面向出艙活動的典型功能操作肌肉激活預測

王曉東，王 政，李 昊，李 凡，劉志臻，王春慧

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094)

面向出艙活動的典型功能操作肌肉激活預測

王曉東，王 政，李 昊，李 凡，劉志臻，王春慧?

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094)

面向出艙活動中航天員肌肉狀態(tài)和體力負荷的風險評估，為了實現(xiàn)航天員肌肉激活的預測，開展了著常服和艙外服兩種工況下不同操作位置的推、拉、提、壓共8組典型功能操作實驗，測試航天員最大施力能力的同時采集了肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側頭和三角肌前束的肌電信號。提出基于人-艙外服耦合運動生物力學模型預測著艙外服人體的肌肉激活，并預測了兩種工況下8組典型功能操作的肌肉激活。通過預測結果和積分肌電值的相關性分析，驗證了模型預測的有效性，為研究人-艙外服真實交互方式提供了新的方法學思路，對肌肉激活的預測為出艙活動任務規(guī)劃提供了生理學依據(jù)。

出艙活動；艙外服；生物力學建模；肌肉激活；AnyBody；工效學

1 引言

隨著我國空間站任務的進行，空間站的后續(xù)建設、維護和科學實驗對航天員出艙活動提出了迫切的需求。由于出艙活動中航天員要面對真空、輻射和極其惡劣的溫濕度環(huán)境，所以必須穿著艙外服，由其提供氧氣、適宜的溫濕度和其他生命保障。迄今為止，艙外服主要采用多層軟質(zhì)材料和剛性軸承相結合的充壓設計結構(通常30～40 kPa)[1]。該設計導致艙外服關節(jié)的彎曲需要克服額外的阻力，被稱為阻尼力矩。因此，航天員穿著艙外服進行艙外活動時，體力負荷明顯大于未穿著艙外服時。研究者曾通過動力學仿真證明，航天員穿著艙外服在微重力條件下移動大重物時，關節(jié)做功遠大于未穿著艙外服時[2]。

然而，在生理層面，航天員的疲勞和酸痛感往往產(chǎn)生于處于較大激活狀態(tài)的肌肉[3]。因此，基于人體測量學、骨肌系統(tǒng)解剖學和計算機仿真學的相關研究成果，預測出艙活動中不同操作航天員的肌肉激活，對于出艙活動的工效評估和任務規(guī)劃都是十分有意義的。生物力學建模方法的出現(xiàn)，為探索人-機(艙外服)交互提供了一個嶄新的思路[3-5]。該方法將人體的骨骼、肌肉簡化為力學系統(tǒng)中的不同元素，實現(xiàn)關節(jié)力矩、肌肉力的預測，為工效評估提供了量化解決方案。依據(jù)不同思路，運動生物力學建模方法可分為正向動力學建模和反向動力學建模[6]，反向動力學從運動學數(shù)據(jù)求解肌肉力，而正向動力學從肌肉力出發(fā)預測運動軌跡。根據(jù)不同建模方法，形成了一系列的人體骨肌系統(tǒng)生物力學建模平臺，包括AnyBody，Opensim等。其中，AnyBody平臺采用反向運動學架構，將運動學數(shù)據(jù)作為輸入，基于人體會最大限度地降低肌肉疲勞的假設，利用優(yōu)化方法實現(xiàn)人體肌肉力的募集求解[7]。本研究在AnyBody平臺上實現(xiàn)了人-艙外服的運動生物力學耦合建模，從而預測著艙外服人體開展功能操作時的肌肉力，為人-艙外服生物力學交互研究提供了方法學支撐。

本文開展了9名受試者在著常服和著艙外服兩種工況下典型功能力量對比測試，并采集了肌電信號表征肌肉的激活程度。通過艙外服手臂建模和人-艙外服上肢耦合運動生物力學建模實現(xiàn)了兩種工況下的典型功能操作仿真，用于計算肌肉激活程度，通過計算實驗中所測肌電信號和預測肌肉激活程度之間的相關性驗證模型。

