基于JACK的空间站实验舱内工作姿势的工效学分析

潘 静，初建杰，闫 妍，丁田妹，陈 婧，马干干

（西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072）

在对空间站实验舱进行人机工程和人机工效学分析评价的过程中，借助传统的创建真实样本的分析评价方法，需要花费大量的时间及成本。而现如今发展的虚拟现实仿真技术的应用则突破了传统的基于二维的人—机界面模式和交互方式的局限，极大地增强了人的主动性和仿真方法的灵活性[1]，为人机工效分析评价提供了新的方式。

JACK是一个目前较为成功的人体建模仿真和工效评估软件，提供了直观的操作界面，丰富的人体测量学数据库，和完整的人机工效评估工具包以及强大的人体运动仿真能力[2]。本文将实验舱的3D—MAX模型导入到JACK软件中，利用我国航天员的人体测量数据，在JACK软件中建立数字人，创建位于太空中的实验舱仿真模型，对其内部的装置和布局进行分析评价，对不符合人机工程原理和人机工效学的部分进行修改和优化，使实验舱内的人—机—环境达到和谐平衡，航天员在生理和心理上都能获得最优、最舒适的人机环境。

1 仿真环境的创建

1.1 实验舱模型的创建

在JACK软件中，可以从草图开始建立模型，也可以导入3D模型数据，如利用UG，PRO-E，3D—MAX，或CAD等。而其中的分析对象是指由3D软件建立的模型，在本文中，即指空间站实验舱的3D模型。通过STL文件格式将其导入软件后，构成航天员的虚拟环境，利用JACK软件对其进行人机工效仿真分析，分析评价其装置及布局的可视域、可达域、疲劳和舒适度，并提出修改和优化方案。

1.2 数字人的创建

1.2.1 数字人的人体数据

JACK之所以在人体建模领域占据主导性的地位，其主要原因是软件本身提供了业界最精确的人体生物学模型，模型包含运动学算法和生物学算法。JACK中的三维人体模型在建立数字人模型的过程中还可以自定义数字人模型身体的各个尺寸[3]。在JACK软件中可以创建身高或体重百分位为 99、95、50、5、1的男性或者女性，此外还可以对创建模型的26项数据进行修改，以便得到符合仿真分析条件的数字人模型。

现如今的JACK7.1版本的三维人体模型数据库包含了美国、加拿大、中国、印度、德国、日本、韩国以及国际的权威人体数据，适用于大多数国家。然而，对于本文中特定的航天员群体，其人体尺寸与JACK数据库中的尺寸会存在一定的差异。因此应根据表1中提供的航天员数据对数字人进行微调。

要通过精确定义，利用建立数字人模型窗口进行微调，根据表1中提供的航天员数据，可以修改人体的26个部位的尺寸，以及25个关节的自由度，其中重点关注数字人的身高，手臂长度，腿部长度，手长宽，足长宽，坐高等数值，创建出合适的数字人以进行之后的仿真分析。

1.2.2 数字人的工效学姿势

在数字人的底层代码中包含了大量的运动学公式，可用以定位和设置数字人姿势。设置数字人姿势时，可以通过直接操纵关节或从姿势库（包含30个预定义姿势）中选择姿势来改变数字人的姿势。由于太空微重力的影响，航天员在实验舱内的姿势基本自然呈中性体位，如图1所示，即脚和通过躯干的轴线呈约有111°的弯曲，大腿小腿间角度约为133°，上下手臂间角度约为120°，背部自然弯曲，脚面倾斜。根据航天员在实验舱内要进行的活动，工作状态下的航天员主要是以在临时工作椅上的坐姿为主。

表1 我国航天员群体地面1g环境下不着服工况下人体形态参数Tab.1 Chinese astronauts’body shape parameters of no suit conditions in the environment of 1g

图1 数字人中性体位Fig.1 Normal position of digital bodies

2 舱内工作姿势的工效学分析

2.1 可视域

航天员在实验舱内不仅要做各项实验，而且还需要操控舱内的仪器以保证实验舱正常运行。航天员需要通过显示器和各类面板准确地了解舱内的运行状况和设备的实时状态，进而高效且准确地执行任务，因此对航天员工作姿势下的可视域分析十分重要。

图2 人眼与显示屏的视角关系Fig.2 The viewing angle between human eyes and display screen

图2 是根据人机工程学原理，人眼与显示屏的视角关系。由图可知，人眼到显示屏的最佳距离是710 mm，上视角＜10°，下视角＜45°，显示屏和垂直面角度应小于 30°，人眼中心点与屏幕角度为90°±10°[4]。而在太空微重力环境的影响下，中性体位状态下主视线下降15°，相对于正常情况下的视线下降，显示器的高度也要随之调整。如图3所示，可通过可视域分析工具分析处于工作姿势时航天员的可视域，保证显示器屏幕在航天员的可视域范围内。并且根据人的视觉运动规律，应使最常用、最重要的显示器和面板位于视野中心范围内，显示器与控制器应按其重要性原则、使用频率原则、功能原则，和使用顺序原则等进行布局，尽量使航天员在使用过程中，以从左至右、从上至下的操作习惯来使用[5]。

图3 工作姿势下的可视域分析Fig.3 View shed analysis in work postures

2.2 可达域

航天员在工作状态时，需要保证对临时工作台的操控和仪器仪表盘的精确操作，才能维护保持实验舱内的各项事务安全、高效地运行。 当进行操控时，所需要的仪器按键等应按照使用顺序和频率原则、重要性原则、功能原则等进行合理分配，并要保证位于如表2所示的航天员的上肢可达域范围内。

