王曉東，王 政，李 昊，李 凡，劉志臻，王春慧

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

面向出艙活動的典型功能操作肌肉激活預(yù)測

王曉東，王 政，李 昊，李 凡，劉志臻，王春慧?

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

面向出艙活動中航天員肌肉狀態(tài)和體力負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)評估，為了實(shí)現(xiàn)航天員肌肉激活的預(yù)測，開展了著常服和艙外服兩種工況下不同操作位置的推、拉、提、壓共8組典型功能操作實(shí)驗(yàn)，測試航天員最大施力能力的同時(shí)采集了肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側(cè)頭和三角肌前束的肌電信號。提出基于人-艙外服耦合運(yùn)動生物力學(xué)模型預(yù)測著艙外服人體的肌肉激活，并預(yù)測了兩種工況下8組典型功能操作的肌肉激活。通過預(yù)測結(jié)果和積分肌電值的相關(guān)性分析，驗(yàn)證了模型預(yù)測的有效性，為研究人-艙外服真實(shí)交互方式提供了新的方法學(xué)思路，對肌肉激活的預(yù)測為出艙活動任務(wù)規(guī)劃提供了生理學(xué)依據(jù)。

出艙活動；艙外服；生物力學(xué)建模；肌肉激活；AnyBody；工效學(xué)

1 引言

隨著我國空間站任務(wù)的進(jìn)行，空間站的后續(xù)建設(shè)、維護(hù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)對航天員出艙活動提出了迫切的需求。由于出艙活動中航天員要面對真空、輻射和極其惡劣的溫濕度環(huán)境，所以必須穿著艙外服，由其提供氧氣、適宜的溫濕度和其他生命保障。迄今為止，艙外服主要采用多層軟質(zhì)材料和剛性軸承相結(jié)合的充壓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(通常30～40 kPa)[1]。該設(shè)計(jì)導(dǎo)致艙外服關(guān)節(jié)的彎曲需要克服額外的阻力，被稱為阻尼力矩。因此，航天員穿著艙外服進(jìn)行艙外活動時(shí)，體力負(fù)荷明顯大于未穿著艙外服時(shí)。研究者曾通過動力學(xué)仿真證明，航天員穿著艙外服在微重力條件下移動大重物時(shí)，關(guān)節(jié)做功遠(yuǎn)大于未穿著艙外服時(shí)[2]。

然而，在生理層面，航天員的疲勞和酸痛感往往產(chǎn)生于處于較大激活狀態(tài)的肌肉[3]。因此，基于人體測量學(xué)、骨肌系統(tǒng)解剖學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真學(xué)的相關(guān)研究成果，預(yù)測出艙活動中不同操作航天員的肌肉激活，對于出艙活動的工效評估和任務(wù)規(guī)劃都是十分有意義的。生物力學(xué)建模方法的出現(xiàn)，為探索人-機(jī)(艙外服)交互提供了一個(gè)嶄新的思路[3-5]。該方法將人體的骨骼、肌肉簡化為力學(xué)系統(tǒng)中的不同元素，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩、肌肉力的預(yù)測，為工效評估提供了量化解決方案。依據(jù)不同思路，運(yùn)動生物力學(xué)建模方法可分為正向動力學(xué)建模和反向動力學(xué)建模[6]，反向動力學(xué)從運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)求解肌肉力，而正向動力學(xué)從肌肉力出發(fā)預(yù)測運(yùn)動軌跡。根據(jù)不同建模方法，形成了一系列的人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)建模平臺，包括AnyBody，Opensim等。其中，AnyBody平臺采用反向運(yùn)動學(xué)架構(gòu)，將運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)作為輸入，基于人體會最大限度地降低肌肉疲勞的假設(shè)，利用優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)人體肌肉力的募集求解[7]。本研究在AnyBody平臺上實(shí)現(xiàn)了人-艙外服的運(yùn)動生物力學(xué)耦合建模，從而預(yù)測著艙外服人體開展功能操作時(shí)的肌肉力，為人-艙外服生物力學(xué)交互研究提供了方法學(xué)支撐。

本文開展了9名受試者在著常服和著艙外服兩種工況下典型功能力量對比測試，并采集了肌電信號表征肌肉的激活程度。通過艙外服手臂建模和人-艙外服上肢耦合運(yùn)動生物力學(xué)建模實(shí)現(xiàn)了兩種工況下的典型功能操作仿真，用于計(jì)算肌肉激活程度，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)中所測肌電信號和預(yù)測肌肉激活程度之間的相關(guān)性驗(yàn)證模型。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 受試者