2 實驗

2.1 受試者

9名受試者年齡25～45歲，身高(172±7) cm，體重(68±14)kg，BMI指標(19～25)kg/m2。受試者骨骼肌肉均無傷病史，在測試前3天要求不參加較大體力負荷的勞動。

2.2 測試項目和測試方式

本研究開展了9名受試者在著常服和著艙外服工況下的8種功能操作最大靜態(tài)力量測試。

功能操作包括左右方向的推、拉和上下方向的提、壓。這些功能操作都是出艙活動中經(jīng)常出現(xiàn)的典型操作，例如提、壓對應開艙門時的單臂逆/順時針旋轉(zhuǎn)操作，推、拉則在許多出艙操作中都會出現(xiàn)。左右方向的推和拉在肩部水平面內(nèi)進行，設置了舒適位置和舒適外邊界兩個位置，上下方向的提、壓設置了舒適高度和舒適上邊界兩個高度。因此，區(qū)分不同位置和不同操作，共8種功能力量。推、拉、提、壓操作如圖1所示。

圖1 不同功能操作示意圖Fig·1 Illustration of different functional tasks

采用BTE Primus模擬仿真訓練系統(tǒng)測試上述力量，測得的數(shù)據(jù)均為力矩值，將力矩值除以力臂長，可得功能力量測試中受試者的最大靜態(tài)功能力量。根據(jù)公認的力量測試方法[3]和受試者主觀體驗，每種力測量3次，每次持續(xù)6 s；各次之間休息30 s以上，不同力的測量之間休息3 min以上；功能操作力量測試工況分為著常服和著艙外服兩種工況。其中，艙外服工況測試時，加壓艙外服軀干固定在專用小車上，受試者在艙外服內(nèi)部進行操作；常服工況測試時將受試者利用綁帶固定在專用座椅上。在上述測試方式下，受試者軀干都得到良好固定，上肢力量能夠得到充分發(fā)揮，不受反作用力限制。

2.3 表面肌電信號采集

皮膚表面肌電能夠反映肌肉的真實激活狀態(tài)[8]，因此本研究采集了兩種工況下的表面肌電用于模型驗證。艙外服工況采用Noraxon無線肌電系統(tǒng)采集肌電，艙外服內(nèi)部肌電信號通過藍牙發(fā)送至接收器，由于艙外服本身對輻射的屏蔽作用，所以也會屏蔽部分藍牙信號，因此在實際采集時應當將接收器放置在距離艙外服盡可能近的位置，減少信號衰減。常服工況采用Biovision有線肌電系統(tǒng)采集肌電。本研究采集了三角肌前束，肱二頭肌長頭和肱三頭肌外側頭的表面肌電信號用于反映不同操作中不同肌肉的激活程度。

2.4 相對操作位置采集

本研究利用NDIOptotrak測量艙外服工況下，操作手柄和艙外服的相對位置關系；然后在常服工況下，按照該相對關系設定操作手柄和受試者的相對位置，從而使兩種工況下功能操作的操作位置和姿態(tài)盡可能一致。在運動生物力學建模中，將該相對操作位置作為模型運動學輸入，結合施力方向和其它關節(jié)角度限制，確定受試者的操作姿態(tài)。