表2 上肢最大可达域（中指指尖点）前/后、左/右方向范围数据Tab.2 Upper limbs of the maximum reachable domain（the tip of the middle finger）front/back， left/right direction range data

通过可达域分析工具，可以分析得出如图4所示的，该工作姿势下航天员的最大可触及范围。在分析过程中，以航天员坐在临时工作椅上的工作姿势为主，一般选择中指指尖作为最大可达域的分析基准，判断仪表盘、电脑等需要操作的仪器位于可达域范围内，表明了该工作姿势下工效学设计的合理性。

2.3 舱内工作姿势的舒适度分析

图4 工作姿势下的可达域分析Fig.4 Reachable region analysis in work postures

在实验舱内，航天员长时间工作时需要利用临时工作台、临时工作椅达到姿势的最大舒适化，然而在太空微重力环境下，则还应考虑工作椅曲面的舒适度和束缚力的合理分布。

舒适度分析工具提供6个舒适度参考数据，由于太空微重力的特殊环境，在进行舒适度分析时，则应更注重航天员身体各部分的舒适程度，因此选择属于单关节舒适度、且较偏向于关节角度的[Porter]工具。由此可得到数字人关于头部、上手臂、躯干、大腿和膝关节，以及小腿到脚等部位的舒适度分析表。黄色条状代表该部位处在危险状态下，而绿色则表示的是该姿势下，此部位舒适度在正常范围内，是不易产生疲劳，且安全高效的。数值越小，表示舒适度越高。

在对航天员的坐姿进行舒适度分析的过程中，需要注意JACK的各类仿真数据都是建立在地球这个有重力的大环境中，并且主要针对驾驶姿势的舒适度分析，应用在空间站实验舱的工效学分析上则有一定的局限性。因此，在对工作姿势进行分析时，利用对比优化的方式，对座椅大小和角度进行微调，以保证航天员工作姿势的最佳舒适性。

图5 工作姿势的舒适度分析Fig.5 Comfort level snalysis of work postures

由图5中的两图对比可知，下图的工作姿势是基于上图微调优化，从而得到最佳舒适度的最优姿势。但这两种工作姿势，除了腰部受力是由于地球重力呈危险状态而出现偏差外，其他数据皆满足舒适度范围之内，表明航天员的工作姿势不仅合乎人体舒适性，而且可活动范围较大。

3 辅助设施的优化改良

通过对航天员在舱内工作姿势的仿真分析，如可视域、可达域、舒适度分析等，可得到的相应的人机工效学数据，由此能够进一步优化舱内的辅助设施，为航天员提供更好的人机环境，便于工作高效舒适地展开。

3.1 工作台尺寸及斜度

航天员在舱内的主要工作任务都是在工作台上完成，实现人—工作台的良好人机关系十分重要。最佳工作台大小的设计应考虑所放置物品的大小和位置，以及台面要有足够的空间放置双手，应减少使用者的手指手臂或者腿部的相互挤压[6]。航天员坐姿操作时，工作面下部应设置容膝空间，容膝空间的高度应要小于640 mm，工作台的高度应大约在肘高位置，可设计初始高度为880 mm，并且高度可调节，满足航天员不同需求。在初步设计中，根据前期调研和台面双层设计确定了工作台长为430 mm，宽为360 mm，厚为15 mm。将其导入JACK后，发现与数字人略不协调，并且为了节省舱内空间，可将宽度尺寸修改为350 mm。

此外，根据可视域分析，确定最适合视线角度后，结合颈部疲劳程度分析，应确保颈部弯曲角度不超过20°～30°，并且应该使用可调节角度的工作台，倾斜10°就可以降低21%的颈部伸肌负荷。

3.2 工作椅尺寸及固定

太空微重力环境下，工作椅除了承重作用外，还有固定作用。而人的重心一般位于腰部，为此在椅面处设置固定安全带以固定航天员腰部，并在脚踏上设置限位器。安全带除了要承受至少规定内的拉伸载荷以外，还要便于航天员解开。

为了防止座椅面不会对大腿产生压力，需要通过调整座椅尺寸来调整膝高，根据臀宽来确定座宽。由此，确定工作椅座宽410 mm，坐深为170 mm。将其导入JACK后，发现双脚相距较大，增加大腿压力，而且影响了容脚空间，于是将座椅底部限位器间尺寸调整为330 mm。

4 结束语

基于JACK仿真分析软件，可以分析得到模拟实验舱的工效学特性。不仅大大地节省了时间和成本，也可应用人机工程和人机工效学确定辅助设施的各项尺寸数据，使航天员生理和心理上都能获得最优、最舒适的人机环境。为进一步的研究提供了坚实的理论基础。

[1]周前祥.虚拟现实技术在航天工效学中的进展应用[J].计算机仿真，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]谭正文，薛红军，苏润娥.基于JACK的民机驾驶舱可视性评估研究[J].航空计算技术，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]钮建伟，张乐，李险峰.JACK人因工程基础及应用实例[M].北京：电子工业出版社，2012

[4]刘社明，王小平，陈登凯，等.基于JACK的驾驶舱仿真及人机工效学分析[J].计算机与现代化，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]丁玉兰.人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[6]童时中.人机工程设计与应用手册[M].北京：中国标准出版社，2007.