9名受試者年齡25～45歲，身高(172±7) cm，體重(68±14)kg，BMI指標(biāo)(19～25)kg/m2。受試者骨骼肌肉均無傷病史，在測試前3天要求不參加較大體力負(fù)荷的勞動。

2.2 測試項(xiàng)目和測試方式

本研究開展了9名受試者在著常服和著艙外服工況下的8種功能操作最大靜態(tài)力量測試。

功能操作包括左右方向的推、拉和上下方向的提、壓。這些功能操作都是出艙活動中經(jīng)常出現(xiàn)的典型操作，例如提、壓對應(yīng)開艙門時(shí)的單臂逆/順時(shí)針旋轉(zhuǎn)操作，推、拉則在許多出艙操作中都會出現(xiàn)。左右方向的推和拉在肩部水平面內(nèi)進(jìn)行，設(shè)置了舒適位置和舒適外邊界兩個(gè)位置，上下方向的提、壓設(shè)置了舒適高度和舒適上邊界兩個(gè)高度。因此，區(qū)分不同位置和不同操作，共8種功能力量。推、拉、提、壓操作如圖1所示。

圖1 不同功能操作示意圖Fig·1 Illustration of different functional tasks

采用BTE Primus模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)測試上述力量，測得的數(shù)據(jù)均為力矩值，將力矩值除以力臂長，可得功能力量測試中受試者的最大靜態(tài)功能力量。根據(jù)公認(rèn)的力量測試方法[3]和受試者主觀體驗(yàn)，每種力測量3次，每次持續(xù)6 s；各次之間休息30 s以上，不同力的測量之間休息3 min以上；功能操作力量測試工況分為著常服和著艙外服兩種工況。其中，艙外服工況測試時(shí)，加壓艙外服軀干固定在專用小車上，受試者在艙外服內(nèi)部進(jìn)行操作；常服工況測試時(shí)將受試者利用綁帶固定在專用座椅上。在上述測試方式下，受試者軀干都得到良好固定，上肢力量能夠得到充分發(fā)揮，不受反作用力限制。

2.3 表面肌電信號采集

皮膚表面肌電能夠反映肌肉的真實(shí)激活狀態(tài)[8]，因此本研究采集了兩種工況下的表面肌電用于模型驗(yàn)證。艙外服工況采用Noraxon無線肌電系統(tǒng)采集肌電，艙外服內(nèi)部肌電信號通過藍(lán)牙發(fā)送至接收器，由于艙外服本身對輻射的屏蔽作用，所以也會屏蔽部分藍(lán)牙信號，因此在實(shí)際采集時(shí)應(yīng)當(dāng)將接收器放置在距離艙外服盡可能近的位置，減少信號衰減。常服工況采用Biovision有線肌電系統(tǒng)采集肌電。本研究采集了三角肌前束，肱二頭肌長頭和肱三頭肌外側(cè)頭的表面肌電信號用于反映不同操作中不同肌肉的激活程度。

2.4 相對操作位置采集

本研究利用NDIOptotrak測量艙外服工況下，操作手柄和艙外服的相對位置關(guān)系；然后在常服工況下，按照該相對關(guān)系設(shè)定操作手柄和受試者的相對位置，從而使兩種工況下功能操作的操作位置和姿態(tài)盡可能一致。在運(yùn)動生物力學(xué)建模中，將該相對操作位置作為模型運(yùn)動學(xué)輸入，結(jié)合施力方向和其它關(guān)節(jié)角度限制，確定受試者的操作姿態(tài)。

3 方法

3.1 艙外服手臂模型

為了研究艙外服手臂對人體上肢骨骼肌肉的影響，需要從運(yùn)動學(xué)和力學(xué)角度建立艙外服手臂模型[2，9-10]。本研究建立的手臂模型包括幾何剛體模型、關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型和關(guān)節(jié)阻尼力矩模型，如圖2所示。艙外服在加壓后，手臂的各個(gè)組件均體現(xiàn)出很強(qiáng)的剛性，因此可將其簡化為圓筒狀幾何剛體模型，組件具有質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等特性；各個(gè)組件由關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型相連，采用歐拉角描述轉(zhuǎn)動，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型均按照艙外航天服關(guān)節(jié)的幾何位置、轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動自由度進(jìn)行設(shè)置，從而盡可能真實(shí)地刻畫艙外服的運(yùn)動學(xué)限制；由于艙外服在加壓后關(guān)節(jié)會有彈向中性位置的傾向，被稱為關(guān)節(jié)阻尼遲滯特性，是關(guān)節(jié)的力學(xué)性質(zhì)[1]，本研究基于阻尼力矩測量值建立了關(guān)節(jié)阻尼力矩三次多項(xiàng)式回歸模型，用于描述關(guān)節(jié)的動力學(xué)約束，如圖3所示。關(guān)節(jié)阻尼的遲滯特性是指關(guān)節(jié)阻尼力矩不僅和關(guān)節(jié)角度有關(guān)，而且和關(guān)節(jié)角度歷史有關(guān)，如圖3中關(guān)節(jié)彎曲和伸展的阻尼力矩軌跡不同，中性位置也不同。由于在靜態(tài)功能操作中并不知道關(guān)節(jié)的歷史運(yùn)動軌跡，所以本研究采用了彎曲和伸展共同的回歸曲線，在二者中間。