3 方法

3.1 艙外服手臂模型

為了研究艙外服手臂對人體上肢骨骼肌肉的影響，需要從運動學和力學角度建立艙外服手臂模型[2，9-10]。本研究建立的手臂模型包括幾何剛體模型、關節(jié)運動學模型和關節(jié)阻尼力矩模型，如圖2所示。艙外服在加壓后，手臂的各個組件均體現(xiàn)出很強的剛性，因此可將其簡化為圓筒狀幾何剛體模型，組件具有質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等特性；各個組件由關節(jié)運動學模型相連，采用歐拉角描述轉(zhuǎn)動，每個關節(jié)運動學模型均按照艙外航天服關節(jié)的幾何位置、轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動自由度進行設置，從而盡可能真實地刻畫艙外服的運動學限制；由于艙外服在加壓后關節(jié)會有彈向中性位置的傾向，被稱為關節(jié)阻尼遲滯特性，是關節(jié)的力學性質(zhì)[1]，本研究基于阻尼力矩測量值建立了關節(jié)阻尼力矩三次多項式回歸模型，用于描述關節(jié)的動力學約束，如圖3所示。關節(jié)阻尼的遲滯特性是指關節(jié)阻尼力矩不僅和關節(jié)角度有關，而且和關節(jié)角度歷史有關，如圖3中關節(jié)彎曲和伸展的阻尼力矩軌跡不同，中性位置也不同。由于在靜態(tài)功能操作中并不知道關節(jié)的歷史運動軌跡，所以本研究采用了彎曲和伸展共同的回歸曲線，在二者中間。

圖2 艙外服手臂模型Fig·2 Arm model of EVA spacesuit

圖3 艙外服肘關節(jié)阻尼遲滯特性Fig·3 Hysteresis of elbow joint stiffness in EVA spacesuit

運動學模型中，手部中心在胸骨坐標系中的位姿矩陣可表示為式(1)：

其中，GSG表示從軀干胸部中心到肩關節(jié)的位移；GGH表示肩軸承、肩部軟關節(jié)和上臂軸承的轉(zhuǎn)動，對應人體肩關節(jié)三自由度的轉(zhuǎn)動；GEB表示肘部軟關節(jié)和前臂軸承的轉(zhuǎn)動，對應人體肘關節(jié)的彎曲/伸展和內(nèi)旋/外旋；GW表示腕部軟關節(jié)的轉(zhuǎn)動，對應人體腕關節(jié)兩個自由度的轉(zhuǎn)動。GSG、GGH、GEB、GW計算方法如公式(2)～(5)所示。利用該運動學模型，可以確定艙外服手部的最終姿態(tài)。

3.2 人-艙外服上肢耦合運動生物力學建模

為了研究艙外服對人體施力能力的影響，需要實現(xiàn)上一節(jié)中建立的艙外服手臂模型和人體上肢骨肌系統(tǒng)模型的耦合。首先是指艙外服手臂模型必須隨著人體上肢骨肌系統(tǒng)的運動而運動，即運動學耦合；其次是指人體上肢通過和艙外服手臂之間的反作用力驅(qū)動艙外服手臂實現(xiàn)上述運動，即動力學耦合。

本研究通過定義全約束虛擬關節(jié)的方式，約束人-艙外服手部之間的6個自由度；通過人-艙外服肘部之間2個自由度的位移約束，使得人體上肢肘部和艙外服手臂肘部盡可能重合。上述兩種約束方式，主要根據(jù)人體上肢和艙外服之間的交互方式制定，使得仿真工況接近真實工況。由于人-艙外服手臂之間的連接只需要約束7個自由度，因此上述約束方式屬于過度約束，需要在運動學求解時使用優(yōu)化求解方法。采用過度約束是因為如果只約束兩者肘部一個自由度的位移，容易產(chǎn)生多重解或無解的情況，而這種情況是由于艙外服手臂和人體之間的不完全匹配引起的。通過上述約束方式，本研究實現(xiàn)了人體上肢和艙外服手臂之間的運動學耦合，只需要知道艙外服手臂或人體上肢的運動，就可以知道另外一個的運動軌跡。

