潘 靜，初建杰，閆 妍，丁田妹，陳 婧，馬干干

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

在對空間站實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行人機(jī)工程和人機(jī)工效學(xué)分析評價(jià)的過程中，借助傳統(tǒng)的創(chuàng)建真實(shí)樣本的分析評價(jià)方法，需要花費(fèi)大量的時(shí)間及成本。而現(xiàn)如今發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的應(yīng)用則突破了傳統(tǒng)的基于二維的人—機(jī)界面模式和交互方式的局限，極大地增強(qiáng)了人的主動性和仿真方法的靈活性[1]，為人機(jī)工效分析評價(jià)提供了新的方式。

JACK是一個(gè)目前較為成功的人體建模仿真和工效評估軟件，提供了直觀的操作界面，豐富的人體測量學(xué)數(shù)據(jù)庫，和完整的人機(jī)工效評估工具包以及強(qiáng)大的人體運(yùn)動仿真能力[2]。本文將實(shí)驗(yàn)艙的3D—MAX模型導(dǎo)入到JACK軟件中，利用我國航天員的人體測量數(shù)據(jù)，在JACK軟件中建立數(shù)字人，創(chuàng)建位于太空中的實(shí)驗(yàn)艙仿真模型，對其內(nèi)部的裝置和布局進(jìn)行分析評價(jià)，對不符合人機(jī)工程原理和人機(jī)工效學(xué)的部分進(jìn)行修改和優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的人—機(jī)—環(huán)境達(dá)到和諧平衡，航天員在生理和心理上都能獲得最優(yōu)、最舒適的人機(jī)環(huán)境。

1 仿真環(huán)境的創(chuàng)建

1.1 實(shí)驗(yàn)艙模型的創(chuàng)建

在JACK軟件中，可以從草圖開始建立模型，也可以導(dǎo)入3D模型數(shù)據(jù)，如利用UG，PRO-E，3D—MAX，或CAD等。而其中的分析對象是指由3D軟件建立的模型，在本文中，即指空間站實(shí)驗(yàn)艙的3D模型。通過STL文件格式將其導(dǎo)入軟件后，構(gòu)成航天員的虛擬環(huán)境，利用JACK軟件對其進(jìn)行人機(jī)工效仿真分析，分析評價(jià)其裝置及布局的可視域、可達(dá)域、疲勞和舒適度，并提出修改和優(yōu)化方案。

1.2 數(shù)字人的創(chuàng)建

1.2.1 數(shù)字人的人體數(shù)據(jù)

JACK之所以在人體建模領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)性的地位，其主要原因是軟件本身提供了業(yè)界最精確的人體生物學(xué)模型，模型包含運(yùn)動學(xué)算法和生物學(xué)算法。JACK中的三維人體模型在建立數(shù)字人模型的過程中還可以自定義數(shù)字人模型身體的各個(gè)尺寸[3]。在JACK軟件中可以創(chuàng)建身高或體重百分位為 99、95、50、5、1的男性或者女性，此外還可以對創(chuàng)建模型的26項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以便得到符合仿真分析條件的數(shù)字人模型。

現(xiàn)如今的JACK7.1版本的三維人體模型數(shù)據(jù)庫包含了美國、加拿大、中國、印度、德國、日本、韓國以及國際的權(quán)威人體數(shù)據(jù)，適用于大多數(shù)國家。然而，對于本文中特定的航天員群體，其人體尺寸與JACK數(shù)據(jù)庫中的尺寸會存在一定的差異。因此應(yīng)根據(jù)表1中提供的航天員數(shù)據(jù)對數(shù)字人進(jìn)行微調(diào)。

要通過精確定義，利用建立數(shù)字人模型窗口進(jìn)行微調(diào)，根據(jù)表1中提供的航天員數(shù)據(jù)，可以修改人體的26個(gè)部位的尺寸，以及25個(gè)關(guān)節(jié)的自由度，其中重點(diǎn)關(guān)注數(shù)字人的身高，手臂長度，腿部長度，手長寬，足長寬，坐高等數(shù)值，創(chuàng)建出合適的數(shù)字人以進(jìn)行之后的仿真分析。

1.2.2 數(shù)字人的工效學(xué)姿勢

在數(shù)字人的底層代碼中包含了大量的運(yùn)動學(xué)公式，可用以定位和設(shè)置數(shù)字人姿勢。設(shè)置數(shù)字人姿勢時(shí)，可以通過直接操縱關(guān)節(jié)或從姿勢庫（包含30個(gè)預(yù)定義姿勢）中選擇姿勢來改變數(shù)字人的姿勢。由于太空微重力的影響，航天員在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的姿勢基本自然呈中性體位，如圖1所示，即腳和通過軀干的軸線呈約有111°的彎曲，大腿小腿間角度約為133°，上下手臂間角度約為120°，背部自然彎曲，腳面傾斜。根據(jù)航天員在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)要進(jìn)行的活動，工作狀態(tài)下的航天員主要是以在臨時(shí)工作椅上的坐姿為主。