圖2 艙外服手臂模型Fig·2 Arm model of EVA spacesuit

圖3 艙外服肘關(guān)節(jié)阻尼遲滯特性Fig·3 Hysteresis of elbow joint stiffness in EVA spacesuit

運(yùn)動學(xué)模型中，手部中心在胸骨坐標(biāo)系中的位姿矩陣可表示為式(1)：

其中，GSG表示從軀干胸部中心到肩關(guān)節(jié)的位移；GGH表示肩軸承、肩部軟關(guān)節(jié)和上臂軸承的轉(zhuǎn)動，對應(yīng)人體肩關(guān)節(jié)三自由度的轉(zhuǎn)動；GEB表示肘部軟關(guān)節(jié)和前臂軸承的轉(zhuǎn)動，對應(yīng)人體肘關(guān)節(jié)的彎曲/伸展和內(nèi)旋/外旋；GW表示腕部軟關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，對應(yīng)人體腕關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動。GSG、GGH、GEB、GW計(jì)算方法如公式(2)～(5)所示。利用該運(yùn)動學(xué)模型，可以確定艙外服手部的最終姿態(tài)。

3.2 人-艙外服上肢耦合運(yùn)動生物力學(xué)建模

為了研究艙外服對人體施力能力的影響，需要實(shí)現(xiàn)上一節(jié)中建立的艙外服手臂模型和人體上肢骨肌系統(tǒng)模型的耦合。首先是指艙外服手臂模型必須隨著人體上肢骨肌系統(tǒng)的運(yùn)動而運(yùn)動，即運(yùn)動學(xué)耦合；其次是指人體上肢通過和艙外服手臂之間的反作用力驅(qū)動艙外服手臂實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動，即動力學(xué)耦合。

本研究通過定義全約束虛擬關(guān)節(jié)的方式，約束人-艙外服手部之間的6個(gè)自由度；通過人-艙外服肘部之間2個(gè)自由度的位移約束，使得人體上肢肘部和艙外服手臂肘部盡可能重合。上述兩種約束方式，主要根據(jù)人體上肢和艙外服之間的交互方式制定，使得仿真工況接近真實(shí)工況。由于人-艙外服手臂之間的連接只需要約束7個(gè)自由度，因此上述約束方式屬于過度約束，需要在運(yùn)動學(xué)求解時(shí)使用優(yōu)化求解方法。采用過度約束是因?yàn)槿绻患s束兩者肘部一個(gè)自由度的位移，容易產(chǎn)生多重解或無解的情況，而這種情況是由于艙外服手臂和人體之間的不完全匹配引起的。通過上述約束方式，本研究實(shí)現(xiàn)了人體上肢和艙外服手臂之間的運(yùn)動學(xué)耦合，只需要知道艙外服手臂或人體上肢的運(yùn)動，就可以知道另外一個(gè)的運(yùn)動軌跡。

實(shí)際上，人體上肢是通過和艙外服手臂之間的接觸力驅(qū)動其運(yùn)動的[11]，如何模擬上述接觸力是動力學(xué)耦合的關(guān)鍵。近來，反作用力力元被廣泛地應(yīng)用于預(yù)測步態(tài)分析中的地面反作用力分布，并得到了有效的驗(yàn)證[12-13]。本研究通過建立人體上肢和艙外服手臂之間多個(gè)部位的反作用力力元，達(dá)到模擬兩者之間接觸力的目標(biāo)。反作用力力元由虛擬肌肉組成，像人體其他普通肌肉模型一樣，虛擬肌肉力也屬于肌肉募集優(yōu)化算法中未知數(shù)的一部分。肌肉募集算法如公式(6)所示[7]：G是肌肉募集算法的目標(biāo)函數(shù)表示肌肉i的肌肉力，Ni表示肌肉i的最大收縮能力，也就是說肌肉募集要使所有肌肉的最大激活最小，從而使得載荷盡可能平均地分布到所有肌肉。未知肌肉力f由正常肌肉力f(M)和由虛擬肌肉構(gòu)成的反作用力f(R)組成。(b)和(c)表示整個(gè)耦合模型需要滿足的動力學(xué)約束條件，其中(b)中C表示已知矩陣，由肌肉相對關(guān)節(jié)附著位置和方向等求得，d表示已知載荷，(c)表示普通肌肉力的非負(fù)約束。從理解角度出發(fā)，肌肉募集尋優(yōu)過程可分為兩個(gè)過程，首先是尋找能產(chǎn)生最優(yōu)肌肉募集的反作用力組合，其次是求解該反作用力組合下的最優(yōu)肌肉募集。為了實(shí)現(xiàn)上述募集尋優(yōu)過程，需要對虛擬肌肉的力量進(jìn)行預(yù)先處理，使得虛擬肌肉的最大收縮能力足夠大，而不會對普通肌肉的募集產(chǎn)生影響。

