面訓(xùn)練提供指導(dǎo)方法。整體上研究結(jié)果得出了以下三個結(jié)論，即空間動作適應(yīng)時間與動作熟悉程度相關(guān)，推薦動作完成效果優(yōu)于自主動作，繞x軸旋轉(zhuǎn)和繞y軸旋轉(zhuǎn)比繞z軸旋轉(zhuǎn)困難。

研究中發(fā)現(xiàn)個別受試者的個別動作效果好，表現(xiàn)出優(yōu)于推薦動作的特點。這反映出各受試者習(xí)慣方式不盡相同，需要通過大量實驗得到適合自己的動作，同時也發(fā)現(xiàn)了理論計算中無法得出的一些結(jié)論，反映出人體運動的復(fù)雜性，為我們以后的研究帶來新的課題。個性化的自旋運動方法涉及到航天員人體感知方面的研究，這將在后續(xù)工作中加以完善，并運用最優(yōu)化理論方法，得到普遍適應(yīng)于所有航天員的策略，同時結(jié)合艙外服的特征系統(tǒng)對艙外活動航天員的運動與操作方法做出研究。

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Experimental Validation of Astronaut Self-rotation M otion M ethod in Simulated Weightless Condition

MA Chao1，LIU Yuqing1，ZHU Xiuqing1，AN Ming1，ZHOU Bohe1，CHEN Shanguang1，2*
（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China）

Astronaut needs to change his or her orientation to perform different tasks during the spacemission.The issue of how to rotate body through limbs'motion without external torques is studied in this paper.First，the kinetics equations ofmulti-body systemswere built by the Roberson-Wittenburgmethod and the body rotarymethods through limb manipulation motions were proposed. Then，a suspension experimentwas conducted to simulate weightless environment to contrast the rotary performances with different self-rotation strategies and to find the influencing factors on completing time and joint torques.In the end，the self-rotation motion strategy without external torqueswas improved.The results show that the recommended motion control strategy is excellent as compared with othermethods and will be beneficial to astronaut self-rotation motion.

astronaut；simulated weightlessness；human self-rotation；control strategy

R857.1

A

1674-5825（2014）04-0371-07

2014-04-16；

2014-06-30

國防基礎(chǔ)科研項目（B1720132001）；中國航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項目（2010SY5413004）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（2011CB711005）

馬超（1988-），男，碩士研究生，研究方向為航天飛行訓(xùn)練模擬技術(shù)。Email：chillymay@163.com

陳善廣，shanguang-chen@126.com