表1 我國航天員群體地面1g環(huán)境下不著服工況下人體形態(tài)參數(shù)Tab.1 Chinese astronauts’body shape parameters of no suit conditions in the environment of 1g

圖1 數(shù)字人中性體位Fig.1 Normal position of digital bodies

2 艙內(nèi)工作姿勢的工效學(xué)分析

2.1 可視域

航天員在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)不僅要做各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，而且還需要操控艙內(nèi)的儀器以保證實(shí)驗(yàn)艙正常運(yùn)行。航天員需要通過顯示器和各類面板準(zhǔn)確地了解艙內(nèi)的運(yùn)行狀況和設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而高效且準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)，因此對航天員工作姿勢下的可視域分析十分重要。

圖2 人眼與顯示屏的視角關(guān)系Fig.2 The viewing angle between human eyes and display screen

圖2 是根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，人眼與顯示屏的視角關(guān)系。由圖可知，人眼到顯示屏的最佳距離是710 mm，上視角＜10°，下視角＜45°，顯示屏和垂直面角度應(yīng)小于 30°，人眼中心點(diǎn)與屏幕角度為90°±10°[4]。而在太空微重力環(huán)境的影響下，中性體位狀態(tài)下主視線下降15°，相對于正常情況下的視線下降，顯示器的高度也要隨之調(diào)整。如圖3所示，可通過可視域分析工具分析處于工作姿勢時(shí)航天員的可視域，保證顯示器屏幕在航天員的可視域范圍內(nèi)。并且根據(jù)人的視覺運(yùn)動規(guī)律，應(yīng)使最常用、最重要的顯示器和面板位于視野中心范圍內(nèi)，顯示器與控制器應(yīng)按其重要性原則、使用頻率原則、功能原則，和使用順序原則等進(jìn)行布局，盡量使航天員在使用過程中，以從左至右、從上至下的操作習(xí)慣來使用[5]。

圖3 工作姿勢下的可視域分析Fig.3 View shed analysis in work postures

2.2 可達(dá)域

航天員在工作狀態(tài)時(shí)，需要保證對臨時(shí)工作臺的操控和儀器儀表盤的精確操作，才能維護(hù)保持實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的各項(xiàng)事務(wù)安全、高效地運(yùn)行。 當(dāng)進(jìn)行操控時(shí)，所需要的儀器按鍵等應(yīng)按照使用順序和頻率原則、重要性原則、功能原則等進(jìn)行合理分配，并要保證位于如表2所示的航天員的上肢可達(dá)域范圍內(nèi)。

表2 上肢最大可達(dá)域（中指指尖點(diǎn)）前/后、左/右方向范圍數(shù)據(jù)Tab.2 Upper limbs of the maximum reachable domain（the tip of the middle finger）front/back， left/right direction range data

通過可達(dá)域分析工具，可以分析得出如圖4所示的，該工作姿勢下航天員的最大可觸及范圍。在分析過程中，以航天員坐在臨時(shí)工作椅上的工作姿勢為主，一般選擇中指指尖作為最大可達(dá)域的分析基準(zhǔn)，判斷儀表盤、電腦等需要操作的儀器位于可達(dá)域范圍內(nèi)，表明了該工作姿勢下工效學(xué)設(shè)計(jì)的合理性。

2.3 艙內(nèi)工作姿勢的舒適度分析

圖4 工作姿勢下的可達(dá)域分析Fig.4 Reachable region analysis in work postures

在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，航天員長時(shí)間工作時(shí)需要利用臨時(shí)工作臺、臨時(shí)工作椅達(dá)到姿勢的最大舒適化，然而在太空微重力環(huán)境下，則還應(yīng)考慮工作椅曲面的舒適度和束縛力的合理分布。

舒適度分析工具提供6個(gè)舒適度參考數(shù)據(jù)，由于太空微重力的特殊環(huán)境，在進(jìn)行舒適度分析時(shí)，則應(yīng)更注重航天員身體各部分的舒適程度，因此選擇屬于單關(guān)節(jié)舒適度、且較偏向于關(guān)節(jié)角度的[Porter]工具。由此可得到數(shù)字人關(guān)于頭部、上手臂、軀干、大腿和膝關(guān)節(jié)，以及小腿到腳等部位的舒適度分析表。黃色條狀代表該部位處在危險(xiǎn)狀態(tài)下，而綠色則表示的是該姿勢下，此部位舒適度在正常范圍內(nèi)，是不易產(chǎn)生疲勞，且安全高效的。數(shù)值越小，表示舒適度越高。

在對航天員的坐姿進(jìn)行舒適度分析的過程中，需要注意JACK的各類仿真數(shù)據(jù)都是建立在地球這個(gè)有重力的大環(huán)境中，并且主要針對駕駛姿勢的舒適度分析，應(yīng)用在空間站實(shí)驗(yàn)艙的工效學(xué)分析上則有一定的局限性。因此，在對工作姿勢進(jìn)行分析時(shí)，利用對比優(yōu)化的方式，對座椅大小和角度進(jìn)行微調(diào)，以保證航天員工作姿勢的最佳舒適性。

