王 謙，田寅生，劉何慶，丁 立

（1.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，北京100191；2.北京航空航天大學醫(yī)工交叉創(chuàng)新研究院，北京102488；3.空軍航空醫(yī)學研究所，北京100036）

1 引言

艙外航天服內的氣體壓力（簡稱壓力）是維持航天員自身生理平衡的關鍵因素，中國及俄羅斯使用的艙外航天服的服裝內壓為39.2 kPa，美國使用的艙外航天服的服裝內壓為29.6 kPa［1］。但過高的壓力會造成航天服膨脹，導致關節(jié)的活動范圍減小、拮抗變大［1］。由于大多數(shù)艙外任務需要靠雙手完成［1］，因此壓力對手操作的影響最明顯，受到各國學者的長期關注［2?3］。

為了便于航天員的艙外作業(yè)，艙外活動（Ex?tra Vehicular Activity，EVA）手套應最大限度地滿足工效學要求。其中關節(jié)活動范圍（Range of Mo?tion，ROM）是最常被提及的工程設計指標之一。早在上世紀八十年代，O’Hara［3］就在全面評估EVA手套的工效指標時，將ROM作為一項重要指標進行了系統(tǒng)的研究。O’Hara將實驗分為四種工況：裸手、戴手套不加壓、戴手套不加壓并將整個手臂節(jié)段置于手套箱中、戴手套加壓（29.6 kPa）并將整個手臂置于手套箱中，比較了不同工況下，尤其是裸手和手套加壓情況下的各個指節(jié)的角度變化。但是這些研究的對象大多是美國和歐洲的手套產品，目前很缺乏對中國的“飛天”系列手套的測試以及兩種充壓規(guī)范之間的橫向比較。

本文利用低壓模擬艙配合EVA手套還原EVA手套的壓力工作條件，并通過二維圖像捕捉對受試者進行12種常見關節(jié)動作的圖像采集。通過設定的標志點測量關節(jié)的過度角度，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理與分析，分析不同壓力對關節(jié)活動角度的影響。

2 方法

2.1 受試對象

本文選擇了十二位身體健康的在校大學生志愿者（23.4±2.5歲）參與試驗，所有受試者均為右利手，手型符合手套的穿戴要求。受試者均自愿參與試驗并在試驗前簽訂了知情同意書。

2.2 試驗工況模擬

試驗中通過低壓模擬艙和EVA手套相互配合來實現(xiàn)手套充壓狀態(tài)的模擬。

低壓模擬艙包括真空泵、壓阻真空計、艙體、艙門和試驗手套（圖1）。試驗手套采用了地面試驗測試手套，手套從內到外分為三層結構：TMG層（Thermal Micrometeoroid Garment）、限制層和防護層。氣密層為不透氣的橡膠材料制成，用來維持手套內的壓力；限制層位于氣密層表面，可以限制氣密層過度膨脹，減小手套的阻抗力；TMG層可防止熱量流失和微隕石擊穿氣密層。當手套加壓時，氣密層膨脹，材料變得堅硬，當關節(jié)部位彎曲時即會產生阻抗力。結構和性能基本接近EVA手套。手套的手心和手背的中心位置用紅色記號筆畫上清晰的十字線，便于圖像的采集，裸手也做同樣標示，見圖2。手套安裝在艙門上，當艙門關閉時可以實現(xiàn)對艙內的密封，這與NASA的低壓艙［4?6］在側壁設置手套相比，可以減小艙體體積。當真空泵抽取低壓艙內氣體時，手套內外產生壓差。利用壓阻真空計測量艙內壓力，當艙內壓力＝標準大氣壓－EVA手套充壓壓力時，手套內外壓差等于EVA手套的充壓壓力，即達到了手套的充壓狀態(tài)。壓阻真空計的測量精度可達10 Pa。試驗工況如表1所示。

圖2 在受試者的手心手背做記號Fig.2 Mark the subject’s palm

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

2.3 測試項目和測量設備

本文選取了12個關節(jié)角進行測量，涵蓋了拇指、食指、中指和手腕的重要關節(jié)。關節(jié)動作來自航天員的任務動作簡化［7?8］。

每個手指含有兩個指骨間關節(jié)（Inter Phalan?geal joints，IP），包括近端指節(jié)（Proxmial Inter Phalangeal，PIP）和遠端指節(jié)（Distal Inter Phalange?al joints，DIP）［9?11］，每只手分別有五個掌指關節(jié)（Metacarpophalangeal，MCP）。 對本文所涉及的12個關節(jié)分類如表2所示。

