航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究.pdf

航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究 李元丰，张万欣 （中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 ） 摘要：肩法兰是航天服影响人体上肢活动的关键部分，为分析其对上躯干结构和航天服工效性 能的影响，依据人体上肢运动学建立了上肢可达域运动学模型，再通过分析肩法兰对上肢活动 的影响，建立了肩法兰与上肢活动的相关性数学模型。 开展了肩法兰与上肢活动相关性实验， 将模型计算的肩法兰对人体上肢活动的影响和实验测试结果进行了对比，包括上肢活动空间 的外观形态、体积及截面面积等，模型计算结果与实验测试结果相近，说明所建立的肩法兰与 人体上肢活动相关性模型可有效地计算肩法兰对上肢活动的影响。 研究成果为未来肩法兰的 优化设计以及航天服工效性能的改进提供了参考。 关键词：航天服；肩法兰；上肢活动；相关性 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：- （）- - Study on Mathematical Model of the Correlation between Spacesuit Scye Bearing and Mobility of Up Limbs ， （ ， ， ， ） Abstract： - - ， - ， - Key words：； ； ； 收稿日期：- - ；修回日期：- - 基金项目：载人航天预先研究项目（） 作者简介：李元丰（ ），男，硕士研究生，研究方向为航天服工程。 - ： 引言 舱外航天服上躯干结构是航天服的基础部 件，其工效性能对航天服的工效能力具有重要影 响 。 上躯干结构的工效性能取决于结构与人 体参数的符合程度，特别是与人体运动的耦合程 度。 上躯干结构与人体相关的运动包括头部运 动、上肢运动以及腰部活动等，而上肢活动由于其 结构复杂、自由度多、活动范围大等特点成为受上 躯干结构影响最显著的人体运动。 上躯干结构对人体上肢运动的影响是通过肩 法兰的限制实现的，这是因为航天员在穿着航天 第 卷 第 期 年 月 载 人 航 天 服时，其双臂是通过上躯干的肩法兰开口穿入航 天服上肢组件的，因此肩法兰开口的布局对人体 着航天服后上肢活动范围具有显著影响 。 综 上，开展肩法兰与上肢活动的相关性研究对于提 高上躯干结构以及舱外航天服的工效性能具有重 要意义。 结合工程研制经验、总结肩法兰布局对人体 上肢活动的影响是分析肩法兰与上肢活动相关性 的有效方法，如 - 航天服工程师在 - 研究的 基础上获得了研究经验，对 - 航天服的肩法兰 布局进行了优化 。 但是经验总结的方法需要 大量的工程研制经验作为支撑，耗时长，须加深肩 法兰与上肢活动相互关系的理论研究。 等人采用人体三维扫描的方法对肩法兰对上肢活 动的限制进行了探索，并对肩法兰对上肢活动的 物理限制进行了讨论，但该研究以探究肩法兰布 局对人体的伤害为目的，对于肩法兰与人体上肢 活动相关性的描述尚不充分； 通过实验方法研究了肩法兰的布局随上肢运动变 化的特性，获得了肩法兰布局参数与人体活动关 系的回归模型，然而该研究仅仅以上肢活动的某 些特征动作作为实验内容，对上肢活动的表达并 不充分，因此获得的相关性研究结论也并不全面。 本文开展了航天服肩法兰与人体上肢活动相 关性数学建模研究。 根据上肢的生理学特点建立 人体上肢可达域运动学模型，分析了肩法兰对人 体上肢活动的影响，建立肩法兰与人体上肢活动 的相关性模型，并开展了肩法兰与人体上肢活动 相关性验证实验。 人体上肢运动学模型 建立人体上肢可达域运动学模型的目的是为 进一步建立肩法兰与人体上肢活动的相关性模型 提供基础，因此模型必须对上肢的生理学结构和 运动机理进行详细的描述。 上肢是人体中活动范围最大，最灵巧的运动 机构，包括的关节主要有肩关节复合体、肘关节、 腕关节以及掌、指关节等，其中肩关节复合体和肘 关节赋予了人体上肢大范围的活动能力，而其它 关节实现的是上肢活动的灵巧性，因此上肢可达 域的运动学研究中，应着重对肩关节复合体和肘 关节特征进行分析研究。 畅 肩关节复合体模型 肩关节复合体生理结构如图 所示，包含的 关节有胸锁关节、肩锁关节、肩胸关节和盂肱关 节 。 图 1 肩关节复合体结构 Fig 1 Structure of the shoulder complex 各个关节的协调配合作用保证了肩关节复合 体成为人体中活动自由度最多的关节 。 