模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

马 超，刘玉庆，朱秀庆，安 明，周伯河，陈善广，2*

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.中国载人航天工程办公室，北京100720）

·基础研究·

模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

马 超1，刘玉庆1，朱秀庆1，安 明1，周伯河1，陈善广1，2*

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.中国载人航天工程办公室，北京100720）

航天员太空飞行中，需要改变自身位置与朝向以完成不同的作业任务，当其无法触碰到手脚限制器等借助物时，会涉及通过自身动作的转换产生人体旋转的问题。为此，首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人体动力学方程，据此提出能够使得人体转动的肢体操作方法，然后采用悬吊法模拟太空失重环境，对比不同控制方法产生的旋转作用效果，发现肢体旋转时与身体的夹角和肢体旋转速度是影响人体旋转完成时间和关节力矩的主要因素，最后结合推荐动作与实验结果提出空间姿态变换运动的操作建议。结果表明本文推荐动作有一定的优越性，对航天员处于太空中的自旋转运动具有实用意义。

航天员；模拟失重；人体自旋运动；控制策略

1 引言

随着载人航天工程的发展，航天员处于太空舱中的活动空间将变得更大。当航天员进行舱内作业时，会出现人体无法借助外力的情况，此时要产生人体方向的改变，需要掌握自身姿态调节方法；当航天员进行舱外活动时，其与母航天器分离，若舱外服推进器某方向控制器发生故障，则返回到母航天器内需要两步，首先调整自身姿态直到面向正确的方向，然后借助方向完好的推进器使处于舱外的航天员返回到母航天器。太空特殊的失重环境会对人体感知及肌肉运动性能产生影响，地面上简单的动作此时变得困难［1］，因此研究航天员太空自旋运动策略，对其在太空中的姿态调整有重大意义。

美国麻省理工学院的Newman等人为了计算航天员在轨飞行时对飞行器的扰动，借助测力与动量的加强型动态负载感应器来分析其在轨运行时的舱内活动［2］，结果显示航天员日常的舱内活动不会对飞行器产生扰动。Philip［3］采用美国国家航空航天局约翰逊中心的中性浮力水槽实验室对航天员的控制策略进行了研究，水中活动受限少，人体可通过配平配重实现运动，但水的粘性对人体肢体运动产生了较大的粘滞阻力，不利于优化人体运动策略的目的［4］。Stirling［5］等人同样对地面模拟失重下人体的运动策略进行了研究，结果显示训练过的受试者比没有训练过的受试者更容易完成身体的旋转，动作合理性问题需要更进一步讨论。季白桦等研究了失重状态下的人体动力学方程［6］，给出了航天员通过双腿的圆锥摆运动来改变其自身姿态的方法，进行了计算机仿真，但缺少实验的验证。

本文的研究对象为复杂人体，具有误差大、稳定性低、主观能动性大的特点，结合未来我国航天员太空作业时无外力状态下旋转定向的需要，采用悬吊系统模拟空间失重环境，验证肢体运动产生身体旋转的可行性，通过实验数据的分析，研究影响人体旋转效果的因素，提出更适合于航天员快速高效调节身体姿态的策略。

2 人体空间运动策略

将人体简化为一个多刚体系统，由骨骼、肌肉、皮肤等组合而成，采用Hanavan人体模型［7］将人体分为15个体段，各体段近似为刚体，体段间的关节看作铰连接，相互间有旋转自由度，肢体间相对运动遵循动量矩守恒定理。设多刚体系统由15个刚体Bi（i=1，2，…，15）组成，各刚体相对人体总质心C的动量矩［8］如式（1）所示。

式中，Ji、ωi代表体段i相对体段坐标系原点的转动惯量与角速度，m代表体段质量，ρi是体段质心到体段坐标系原点的距离，rC为体段坐标系原点到人体总质心的距离，约定矢量上方的“·”表示在惯性空间向量对时间的导数。当初始动量矩为零，各体段协同动作且不受外力及外