圖4 人-艙外服手臂耦合運(yùn)動生物力學(xué)仿真Fig·4 Biomechanical simulation of human EVA spacesuit arm interaction

通過人體上肢和艙外服手臂之間的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)耦合，實(shí)現(xiàn)了著艙外服工況下的人體上肢操作的運(yùn)動生物力學(xué)仿真，用于預(yù)測不同操作中的肌肉力。本研究將該模型用于8個(gè)功能操作的仿真，以受試者身高、體重、上臂長、前臂長、手部末端力作為模型輸入，計(jì)算了三角肌、肱二頭肌長頭和肱三頭肌外側(cè)頭的肌肉激活。圖4為人-艙外服手臂耦合運(yùn)動生物力學(xué)模型用于上提操作仿真的示意圖，圖中的線段表示人體上肢和艙外服手臂之間維持當(dāng)前姿態(tài)所需的接觸反力。依據(jù)所測肌肉的表面肌電信號計(jì)算肌肉的積分肌電iEMG，用于反映肌肉的真實(shí)激活程度[14]。通過預(yù)測肌肉激活和iEMG之間的相關(guān)性驗(yàn)證模型的有效性。

4 結(jié)果

4.1 肌肉激活程度驗(yàn)證

由于積分肌電指標(biāo)能夠很好地反應(yīng)肌肉的激活狀況[14]，因此本研究通過模型預(yù)測的肌肉激活和積分肌電的相關(guān)性來驗(yàn)證模型預(yù)測的有效性。表1表示了著常服和著艙外服工況下，肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側(cè)頭和三角肌在8種功能操作最大力量測試中的肌肉激活和積分肌電的Pearson相關(guān)性。9名受試者中，常服工況下采集了7名受試者的肌電信號，艙外服工況下采集了6名受試者的肌電信號。

常服工況的功能操作運(yùn)動生物力學(xué)仿真不含艙外服模型，7名受試者中肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側(cè)頭和三角肌前束預(yù)測激活和實(shí)測積分肌電有顯著相關(guān)性的比例為7/7、4/7、5/7。所有受試者一起分析時(shí)，三塊肌肉均具有顯著相關(guān)性，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.729、0.533和0.692，略小于個(gè)體相關(guān)系數(shù)的平均值，主要是由受試者表面肌電的個(gè)體差異造成的。

艙外服工況的功能操作運(yùn)動生物力學(xué)仿真引入了艙外服模型，6名受試者中三塊肌肉的預(yù)測激活和積分肌電具有顯著相關(guān)性的比例為6/6、4/6、6/6。所有受試者一起分析時(shí)，三塊肌肉均具有顯著相關(guān)性，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.729、0.600和0.795，相關(guān)性三角肌前束＞肱二頭肌長頭＞肱三頭肌外側(cè)頭。

5 分析與討論

表1 8種功能操作預(yù)測肌肉激活和積分肌電的皮爾遜相關(guān)性Table 1 Pearson correlation analysis between predicted muscle activation and iEMG for eight functional tasks