例如， 当上肢进行外展运动时，肱骨向上抬升，此时锁骨 的躯干端相对于胸骨绕胸锁关节转动，肩胛骨相 对锁骨绕肩锁关节转动，并沿着胸腔后壁滑动，肩 胛骨转动的结果是带动盂肱关节的转动中心移 动，从而保证肱骨可以大范围活动 。 在手臂抬 升过程中，肱骨抬升角度和肩胛骨转动角度对上 肢抬升角度的作用遵循“”规律 ，即手臂每 外展 度，肱骨绕盂肱关节转动角度贡献 度，而 肩肩胛骨绕肩锁关节转动贡献 度。 手臂外展时 的肩关节运动情况如图 所示。 等人通过实验对肩部关节的运动 机理进行了研究，并将肩关节复合体划分为内、外 肩关节组合。 同样采用实验方法进一 步对肩关节复合体进行了研究，提出将肩关节复 合体简化为一条虚拟的肩胛带，肩胛带连接肩关 节的内、外关节，如图 所示，内关节实现可实现 个自由度的转动，而外关节是 个自由度的球 副关节，肩胛带的长度对应于胸锁关节和盂肱关 节回转中心连线的距离，随上肢的运动而变化。 因此，所建立的肩关节复合体包含 个自由度，且 研究表明各个自由度间存在着密切的耦合关系。 畅 肘关节模型 肘关节的运动包括屈 伸和旋前 旋后，其中 旋前 旋后运动的主要作用是辅助腕关节实现上 肢运动的精细调整，对于可达域空间并没有太多 贡献，因此，在建立上肢可达域模型中，将肘关节 简化为只有屈 伸运动的单自由度关节，如图 所 示。 第 期 李元丰，等 航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究 图 2 肩关节复合体模型 Fig 2 Mathematical model of shoulder complex 图 3 肘关节模型 Fig 3 Mathematical model of elbow joint 畅 上肢可达域运动学模型 根据上肢的生理结构和各关节的简化模型， 依据 - 等人的研究，建立了一种 自由 度的人体上肢可达域运动学模型，如图 所示，可 达域以腕关节中心作为参考点。 图 4 上肢可达域运动学模型 Fig 4 Kinematic model of arm reachable workspace 人体坐标系中心定义于内肩关节中心，各坐 标轴方向如图 中定义：x 轴沿人体冠状轴方向， y 轴沿人体矢状轴方向，z 轴沿人体垂轴方向。 、表示内肩关节绕 x、y 轴转动角度；、 分别代表标准测量肩关节外展 内收、前屈 后 伸以及旋内 旋外的活动角度；表示肘关节的 屈 伸运动角度；r、r、 r分别表示肩胛带向量 （即内、外肩关节中心距离向量）、上臂向量和前 臂向量；r为腕关节中心位置向量，则有式（）： rRR r RRR （r R r）（） 式中，所有的 R 代表关节绕相应方向的旋转矩 阵。 上肢运动的所有活动角度及肩胛带长度变化 间存在如式（） （）所示强烈的相互耦合关 系 - ： r d （） r d （） r d （） ，（） ， （） F ， （） 通过 、可求得上臂运动的空间角度 如式 （）： （ ）（） 假设 d为初始状态肩胛带长度，则肩胛带长度如 式（）： dd （） 肩内关节活动角度如式（）、（）： ， （） ， （） 肘关节转动角度如式（）： ，（） 模型以标准测量肩关节以及肘关节活动范围 作为输入参数，在某个角度活动范围内设定一定 的步进进行迭代循环运算腕关节中心点的可达位 置，在计算过程中判定上肢结构与人体躯干和头 部的碰撞关系，剔除上肢结构与人体躯干和头部 有碰撞的可达点，可获得上肢可达域。 肩法兰对上肢运动的影响 肩法兰布局的设计因素包括左右肩法兰中心 载 人 航 天第 卷 点距 l，角度 ，角度 以及肩法兰内径 d，其中角 度 ，角度 是肩法兰的空间角度 。 人体坐标 系的定义同图 中所示，原点定义为左右肩关节 连线中心。 肩法兰的初始位置定义为与 YZ 平面 平行，肩法兰局部坐标系原点定义在肩法兰中心， 局部坐标系各个轴方向在肩法兰初始状态下与基 坐标系各轴平行。 因此，角度 定义为肩法兰绕 其局部坐标系 z 轴转角，角度 为肩法兰绕局部 坐标系 y 轴转角。 肩法兰对人体上肢活动的影响主要体现在对 其活动范围的物理限制上，通过对肩关节复合体 和上臂的运动限制实现。 肩法兰首先对人体肩 部，即肩关节复合体的活动有限制作用。 肩关节 复合体运动自由度多、运动复杂，保证上肢可以大 范围的活动，运动形式主要是锁骨绕胸锁关节转 动，肩胛骨绕肩锁关节转动同时沿胸腔后壁滑动， 产生的结果是盂肱关节的球副回转中心位置漂 移。 当肩法兰的相对位置位于人体肩宽内部时， 肩法兰对锁骨的摆动和肩胛骨的滑动范围进行了 约束，制约了盂肱关节球副中心的位置移动，因此 大大影响了上肢的运动范围，如图 所示。 