EVA手套在不同压力下的活动范围比较

王 谦，田寅生，刘何庆，丁 立

（1.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100191；2.北京航空航天大学医工交叉创新研究院，北京102488；3.空军航空医学研究所，北京100036）

1 引言

舱外航天服内的气体压力（简称压力）是维持航天员自身生理平衡的关键因素，中国及俄罗斯使用的舱外航天服的服装内压为39.2 kPa，美国使用的舱外航天服的服装内压为29.6 kPa［1］。但过高的压力会造成航天服膨胀，导致关节的活动范围减小、拮抗变大［1］。由于大多数舱外任务需要靠双手完成［1］，因此压力对手操作的影响最明显，受到各国学者的长期关注［2⁃3］。

为了便于航天员的舱外作业，舱外活动（Ex⁃tra Vehicular Activity，EVA）手套应最大限度地满足工效学要求。其中关节活动范围（Range of Mo⁃tion，ROM）是最常被提及的工程设计指标之一。早在上世纪八十年代，O’Hara［3］就在全面评估EVA手套的工效指标时，将ROM作为一项重要指标进行了系统的研究。O’Hara将实验分为四种工况：裸手、戴手套不加压、戴手套不加压并将整个手臂节段置于手套箱中、戴手套加压（29.6 kPa）并将整个手臂置于手套箱中，比较了不同工况下，尤其是裸手和手套加压情况下的各个指节的角度变化。但是这些研究的对象大多是美国和欧洲的手套产品，目前很缺乏对中国的“飞天”系列手套的测试以及两种充压规范之间的横向比较。

本文利用低压模拟舱配合EVA手套还原EVA手套的压力工作条件，并通过二维图像捕捉对受试者进行12种常见关节动作的图像采集。通过设定的标志点测量关节的过度角度，并对数据进行统计学处理与分析，分析不同压力对关节活动角度的影响。

2 方法

2.1 受试对象

本文选择了十二位身体健康的在校大学生志愿者（23.4±2.5岁）参与试验，所有受试者均为右利手，手型符合手套的穿戴要求。受试者均自愿参与试验并在试验前签订了知情同意书。

2.2 试验工况模拟

试验中通过低压模拟舱和EVA手套相互配合来实现手套充压状态的模拟。

低压模拟舱包括真空泵、压阻真空计、舱体、舱门和试验手套（图1）。试验手套采用了地面试验测试手套，手套从内到外分为三层结构：TMG层（Thermal Micrometeoroid Garment）、限制层和防护层。气密层为不透气的橡胶材料制成，用来维持手套内的压力；限制层位于气密层表面，可以限制气密层过度膨胀，减小手套的阻抗力；TMG层可防止热量流失和微陨石击穿气密层。当手套加压时，气密层膨胀，材料变得坚硬，当关节部位弯曲时即会产生阻抗力。结构和性能基本接近EVA手套。手套的手心和手背的中心位置用红色记号笔画上清晰的十字线，便于图像的采集，裸手也做同样标示，见图2。手套安装在舱门上，当舱门关闭时可以实现对舱内的密封，这与NASA的低压舱［4⁃6］在侧壁设置手套相比，可以减小舱体体积。当真空泵抽取低压舱内气体时，手套内外产生压差。利用压阻真空计测量舱内压力，当舱内压力＝标准大气压－EVA手套充压压力时，手套内外压差等于EVA手套的充压压力，即达到了手套的充压状态。压阻真空计的测量精度可达10 Pa。试验工况如表1所示。

图2 在受试者的手心手背做记号Fig.2 Mark the subject’s palm

表1 试验工况Table 1 Test conditions

2.3 测试项目和测量设备

本文选取了12个关节角进行测量，涵盖了拇指、食指、中指和手腕的重要关节。关节动作来自航天员的任务动作简化［7⁃8］。

每个手指含有两个指骨间关节（Inter Phalan⁃geal joints，IP），包括近端指节（Proxmial Inter Phalangeal，PIP）和远端指节（Distal Inter Phalange⁃al joints，DIP）［9⁃11］，每只手分别有五个掌指关节（Metacarpophalangeal，MCP）。 对本文所涉及的12个关节分类如表2所示。

表2 关节分类及定义Table 2 Joint classification and definition

通过低压舱内设置的两个高清晰度摄像头可以提取各个工况下手或手套的内侧图像。一号摄像头（RYS⁃1421，RYS）固定在舱体内壁左侧中央（视角以正对舱门方向为准），二号摄像头位于舱体内壁上方中央，并通过数据线连接至电脑。可通过实时观测软件（由MATLAB 2013编写）提取二维图像并保存。

在图像提取过程中，在用于校正的摄像头前方10 cm处放置十字形标志物，线长均为50 mm。从摄像头观察，移动手的位置使两个十字完全重合。在试验过程中也要时刻保持对受试者的手部姿态进行校正（图 3），提取动作 1、2、5、7 的二维图像时，用一号摄像头校正和拍摄，提取动作3、4、6、8、9、10、11、12 的二维图像时，用二号摄像头校正和拍摄。

图3 手部姿态校正Fig.3 Hand gesture correction

2.4 数据处理

对在裸手时的关节角作如下定义：首先确定要测量的关节角和形成关节角的两部分指节或肢体，在其中每个指节上画出两个点，连接两个点形成一条线［12］，两条线的交角即为所要测量的角度（图4）。其他的裸手角度定义见图2。

图4 裸手情况下对ROM的定义Fig.4 The definition of ROM under bare hands

在穿戴手套时，对关节角作如下定义：首先在图片上确定参与关节弯曲的手指指节或肢体，并圈定覆盖这些部分的手套结构；运动关节，找出由于关节运动而使手套发生折叠的点，此点即看成一个关节点，连接每个指节上的关节点形成一条线，两条线的交角即为所要测量的角度（图5）。