實際上，人體上肢是通過和艙外服手臂之間的接觸力驅(qū)動其運動的[11]，如何模擬上述接觸力是動力學耦合的關鍵。近來，反作用力力元被廣泛地應用于預測步態(tài)分析中的地面反作用力分布，并得到了有效的驗證[12-13]。本研究通過建立人體上肢和艙外服手臂之間多個部位的反作用力力元，達到模擬兩者之間接觸力的目標。反作用力力元由虛擬肌肉組成，像人體其他普通肌肉模型一樣，虛擬肌肉力也屬于肌肉募集優(yōu)化算法中未知數(shù)的一部分。肌肉募集算法如公式(6)所示[7]：G是肌肉募集算法的目標函數(shù)表示肌肉i的肌肉力，Ni表示肌肉i的最大收縮能力，也就是說肌肉募集要使所有肌肉的最大激活最小，從而使得載荷盡可能平均地分布到所有肌肉。未知肌肉力f由正常肌肉力f(M)和由虛擬肌肉構成的反作用力f(R)組成。(b)和(c)表示整個耦合模型需要滿足的動力學約束條件，其中(b)中C表示已知矩陣，由肌肉相對關節(jié)附著位置和方向等求得，d表示已知載荷，(c)表示普通肌肉力的非負約束。從理解角度出發(fā)，肌肉募集尋優(yōu)過程可分為兩個過程，首先是尋找能產(chǎn)生最優(yōu)肌肉募集的反作用力組合，其次是求解該反作用力組合下的最優(yōu)肌肉募集。為了實現(xiàn)上述募集尋優(yōu)過程，需要對虛擬肌肉的力量進行預先處理，使得虛擬肌肉的最大收縮能力足夠大，而不會對普通肌肉的募集產(chǎn)生影響。

圖4 人-艙外服手臂耦合運動生物力學仿真Fig·4 Biomechanical simulation of human EVA spacesuit arm interaction

通過人體上肢和艙外服手臂之間的運動學和動力學耦合，實現(xiàn)了著艙外服工況下的人體上肢操作的運動生物力學仿真，用于預測不同操作中的肌肉力。本研究將該模型用于8個功能操作的仿真，以受試者身高、體重、上臂長、前臂長、手部末端力作為模型輸入，計算了三角肌、肱二頭肌長頭和肱三頭肌外側頭的肌肉激活。圖4為人-艙外服手臂耦合運動生物力學模型用于上提操作仿真的示意圖，圖中的線段表示人體上肢和艙外服手臂之間維持當前姿態(tài)所需的接觸反力。依據(jù)所測肌肉的表面肌電信號計算肌肉的積分肌電iEMG，用于反映肌肉的真實激活程度[14]。通過預測肌肉激活和iEMG之間的相關性驗證模型的有效性。

4 結果

4.1 肌肉激活程度驗證

由于積分肌電指標能夠很好地反應肌肉的激活狀況[14]，因此本研究通過模型預測的肌肉激活和積分肌電的相關性來驗證模型預測的有效性。表1表示了著常服和著艙外服工況下，肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側頭和三角肌在8種功能操作最大力量測試中的肌肉激活和積分肌電的Pearson相關性。9名受試者中，常服工況下采集了7名受試者的肌電信號，艙外服工況下采集了6名受試者的肌電信號。

常服工況的功能操作運動生物力學仿真不含艙外服模型，7名受試者中肱二頭肌長頭、肱三頭肌外側頭和三角肌前束預測激活和實測積分肌電有顯著相關性的比例為7/7、4/7、5/7。所有受試者一起分析時，三塊肌肉均具有顯著相關性，其Pearson相關系數(shù)分別為0.729、0.533和0.692，略小于個體相關系數(shù)的平均值，主要是由受試者表面肌電的個體差異造成的。

艙外服工況的功能操作運動生物力學仿真引入了艙外服模型，6名受試者中三塊肌肉的預測激活和積分肌電具有顯著相關性的比例為6/6、4/6、6/6。所有受試者一起分析時，三塊肌肉均具有顯著相關性，其Pearson相關系數(shù)分別為0.729、0.600和0.795，相關性三角肌前束＞肱二頭肌長頭＞肱三頭肌外側頭。