图 5 肩法兰对肩关节复合体运动的影响 Fig 5 The influence of scye bearing on shoulder complex 肩法兰对上臂的活动范围也有限制作用，主 要是通过物理碰撞实现。 肩法兰与上肢活动相关性建模 在前文建立人体上肢可达域运动学模型的 基础上，对上肢活动附加肩法兰约束，建立肩法 兰与上肢活动相关性模型。 基于 建立的 模型如图 所示，模型坐标系原点定义于左右 肩关节中心连线中心点，各个坐标轴轴方向如 图中所示。 图 6 肩法兰与上肢活动相关性模型 Fig 6 Mathematical model for the correlation between spacesuit scye bearing and mobility of up limbs 模型中以椭圆柱体和球体仿真人体的躯干和 头部，以线段模拟上肢的刚体结构。 肩法兰对肩 关节复合体的限制包括限定锁骨的摆动和肩胛骨 的滑动。 上肢运动学模型中，肩部关节被简化为 了肩胛带，可以近似模拟锁骨，但不能有效的描述 肩胛骨的结构和运动，为此，在上肢运动学模型中 加入了肩胛骨模块，以空间线段代表肩胛骨的边 缘，其运动遵循前文阐述的“”规律。 设定碰撞阈值判定上肢结构与人体躯干和头 部以及肩法兰的碰撞，该阈值依据人体的几何参 数选取。 碰撞判定上肢在某一可达位置是否有 效，若某一可达位置对应的上肢结构与人体躯干、 头部以或肩法兰的距离小于碰撞阈值，则认为对 应的上肢可达位置是无效的。 肩法兰与人体上肢活动相关性验证 为验证建立的上肢可达域运动学模型以及肩 法兰与人体上肢可达域运动学模型的有效性，开 展肩法兰与人体上肢活动相关性验证实验。 实验现场如图 所示，以航天服上躯干结构 构型模拟装置模拟航天服的肩法兰结构，该装置 由上躯干结构的各个法兰结构构成，可模拟不同 形式的上躯干结构构型。 志愿者的上肢活动信息 由 人体动作捕捉系统捕捉记录。 实验过 程包含 个步骤：首先测量志愿者在无肩法兰约 束状态下的上肢可达域，然后测量志愿者在肩法 兰约束状态下的上肢可达域。 在实验过程中，约 第 期 李元丰，等 航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究 束志愿者躯干及下肢的运动，保证身体不产生转 动和倾斜。 图 7 实验现场 Fig 7 Experiment environment 结果及分析 航天员穿着舱外航天服进行出舱活动过程 中，上肢的活动空间基本集中于身体的前部，涉及 到身体后部取悦较少，因此在分析肩法兰与人体 上肢活动的相关性时，针对上肢在身体前部的有 效活动空间进行讨论更有意义，因此定义上肢在 身体前部的活动空间为上肢有效可达域空间。 以身高为 男性为例，采用相关性模 型计算和实验测量无肩法兰约束和有肩法兰约束 的上肢有效可达域空间。 根据 - 中 人体尺寸标准，模型中的人体参数设置如表 所 示，上肢角度范围如表 所示，模型和实验中的肩 法兰的布局参数如表 所示。 表 1 模型人体参数 Table 1 Parameters of human body 躯干椭圆柱体头部球体上肢参数 柱体高椭圆长轴椭圆短轴半径肩胛带长上臂长前臂长碰撞阈值 创妹 Q櫃洓wS 表 2 上肢活动角度参数 Table 2 Parameters of upper limb angles 表 3 肩法兰布局参数 Table 3 Parameters of scye bearing 左右肩法兰中心点距 l 角度 角度 肩法兰内径 d 参数 无肩法兰约束人体上肢可达域空间和肩法兰 约束人体上肢可达域空间的模型计算结果和实验 测量结果如下： 畅 无肩法兰约束人体上肢有效可达域空间 无肩法兰约束人体上肢有效可达域空间的模 型计算结果与实验结果对比如图 所示，图中沿 高度方向截取了几个有效可达域空间的截面，从 图中可以看出，上肢运动学模型计算的有效可达 域空间沿垂直方向上的截面形态与实验测量的结 果相比基本一致，表明模型计算的有效可达域空 间在外观上与实际情况相同。 比较有效可达域空间体积，如表 所示，差异 很小，表明模型对可达域空间体积的计算较准确。 为全面比较模型计算与实验测量结果，绘制 有效可达空间截面面积- 高度关系图，如图 所 示，可知模型计算的上肢有效可达域空间截面面 积与实验结果符合程度很高，整个有效可达域空 间沿高度方向呈“中间大，两端小”的梭状形态。 在上、下两个极端截面的差异较明显，一方面是因 为模型关节活动角度耦合关系在极限位置的误 差，另一方面是在实验测量中，上、下极端位置的 测量误差也相对较大。 