表2 關節(jié)分類及定義Table 2 Joint classification and definition

通過低壓艙內設置的兩個高清晰度攝像頭可以提取各個工況下手或手套的內側圖像。一號攝像頭（RYS?1421，RYS）固定在艙體內壁左側中央（視角以正對艙門方向為準），二號攝像頭位于艙體內壁上方中央，并通過數(shù)據(jù)線連接至電腦?？赏ㄟ^實時觀測軟件（由MATLAB 2013編寫）提取二維圖像并保存。

在圖像提取過程中，在用于校正的攝像頭前方10 cm處放置十字形標志物，線長均為50 mm。從攝像頭觀察，移動手的位置使兩個十字完全重合。在試驗過程中也要時刻保持對受試者的手部姿態(tài)進行校正（圖 3），提取動作 1、2、5、7 的二維圖像時，用一號攝像頭校正和拍攝，提取動作3、4、6、8、9、10、11、12 的二維圖像時，用二號攝像頭校正和拍攝。

圖3 手部姿態(tài)校正Fig.3 Hand gesture correction

2.4 數(shù)據(jù)處理

對在裸手時的關節(jié)角作如下定義：首先確定要測量的關節(jié)角和形成關節(jié)角的兩部分指節(jié)或肢體，在其中每個指節(jié)上畫出兩個點，連接兩個點形成一條線［12］，兩條線的交角即為所要測量的角度（圖4）。其他的裸手角度定義見圖2。

圖4 裸手情況下對ROM的定義Fig.4 The definition of ROM under bare hands

在穿戴手套時，對關節(jié)角作如下定義：首先在圖片上確定參與關節(jié)彎曲的手指指節(jié)或肢體，并圈定覆蓋這些部分的手套結構；運動關節(jié)，找出由于關節(jié)運動而使手套發(fā)生折疊的點，此點即看成一個關節(jié)點，連接每個指節(jié)上的關節(jié)點形成一條線，兩條線的交角即為所要測量的角度（圖5）。

圖5 穿戴手套情況下對ROM的定義Fig.5 The definition of ROM when wearing gloves

ROM的照片將根據(jù)綜上對它的定義，找出關節(jié)夾角，并用CAD軟件計算角度。再對全部受試者結果求均值。對所采集的ROM值數(shù)據(jù)在SPSS（22.0.0.0，IBM）中進行方差分析。

2.5 測試流程

1）主試和被試根據(jù)上文提到的具體工況做好相應試驗準備。

2）使關節(jié)活動平面和試驗艙內左側固定的攝像鏡頭處于平行位置，隨機且不遺漏地做出上文提到的12個動作；并截取人體可做到的每個動作極限角度時的二維圖片，拍照過程中應保持動作穩(wěn)定不變形。通過軟件描取中軸線，確定關節(jié)角并測量角度。每個動作在不同工況下做4次取平均值。在采集圖像時要尤其注意2D圖像獲取的準確性。

3）通過CAD軟件對圖片進行處理得到關節(jié)角。所有角度均選取相鄰兩骨的中心線所構成的角度。

4）進行數(shù)據(jù)處理。

3 結果

試驗采用攝像頭拍攝出手部各種動作的圖片。通過CAD軟件對圖片進行處理就能得到手和手指在4種工況下的ROM，如表2所示。通過對表2中各個工況下加壓情況與裸手情況下ROM值的比較得到相對的ROM值減小幅度，如表3所示。

雖然沒有相關的文獻可以對全部的角度進行驗證，但根據(jù) Tanaka（2010）［12?15］的數(shù)據(jù)標明：右手食指DIP（與本文的鄰近指節(jié)彎曲是相同關節(jié)），在穿戴EVA手套時（常壓），比裸手活動角度減小了約34%。由表3可知本文的鄰近指節(jié)彎曲動作，在裸手和戴手套工況間相差29%，是比較接近的。Thompson對雙手的拇指活動性進行了研究，主要關節(jié)為MCP，研究表明活動性在29.6 kPa下下降到70%左右［13］。對應本文的掌骨指骨彎曲角度的變化（78%）是接近的。以上基本可證明該方法的可靠性。