5 分析與討論

表1 8種功能操作預測肌肉激活和積分肌電的皮爾遜相關性Table 1 Pearson correlation analysis between predicted muscle activation and iEMG for eight functional tasks

實驗方法方面，本研究在國內(nèi)首次實現(xiàn)了加壓艙外服內(nèi)部的皮膚表面肌電信號采集，用于肌肉發(fā)力狀況的實時監(jiān)控。采用了Noraxon無線肌電采集系統(tǒng)，艙外服內(nèi)部傳感器采集的肌肉電信號通過藍牙傳送至外部接收器。主要有三點經(jīng)驗：1)接收器的位置會影響藍牙信號接收的質(zhì)量。艙外服在太空中的一個重要作用就是隔離輻射，所以對無線信號均具有一定的阻斷作用。距離艙外服內(nèi)部肌電信號發(fā)射器越遠，肌電信號衰減越嚴重，艙外服工況下部分受試者肌電信號缺失就是由這個原因?qū)е碌摹?)艙外服內(nèi)部傳感器必須附著在皮膚表面，介于皮膚和艙外服內(nèi)壁之間。由于人體皮膚和艙外服之間頻繁地產(chǎn)生接觸力，容易使傳感器產(chǎn)生移動，導致肌電信號測試不準確，所以必須采取一定的措施固定傳感器，本研究采用透氣繃帶固定傳感器。3)內(nèi)部傳感器的體積必須盡可能的小，否則會影響人體皮膚和艙外服手臂之間的接觸方式，導致局部接觸壓強過大，從而影響人體在艙外服內(nèi)部的操作能力，甚至引起局部壓傷。

研究方法方面，本研究在運動生物力學架構中實現(xiàn)了著艙外服人體的肌肉激活預測。目前還有以下不足：1)模型驗證目前仍采用定性的方法。肌肉激活和肌電信號之間的相關性驗證作為一種定性驗證的方法，說明了模型的有效性，卻無法反映模型的精確程度。在后續(xù)的研究中實現(xiàn)人體皮膚-艙外服的接觸力測量，一方面通過對比預測的接觸反力可以定量地驗證模型，另外一方面也可以作為模型的輸入，增強模型的精確性。2)目前的動力學耦合僅根據(jù)人-艙外服實驗中專家受試者的穿著體驗，確定了人體皮膚和艙外服手臂的主要接觸力產(chǎn)生位置，從而設置反作用力力元。在后續(xù)的模型研究中，嘗試定義艙外服手臂內(nèi)壁和人體皮膚表面的幾何空間，只有當二者產(chǎn)生接觸時，反作用力力元才會被激活，可以實現(xiàn)運動學耦合和動力學耦合的有機統(tǒng)一，達到更智能化的人-艙外服交互運動生物力學建模。

6 結論

本研究為探索人-艙外服之間的真實交互方式提供了新的方法。艙外服內(nèi)部肌電信號的采集能夠更真實地反映出艙活動中航天員的肌肉激活和體力負荷。運動生物力學模型實現(xiàn)了著艙外服人體接觸力和肌肉激活，可以為出艙活動的方案設計階段提供參考。

通過肌肉激活和積分肌電的相關性分析，驗證了常服工況和艙外服工況運動生物力學模型的有效性，表明模型能夠用于預測出艙活動典型功能操作中不同肌肉的激活程度。艙外服工況下兩者之間的相關性沒有下降，一方面表明艙外服對于肌電信號采集的有效性影響較小，另一方面表明本研究建立的人-艙外服耦合運動生物力學模型是較為準確的。

References)

[1] Matty J.Results and analysis from space suit joint torque testing[C]//40th International Conference on Environmental Systems，AIAA Paper，2010.