表 4 无肩法兰约束上肢有效可达空间体积对比 Table 4 The comparison of workspace without scye bearing volume 模型计算实验测量 体积C C畅 畅 通过以上对比，证明了建立的人体上肢可达 域运动学模型可以准确的计算人体上肢的有效可 达域空间，可进一步用于建立肩法兰与人体上肢 活动相关性模型。 畅 肩法兰约束人体上肢有效可达域空间 按照表 中参数设置肩法兰布局，将相关性模 型的计算结果与实验测量结果进行对比，如图 所示。 图中是上肢有效可达域空间沿高度方向上 的几个截面图，模型计算有效可达域截面形态与实 载 人 航 天第 卷 图8 无肩法兰约束上肢有效可达域空间的模型计算与实验结果外观对比 Fig 8 The comparison of workspace without scye bearing appearance between calculation and experiment results 图9 无肩法兰约束上肢有效可达域截面面积模型计算与 实验结果对比 Fig 9 The comparison of workspace without scye bearing section area between calculation and experiment re- sults 验测量结果相近，证明模型计算的肩法兰约束的上 肢有效可达域在外观上与实验结果一致。 比较计算与实验的肩法兰约束上肢有效可达 空间体积，如表 所示，两者差异很小，证明模型 计算结果有效，另外，同表 中数据相比可知，肩 法兰对人体上肢的有效可达域空间具有显著影 响。 表5 肩法兰约束上肢有效可达空间体积对比 Table 5 The comparison of workspace with scye bearing volume 模型计算实验测量 体积 畅 : :畅 将有效可达域空间的沿高度方向上的截面面 积变化情况进行对比，如图 所示，计算获得的 上肢有效可达域空间截面面积随高度变化趋势与 实验结果基本一致。 然而在具体数值上，计算结 果存在一定差异，在低于人体胸部的位置，模型计 算获得的截面面积偏小，而在人体胸部以上至头 部的空间内，计算值明显大于实验测量值。 相关性模型建立的目的是计算肩法兰对人 体上肢活动的影响，因此将模型计算的肩法兰对 人体上肢的约束情况与实验测量的结果进行比 较，如图 所示，图中为无肩法兰约束状态和有 肩法兰约束状态下上肢有效可达域空间沿高度方 向的截面面积对比，通过对比，可获得结论，肩法 兰对于人体上肢活动可达域的影响非常明显，并 且通过模型计算和实验测量的结果对比来看，两 者符合程度较好，表明模型对于肩法兰对人体上 肢活动影响的计算结果是有效的。 以上对模型计算的和实验测量的肩法兰对人 体上肢有效可达域空间影响的对比表明，所建立 的肩法兰与人体上肢活动的相关性模型虽然在部 分方面对肩法兰与人体上肢活动的关系的描述精 度不足，但是仍可以较准确的表达肩法兰对人体 上肢有效可达域空间的影响情况，模型具备一定 的合理性。 第 期 李元丰，等 航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究 图10 肩法兰约束上肢有效可达域空间的模型计算与实验结构外观对比 Fig 10 The comparison of workspace with scye bearing appearance between calculation and experiment results 图11 肩法兰约束上肢有效可达域截面面积模型计算与实 验结果对比 Fig 11 The comparison of workspace with scye bearing section area between calculation and experiment results 畅 误差来源分析 通过对模型计算和实验测量结果的对比证明 了所建立的人体上肢可达域运动学模型和肩法兰 与人体上肢活动的相关性模型的有效性，但在诸 多方面还存在误差，模型的误差主要来自以下几 个方面： ）在建模过程中，对人体上肢的结构进行了 简化，尤其是肩关节复合体，该简化虽然可以较好 的表达上肢的运动特性，但对于几何形态的描述 缺乏足够精度，特别是在进行上肢结构与身体或 肩法兰碰撞判定时，会带来一定偏差； ）模型中上肢结构与肩法兰以及身体碰撞 判定的碰撞阈值是依据人体的几何参数设定的， 图12 肩法兰对上肢有效可达域截面面积影响模型计算与 实验结果对比 Fig 12 The comparison of t