航天员在太空无外力条件下要完成操作任务需要通过肢体运动改变自身姿态，姿态的改变可以总结为转动、翻滚和倾斜。基于上述动量矩守恒定理中涉及到的转动惯量、旋转半径等概念，经过熟悉训练和模拟相似条件的试验，总结出如表1的推荐动作提供给实验中受试者使用，以达到航天员改变姿态的目的。

人体自然站立时，定义矢状轴为x轴，由胸指向背，受试者绕其旋转时，双臂与身体运动在同一平面内，此时双臂朝一个方向运动，身体即向另一方向产生倾斜运动；定义冠状轴为y轴，由右肩指向左肩，受试者绕其旋转时，运用移轴定理知身体也可绕y轴向相反方向产生滚转；定义垂直轴为z轴，由人体质心指向头部，受试者绕其旋转时，同样运用移轴定理知身体也可绕z轴向相反方向产生偏航。

运用上述动作，理论上符合动量矩守恒定理，且经过计算身体随肢体响应较快且省力。下面将采用实验的方法对模拟失重环境下的航天员自转运动进行进一步研究，从而修正航天员太空自旋运动策略。力矩作用时，则有动量矩守恒，如式2。

3 悬吊实验设计

3.1 受试者

结合我国航天员的真实年龄、身高等参数，本实验经过中国航天员科研训练中心志愿者参与性试验申请，选拔了10名男性健康志愿者作为受试者参加实验，年龄在20至36岁之间，平均年龄为27.5岁。

3.2 基本参数的测量

为了分析受试者不同身体尺寸对于旋转效果的影响，依据国标《用于技术设计的人体测量基础项目》［9］选择测量项目，采用国标《人体测量仪器》［10］中的仪器对10位受试者相关肢体的长度、围度等进行测量，以此作为实验结果分析的数据来源。

测量得到各项数据后，结合国标《成年人人体惯性参数》［11］，计算得所有受试者体段的质量、质心以及转动惯量。表2以第五名受试者（下称“S5”）身体参数为例列出相关变量的计算结果。

表1 单轴运动控制方法Tab le1 M ethod of single-axis self-rotation

表2 受试者S5各参数值Table 2 The values of Subject 5

3.3 悬吊设计

地面模拟失重方法有多种，相关研究分析发现失重飞机模拟出的失重环境最为真实，但持续时间少，造价昂贵，难以实施；中性浮力水槽中适用于出舱进行程序性训练，不适合进行动作优化的研究；自由落塔可实现短暂的微重力环境，持续时间短的特点不适合本实验的验证；气浮平台模拟的失重环境受限于活动自由度，不适合于本实验的开展。基于此，本文采用三种悬吊模拟失重的方式，使受试者分别完成绕三个人体轴的旋转运动，如图1所示。

人体绕任意轴的旋转运动均可通过绕三轴的旋转组合来实现。为减少人体悬吊状态下自由旋转的摩擦力，采用旋转摩擦可以忽略不计的万向节连接绳索，承重为23 kN；用于悬挂受试者的绳索承重22 kN；固定支持机构的悬吊实验装置用工字型悬臂梁承担。

绕x轴与z轴旋转的悬吊方式为采用背带固定受试者的方法，以保持身体尽量笔直，借助绳索将其悬吊于悬臂梁上，实现绕相应轴旋转。绕y轴旋转则采用吊床将受试者吊起，以实现其绕冠状轴旋转。此方法扩大身体接触平板的面积，增强了舒适性，但侧向固定不稳带来了测量误差，因此身体应尽可能保持侧平，避免与固定带接触。

图1 悬吊系统装置Fig.1 Suspension system equipment

首先受试者分别熟悉三种悬吊方法下的运动状态，并根据自己的理解做出相应动作，以完成表3中的实验任务。实验前不获取任何指导性帮助的实验作为对比组；完成上述任务后，工作人员告知受试者推荐动作要领并进行实验前的动作熟悉与训练，同样完成表3中的实验任务作为实验组。每位受试者需要分别采用自主动作和推荐动作各完成3次顺时针旋转，3次逆时针旋转的实验任务。