實(shí)驗(yàn)方法方面，本研究在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了加壓艙外服內(nèi)部的皮膚表面肌電信號采集，用于肌肉發(fā)力狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用了Noraxon無線肌電采集系統(tǒng)，艙外服內(nèi)部傳感器采集的肌肉電信號通過藍(lán)牙傳送至外部接收器。主要有三點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：1)接收器的位置會影響藍(lán)牙信號接收的質(zhì)量。艙外服在太空中的一個(gè)重要作用就是隔離輻射，所以對無線信號均具有一定的阻斷作用。距離艙外服內(nèi)部肌電信號發(fā)射器越遠(yuǎn)，肌電信號衰減越嚴(yán)重，艙外服工況下部分受試者肌電信號缺失就是由這個(gè)原因?qū)е碌摹?)艙外服內(nèi)部傳感器必須附著在皮膚表面，介于皮膚和艙外服內(nèi)壁之間。由于人體皮膚和艙外服之間頻繁地產(chǎn)生接觸力，容易使傳感器產(chǎn)生移動，導(dǎo)致肌電信號測試不準(zhǔn)確，所以必須采取一定的措施固定傳感器，本研究采用透氣繃帶固定傳感器。3)內(nèi)部傳感器的體積必須盡可能的小，否則會影響人體皮膚和艙外服手臂之間的接觸方式，導(dǎo)致局部接觸壓強(qiáng)過大，從而影響人體在艙外服內(nèi)部的操作能力，甚至引起局部壓傷。

研究方法方面，本研究在運(yùn)動生物力學(xué)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了著艙外服人體的肌肉激活預(yù)測。目前還有以下不足：1)模型驗(yàn)證目前仍采用定性的方法。肌肉激活和肌電信號之間的相關(guān)性驗(yàn)證作為一種定性驗(yàn)證的方法，說明了模型的有效性，卻無法反映模型的精確程度。在后續(xù)的研究中實(shí)現(xiàn)人體皮膚-艙外服的接觸力測量，一方面通過對比預(yù)測的接觸反力可以定量地驗(yàn)證模型，另外一方面也可以作為模型的輸入，增強(qiáng)模型的精確性。2)目前的動力學(xué)耦合僅根據(jù)人-艙外服實(shí)驗(yàn)中專家受試者的穿著體驗(yàn)，確定了人體皮膚和艙外服手臂的主要接觸力產(chǎn)生位置，從而設(shè)置反作用力力元。在后續(xù)的模型研究中，嘗試定義艙外服手臂內(nèi)壁和人體皮膚表面的幾何空間，只有當(dāng)二者產(chǎn)生接觸時(shí)，反作用力力元才會被激活，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)耦合和動力學(xué)耦合的有機(jī)統(tǒng)一，達(dá)到更智能化的人-艙外服交互運(yùn)動生物力學(xué)建模。

6 結(jié)論

本研究為探索人-艙外服之間的真實(shí)交互方式提供了新的方法。艙外服內(nèi)部肌電信號的采集能夠更真實(shí)地反映出艙活動中航天員的肌肉激活和體力負(fù)荷。運(yùn)動生物力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了著艙外服人體接觸力和肌肉激活，可以為出艙活動的方案設(shè)計(jì)階段提供參考。

通過肌肉激活和積分肌電的相關(guān)性分析，驗(yàn)證了常服工況和艙外服工況運(yùn)動生物力學(xué)模型的有效性，表明模型能夠用于預(yù)測出艙活動典型功能操作中不同肌肉的激活程度。艙外服工況下兩者之間的相關(guān)性沒有下降，一方面表明艙外服對于肌電信號采集的有效性影響較小，另一方面表明本研究建立的人-艙外服耦合運(yùn)動生物力學(xué)模型是較為準(zhǔn)確的。

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Predicting Muscle Activation in Typical Functional Tasks of EVA

WANG Xiaodong，WANG Zheng，LI Hao，LI Fan，LIU Zhizhen，WANG Chunhui
(China Astronaut Research and Training Center of China，Engineering National Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China)

This paper aims to predict the muscle activation of astronauts in EVA for ergonomic assessment of their physical states.Typical functional tasks such as pull，push，press and lift in various places were conducted by 9 participants in both spacesuit-unsuited and suited conditions to collect maximum force and sEMG(surface electromyography)of RT Biceps BR.，LT LAT.Triceps and RT ANT.Deltoid.Muscle activations in these functional tasks were predicted based on the proposed framework of human-spacesuit integrated biomechanical modeling.Model predictions were validated through the Pearson correlation analysis between predicted muscle activations and measured sEMG.The proposed human-spacesuit integrated biomechanical modeling offers a new insight into human-spacesuit interaction and physiological bases for EVA planning.

extravehicular activity(EVA)；EVA spacesuit；biomechanical modeling；muscle activation；Any Body；ergonomics

R337

A

1674-5825(2015)05-0510-06

2015-04-15；

2015-08-20

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2011CB711000)；中國航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目(2011SY5405002)；人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(HF2013-Z-B-02)。

王曉東(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教烊艘蚬こ?、?艙外服運(yùn)動生物力學(xué)建模。E-mail：sjtuwxd＠163.com

王春慧(1971-)，女，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教旃ばW(xué)。E-mail：chunhui_89＠163.com