圖5 工作姿勢的舒適度分析Fig.5 Comfort level snalysis of work postures

由圖5中的兩圖對比可知，下圖的工作姿勢是基于上圖微調(diào)優(yōu)化，從而得到最佳舒適度的最優(yōu)姿勢。但這兩種工作姿勢，除了腰部受力是由于地球重力呈危險(xiǎn)狀態(tài)而出現(xiàn)偏差外，其他數(shù)據(jù)皆滿足舒適度范圍之內(nèi)，表明航天員的工作姿勢不僅合乎人體舒適性，而且可活動范圍較大。

3 輔助設(shè)施的優(yōu)化改良

通過對航天員在艙內(nèi)工作姿勢的仿真分析，如可視域、可達(dá)域、舒適度分析等，可得到的相應(yīng)的人機(jī)工效學(xué)數(shù)據(jù)，由此能夠進(jìn)一步優(yōu)化艙內(nèi)的輔助設(shè)施，為航天員提供更好的人機(jī)環(huán)境，便于工作高效舒適地展開。

3.1 工作臺尺寸及斜度

航天員在艙內(nèi)的主要工作任務(wù)都是在工作臺上完成，實(shí)現(xiàn)人—工作臺的良好人機(jī)關(guān)系十分重要。最佳工作臺大小的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮所放置物品的大小和位置，以及臺面要有足夠的空間放置雙手，應(yīng)減少使用者的手指手臂或者腿部的相互擠壓[6]。航天員坐姿操作時(shí)，工作面下部應(yīng)設(shè)置容膝空間，容膝空間的高度應(yīng)要小于640 mm，工作臺的高度應(yīng)大約在肘高位置，可設(shè)計(jì)初始高度為880 mm，并且高度可調(diào)節(jié)，滿足航天員不同需求。在初步設(shè)計(jì)中，根據(jù)前期調(diào)研和臺面雙層設(shè)計(jì)確定了工作臺長為430 mm，寬為360 mm，厚為15 mm。將其導(dǎo)入JACK后，發(fā)現(xiàn)與數(shù)字人略不協(xié)調(diào)，并且為了節(jié)省艙內(nèi)空間，可將寬度尺寸修改為350 mm。

此外，根據(jù)可視域分析，確定最適合視線角度后，結(jié)合頸部疲勞程度分析，應(yīng)確保頸部彎曲角度不超過20°～30°，并且應(yīng)該使用可調(diào)節(jié)角度的工作臺，傾斜10°就可以降低21%的頸部伸肌負(fù)荷。

3.2 工作椅尺寸及固定

太空微重力環(huán)境下，工作椅除了承重作用外，還有固定作用。而人的重心一般位于腰部，為此在椅面處設(shè)置固定安全帶以固定航天員腰部，并在腳踏上設(shè)置限位器。安全帶除了要承受至少規(guī)定內(nèi)的拉伸載荷以外，還要便于航天員解開。

為了防止座椅面不會對大腿產(chǎn)生壓力，需要通過調(diào)整座椅尺寸來調(diào)整膝高，根據(jù)臀寬來確定座寬。由此，確定工作椅座寬410 mm，坐深為170 mm。將其導(dǎo)入JACK后，發(fā)現(xiàn)雙腳相距較大，增加大腿壓力，而且影響了容腳空間，于是將座椅底部限位器間尺寸調(diào)整為330 mm。

4 結(jié)束語

基于JACK仿真分析軟件，可以分析得到模擬實(shí)驗(yàn)艙的工效學(xué)特性。不僅大大地節(jié)省了時(shí)間和成本，也可應(yīng)用人機(jī)工程和人機(jī)工效學(xué)確定輔助設(shè)施的各項(xiàng)尺寸數(shù)據(jù)，使航天員生理和心理上都能獲得最優(yōu)、最舒適的人機(jī)環(huán)境。為進(jìn)一步的研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

[1]周前祥.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天工效學(xué)中的進(jìn)展應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2001，18（2）：8－10，14.ZHOU Qian-xiang.Progress in the application of virtual real-ity technology in space Ergonomics[J].Computer Simulation，2001，18（2）:8-10，14.

[2]譚正文，薛紅軍，蘇潤娥.基于JACK的民機(jī)駕駛艙可視性評估研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2010，40（5）:79-82 TAN Zheng-wen，XUE Hong-jun，SU Run-e.Research on Visibility for Cockpit of Civil Aircraft Based on JACK[J].Aeronautical Computing Technique，2010，40（5）:79-82.

[3]鈕建偉，張樂，李險(xiǎn)峰.JACK人因工程基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012

[4]劉社明，王小平，陳登凱，等.基于JACK的駕駛艙仿真及人機(jī)工效學(xué)分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（8）:106-110.LIU She-ming，WANG Xiao-ping，CHEN Deng-kai，et al.Cockpitsimulation and ergonomicsanalysisbased on JACK[J].Computer and Modernization，2013（8）：106-110.

[5]丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

[6]童時(shí)中.人機(jī)工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.