表3 受试者需要完成的实验任务Table 3 Experimen t tasks by the test subjects

3.4 评价分析

实验中，对受试者的运动控制策略进行全程记录，以此统计出受试者各个动作的完成时间，比较各组动作策略的差异。在每一次试验任务完成后，受试者的主观评价作为地面模拟失重环境完成自转运动效果好坏的量化评价方式。实验采用任务工作量表（NASA-TLX）［12］评判各个维度的感受，作为对比自主动作与推荐动作运动控制策略优劣性的依据。

4 实验结果及分析

实验统计到10名受试者完成各个试验任务时的完成时间、动作次数等信息，据此分析不同控制方法的差异性。统计受试者每次动作时间，使用非参数检验的Friedman法［13］检验试验次数之间的显著性；结合各位受试者身体参数，分析受试者主动体质量、主动体旋转半径与试验任务动作次数的关系；使用Mann-Whitney检验方法［13］定量分析自主动作与推荐动作的差异。所有涉及检验统计量的非参数检验，显著性水平定为0.05。

4.1 完成时间的影响因素

4.1.1 初始动作与后续动作完成时间的区别

人体处于悬吊模拟失重这种不熟悉的状态下时，往往在第一次动作具有试探性，随后的试验中会实时地调整姿态与动作以更好的完成任务。分别将各受试者采用自主动作完成6项任务的第一次、第二次、第三次试验完成时间取均值后绘制成图，可以清楚的看到随着试验的进行，完成时间在减少，如图2所示。

图2 受试者采用自主动作完成时间平均值对比图Fig.2 Com parison of performance time of each task

由图可见，受试者做每个新动作过程中，第一次试验时占用更多的时间，接下来的尝试完成时间会减少。由于绕x轴旋转较困难，三次试验完成时间规律性不明显。采用非参数检验Friedman方法对受试者顺时针方向旋转的三次动作进行分析，渐近显著性P=0.008＜0.05，说明每次试验的完成时间存在显著差异。掌握此规律有助于为航天员制定控制策略时考虑如何尽快适应失重环境，避免试探性的使用动作而消耗时间与精力。

4.1.2 采用不同控制方法初次试验的区别

将受试者采用两种方法第一次完成三种旋转的时间绘制成图，如图3所示，可以看出采用推荐动作比采用自主动作的完成时间短。这说明本文推荐动作能够很快起到旋转的作用，而受试者自主研究的动作有试探性、不确定性，不能及时表现出很好的效果。因此后续训练中，可采用此方法对航天员进行地面训练。

图3 不同控制方法完成时间对比图Fig.3 Com parison of performance of differentmethod

4.1.3 不同动作完成时间的区别

各受试者分别采用自主动作与推荐动作完成实验任务，记录完成时间与肢体动作次数，分别将顺时针和逆时针旋转时的数据绘制成图表，如图4。

图4 各受试者采用自主动作与推荐动作所用时间及动作次数对比图Table 4 Com parison of performance tim e and m otion times of differentmethods

受试者采用两种方法完成任务效果的差异性可用Mann-Whitney检验来评价。绕x轴顺时针与逆时针旋转的精确显著性分别为0.019、0.011，绕y轴顺时针与逆时针旋转的精确显著性分别为0.005、0.015，绕z轴顺时针与逆时针旋转的精确显著性分别为0.315、0.393。当P＜0.05时，认为有明显的差异性，则绕x轴和绕y轴旋转的差异性明显，这与实际期望是一致的。而绕z轴旋转时，受试者所感受的状态与地面相似，采用的动作也更为熟悉，因此差异性不显著。