图5 穿戴手套情况下对ROM的定义Fig.5 The definition of ROM when wearing gloves

ROM的照片将根据综上对它的定义，找出关节夹角，并用CAD软件计算角度。再对全部受试者结果求均值。对所采集的ROM值数据在SPSS（22.0.0.0，IBM）中进行方差分析。

2.5 测试流程

1）主试和被试根据上文提到的具体工况做好相应试验准备。

2）使关节活动平面和试验舱内左侧固定的摄像镜头处于平行位置，随机且不遗漏地做出上文提到的12个动作；并截取人体可做到的每个动作极限角度时的二维图片，拍照过程中应保持动作稳定不变形。通过软件描取中轴线，确定关节角并测量角度。每个动作在不同工况下做4次取平均值。在采集图像时要尤其注意2D图像获取的准确性。

3）通过CAD软件对图片进行处理得到关节角。所有角度均选取相邻两骨的中心线所构成的角度。

4）进行数据处理。

3 结果

试验采用摄像头拍摄出手部各种动作的图片。通过CAD软件对图片进行处理就能得到手和手指在4种工况下的ROM，如表2所示。通过对表2中各个工况下加压情况与裸手情况下ROM值的比较得到相对的ROM值减小幅度，如表3所示。

虽然没有相关的文献可以对全部的角度进行验证，但根据 Tanaka（2010）［12⁃15］的数据标明：右手食指DIP（与本文的邻近指节弯曲是相同关节），在穿戴EVA手套时（常压），比裸手活动角度减小了约34%。由表3可知本文的邻近指节弯曲动作，在裸手和戴手套工况间相差29%，是比较接近的。Thompson对双手的拇指活动性进行了研究，主要关节为MCP，研究表明活动性在29.6 kPa下下降到70%左右［13］。对应本文的掌骨指骨弯曲角度的变化（78%）是接近的。以上基本可证明该方法的可靠性。

1）与裸手情况相比，戴手套（不加压）对ROM的影响

表2 手和手指在4种工况下的ROM值Table 2 ROM value（°） of hand and finger under 4 operation conditions

表3 戴手套相对于裸手情况ROM值的减小幅度Table 3 The decrease of the ROM value of the gloverelative to the bare hand

由图6可知，戴手套对拇指指节延伸、拇指指节弯曲、手腕向内弯曲影响显著（p＜0.05），尤其对掌骨指骨弯曲、邻近指节弯曲、食指指骨弯曲、食指与中指的最大夹角、手腕向后延伸有非常显著的影响（p＜0.01）。

图6 与裸手情况相比戴手套对ROM的影响（不加压）Fig.6 The effect of gloves on ROM （unpres⁃surized）compared with bare hands

2）与裸手情况相比，戴手套（加压）对ROM的影响

图7 与裸手情况相比戴手套对ROM的影响（加压）Fig.7 The effect of gloves on ROM （pres⁃surized）compared with bare hands

手套加压后所有关节的活动性都不同程度地受到了影响，活动性进一步降低，由图7可知，拇指掌骨延伸、掌骨指骨延伸、邻近指节延伸在加压后影响显著（p＜0.05），与无压戴手套结果产生了区别。手腕向内弯曲在加压后受到的影响更加显著（p＜0.01）。从整体看，延伸动作比弯曲动作的变化要小，这是因为关节的生理构造。但拇指指节弯曲加压前后的差距很小，说明在手套拇指关节的柔韧度处理上，做得较好；而其他手指，尤其是食指和中指指节处，手套还应进一步考虑增加柔软度，提高活动性。O’Hara以及Pelton的试验［3］表明：戴有压手套对掌指关节弯曲活动范围影响不大，而对近端指间关节和手腕的活动范围影响却很显著。但在本试验中发现MCP（例如：拇指掌骨弯曲，掌骨指骨弯曲）的角度变化与IP（邻近指节弯曲，食指指骨弯曲）一样剧烈，手腕关节（手腕向内弯曲，手腕向后延伸）也同IP一样有很大的角度变化。导致结果与文献结论相悖的原因可能是手套和选取的ROM动作存在区别。戴手套对拇指指节延伸、拇指指节弯曲、手腕向内弯曲影响显著，尤其对掌骨指骨弯曲、邻近指节弯曲、食指指骨弯曲、食指与中指的最大夹角、手腕向后延伸有非常显著的影响。但每个人的手部构造都不尽相同，本试验所选取的受试人数也十分有限，所以在数据分析上还具有一定的局限性［14⁃16］，对其它特殊情况可能还没能考虑在内。

4 结论

1）戴有压手套对掌指关节弯曲活动范围影响不大，而对近端指间关节和手腕的活动范围影响却很显著。其中对近端指间关节动作中的食指指骨弯曲动作和食指与中指的最大夹角影响最为明显，活动性分别降低50%和80%左右。对手腕活动中的手腕向后延伸这一动作影响最为明显，活动性降低了50%。

2）手套的加压会导致近端指间关节和手腕的活动范围急剧地降低，食指与中指的最大夹角，戴手套相对于裸手情况ROM值的减小幅度从0 kPa下的 23.20% 到 29.6 kPa 下的 78.15%，减小幅度增加了54.95%。由此，在实际舱外活动中，应该着重注意这一点对航天员安全以及舱外活动任务的影响。

3）本文所得结论可作为舱外航天服手套工效学设计的参考，可为航天员舱内活动和飞行员驾驶活动提供参考。但为了更好地应用相关研究，还需对有温度影响下的活动范围进行进一步的研究，以探讨温度和压力复合作用时对ROM的影响。

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