[2] Newman D，Schmidt P，Rahn D.Modeling the extravehicular mobility unit(EMU)space suit：physiological implications for extravehicular activity(EVA)[R].SAE Technical Paper，2000.

[3] Chaffin D B.The evolving role of biomechanics in prevention of overexertion injuries[J].Ergonomics，2009，52(1)：3-14.

[4] Chaffin D B.Digital Human modeling for workspace design [J].Reviews of Human Factors and Ergonomics，2008，4 (1)：41-74.

[5] Marras W S，Radwin R G.Biomechanical modeling[J].Reviews of Human Factors and Ergonomics，2005，1(1)：1-88.

[6] Erdemir A，Mclean S，Herzog W，et al.Model-based estimation of muscle forces exerted during movements[J].Clin Biomech(Bristol，Avon)，2007，22(2)：131-54.

[7] Damsgaard M，Rasmussen J，Christensen S T，et al.Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling System[J].Simulation Modelling Practice and Theory，2006，14 (8)：1100-1111.

[8] Graupe D.Recognition and prediction of individual and combined muscular activation modes via surface EMG analysis [J].European Journal of Translational Myology，2010，20 (3)：131-138.

[9] Si H，Liao Q，Zhang W.Monte Carlo based predictive method for determining work envelope of spacesuit in EVA operation[J].Mechatronics and Automatic Control Systems 2014，237：583-590.

[10] 楊鋒，袁修干.艙外航天服動力學模型[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2002，15(6)：453-454. Yang Feng，Yuan Xiugan.A Dynamic Model of the Extravehicuar Activity SpaceSuit[J].Space Medicine＆Medical Engineering，2002，15(6)：453-454.(in Chinese)

[11] Frazer A L.Modeling Human-Spacesuit Interactions[D]. Massachusetts Ave，Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，2003.

[12] Fluit R，Andersen M S，Kolk S，et al.Prediction of ground reaction forces and moments during various activities of daily living[J].J Biomech，2014，47(10)：2321-9.

[13] Jung Y，Jung M，Lee K，et al.Ground reaction force estimation using an insole-type pressure mat and joint kinematics during walking[J].Journal of biomechanics，2014，47 (11)：2693-2699.

[14] Raez M B，Hussain M S，Mohd-Yasin F.Techniques of EMG signal analysis：detection，processing，classification and applications[J].Biol Proced Online，2006，8：11-35.

Predicting Muscle Activation in Typical Functional Tasks of EVA

WANG Xiaodong，WANG Zheng，LI Hao，LI Fan，LIU Zhizhen，WANG Chunhui
(China Astronaut Research and Training Center of China，Engineering National Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China)

This paper aims to predict the muscle activation of astronauts in EVA for ergonomic assessment of their physical states.Typical functional tasks such as pull，push，press and lift in various places were conducted by 9 participants in both spacesuit-unsuited and suited conditions to collect maximum force and sEMG(surface electromyography)of RT Biceps BR.，LT LAT.Triceps and RT ANT.Deltoid.Muscle activations in these functional tasks were predicted based on the proposed framework of human-spacesuit integrated biomechanical modeling.Model predictions were validated through the Pearson correlation analysis between predicted muscle activations and measured sEMG.The proposed human-spacesuit integrated biomechanical modeling offers a new insight into human-spacesuit interaction and physiological bases for EVA planning.

extravehicular activity(EVA)；EVA spacesuit；biomechanical modeling；muscle activation；Any Body；ergonomics

R337

A

1674-5825(2015)05-0510-06

2015-04-15；

2015-08-20

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2011CB711000)；中國航天醫(yī)學工程預先研究項目(2011SY5405002)；人因工程重點實驗室基金項目(HF2013-Z-B-02)。

王曉東(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為航天人因工程、人-艙外服運動生物力學建模。E-mail：sjtuwxd＠163.com

王春慧(1971-)，女，碩士，研究員，研究方向為航天工效學。E-mail：chunhui_89＠163.com