4.2 体型对旋转效果的影响

由上可以看出，单独研究旋转体质量、质心位置、动量矩以及质量比时旋转次数的变化无显著规律性。虽然说旋转次数随着旋转体质量增大而减小，随质心位置越远而减小，随着动量矩变大而减小，随着质量比的增大而减小，但各因素耦合作用时，受试者其他身体部位参数也发生相应改变，因此体型无法得出显著特点。但根据理论分析得知质心位置越远，双臂旋转会产生更大的转动惯量，而质量比越大同样可以产生更大的转动惯量，从而能够减少主动体旋转次数。因此，控制策略应更倾向于将双臂打开更大角度增大质心位置，同时多锻炼四肢力量，以便更轻易的完成空间旋转。因为动作完成时间的快慢还取决于人体其它部分质量及惯量的大小，以及人体动作习惯程度。

图5 旋转次数随体型变化图Fig.5 Changes of rotation times

4.3 任务工作量指数

对受试者完成每个实验任务后进行任务工作量评价打分。图6显示了受试者在不同项目中的得分情况，着重将两类动作分开进行了对比，图中表明了六项指标影响程度的大小情况。

图6 各受试者六项评价指标得分情况分布Fig.6 The NASA-TLX score of every subject

总体横向组间比较后发现，体力需求与努力程度得分相对较高，这反映模拟失重条件下航天员做动作影响因素较大的两个方面。

在脑力需求与体力需求方面，由于受试者处于悬吊系统模拟失重这种不熟悉的环境中，无论使用自主动作或是推荐动作都将耗费很大的脑力与体力，因此差异性小；而由于采用推荐动作能够更快更好的完成实验任务，因此在时间压力、努力程度和挫折程度方面差异较大，即采用推荐动作时，受试者会放心的运动，不会造成时间压力的担心，同时不用付出更多努力与克服挫折即可顺利完成实验任务。受试者采用两种控制方法都能完成实验任务，因此在自我表现得分方面都较高，说明完成情况良好。

4.4 旋转策略修正

由受试者双臂的旋转轨迹可以看出，当其采用自主动作时倾向于尝试双臂在胸前画圆的方法可有效实现自转。这与游泳时划水的动作相似，可体现出明显的旋转效果。

观察绕x轴旋转的技术发现，10名受试者同样倾向于将悬吊环境想象为水中的情境，采用肢体反向划动的方式，产生人体的旋转。这种旋转技术能够较快的实现身体转动，但双臂上下的方位容易引起身体的翻动，产生不稳定的现象。由于绕y轴旋转时受试者处于不常见的姿态，因此动作较难完成。受试者倾向于将双手置于胸前，在水平面来回的画圈，从而产生了轻微的转动。这些旋转技术体现了受试者更愿采用熟悉的动作来完成任务。相对绕x轴和绕y轴旋转，绕z轴旋转最易完成，因为z轴的悬吊状态对于受试者最为熟悉。

综上分析，人体处于无外力状态时，可通过质量和惯量较大的肢体旋转，来产生身体的旋转，同时将模拟失重环境想象为熟悉的情景，划动肢体，稳定产生身体旋转。

5 结论

通过悬吊系统模拟失重环境的方法研究了人体运动策略的可行性和优劣性，对航天员地面训练提供指导方法。整体上研究结果得出了以下三个结论，即空间动作适应时间与动作熟悉程度相关，推荐动作完成效果优于自主动作，绕x轴旋转和绕y轴旋转比绕z轴旋转困难。

研究中发现个别受试者的个别动作效果好，表现出优于推荐动作的特点。这反映出各受试者习惯方式不尽相同，需要通过大量实验得到适合自己的动作，同时也发现了理论计算中无法得出的一些结论，反映出人体运动的复杂性，为我们以后的研究带来新的课题。个性化的自旋运动方法涉及到航天员人体感知方面的研究，这将在后续工作中加以完善，并运用最优化理论方法，得到普遍适应于所有航天员的策略，同时结合舱外服的特征系统对舱外活动航天员的运动与操作方法做出研究。

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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

国防基础科研项目（B1720132001）；中国航天医学工程预先研究项目（2010SY5413004）；国家重点基础研究发展计划资助项目（2011CB711005）

马超（1988-），男，硕士研究生，研究方向为航天飞行训练模拟技术。Email：chillymay@163.com

陈善广，shanguang-chen@126.com