1）與裸手情況相比，戴手套（不加壓）對ROM的影響

表2 手和手指在4種工況下的ROM值Table 2 ROM value（°） of hand and finger under 4 operation conditions

表3 戴手套相對于裸手情況ROM值的減小幅度Table 3 The decrease of the ROM value of the gloverelative to the bare hand

由圖6可知，戴手套對拇指指節(jié)延伸、拇指指節(jié)彎曲、手腕向內彎曲影響顯著（p＜0.05），尤其對掌骨指骨彎曲、鄰近指節(jié)彎曲、食指指骨彎曲、食指與中指的最大夾角、手腕向后延伸有非常顯著的影響（p＜0.01）。

圖6 與裸手情況相比戴手套對ROM的影響（不加壓）Fig.6 The effect of gloves on ROM （unpres?surized）compared with bare hands

2）與裸手情況相比，戴手套（加壓）對ROM的影響

圖7 與裸手情況相比戴手套對ROM的影響（加壓）Fig.7 The effect of gloves on ROM （pres?surized）compared with bare hands

手套加壓后所有關節(jié)的活動性都不同程度地受到了影響，活動性進一步降低，由圖7可知，拇指掌骨延伸、掌骨指骨延伸、鄰近指節(jié)延伸在加壓后影響顯著（p＜0.05），與無壓戴手套結果產生了區(qū)別。手腕向內彎曲在加壓后受到的影響更加顯著（p＜0.01）。從整體看，延伸動作比彎曲動作的變化要小，這是因為關節(jié)的生理構造。但拇指指節(jié)彎曲加壓前后的差距很小，說明在手套拇指關節(jié)的柔韌度處理上，做得較好；而其他手指，尤其是食指和中指指節(jié)處，手套還應進一步考慮增加柔軟度，提高活動性。O’Hara以及Pelton的試驗［3］表明：戴有壓手套對掌指關節(jié)彎曲活動范圍影響不大，而對近端指間關節(jié)和手腕的活動范圍影響卻很顯著。但在本試驗中發(fā)現(xiàn)MCP（例如：拇指掌骨彎曲，掌骨指骨彎曲）的角度變化與IP（鄰近指節(jié)彎曲，食指指骨彎曲）一樣劇烈，手腕關節(jié)（手腕向內彎曲，手腕向后延伸）也同IP一樣有很大的角度變化。導致結果與文獻結論相悖的原因可能是手套和選取的ROM動作存在區(qū)別。戴手套對拇指指節(jié)延伸、拇指指節(jié)彎曲、手腕向內彎曲影響顯著，尤其對掌骨指骨彎曲、鄰近指節(jié)彎曲、食指指骨彎曲、食指與中指的最大夾角、手腕向后延伸有非常顯著的影響。但每個人的手部構造都不盡相同，本試驗所選取的受試人數(shù)也十分有限，所以在數(shù)據(jù)分析上還具有一定的局限性［14?16］，對其它特殊情況可能還沒能考慮在內。

4 結論

1）戴有壓手套對掌指關節(jié)彎曲活動范圍影響不大，而對近端指間關節(jié)和手腕的活動范圍影響卻很顯著。其中對近端指間關節(jié)動作中的食指指骨彎曲動作和食指與中指的最大夾角影響最為明顯，活動性分別降低50%和80%左右。對手腕活動中的手腕向后延伸這一動作影響最為明顯，活動性降低了50%。

2）手套的加壓會導致近端指間關節(jié)和手腕的活動范圍急劇地降低，食指與中指的最大夾角，戴手套相對于裸手情況ROM值的減小幅度從0 kPa下的 23.20% 到 29.6 kPa 下的 78.15%，減小幅度增加了54.95%。由此，在實際艙外活動中，應該著重注意這一點對航天員安全以及艙外活動任務的影響。

3）本文所得結論可作為艙外航天服手套工效學設計的參考，可為航天員艙內活動和飛行員駕駛活動提供參考。但為了更好地應用相關研究，還需對有溫度影響下的活動范圍進行進一步的研究，以探討溫度和壓力復合作用時對ROM的影響。

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