EVA手套在不同壓力下的活動(dòng)范圍比較

王 謙，田寅生，劉何慶，丁 立

（1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京100191；2.北京航空航天大學(xué)醫(yī)工交叉創(chuàng)新研究院，北京102488；3.空軍航空醫(yī)學(xué)研究所，北京100036）

1 引言

艙外航天服內(nèi)的氣體壓力（簡稱壓力）是維持航天員自身生理平衡的關(guān)鍵因素，中國及俄羅斯使用的艙外航天服的服裝內(nèi)壓為39.2 kPa，美國使用的艙外航天服的服裝內(nèi)壓為29.6 kPa［1］。但過高的壓力會(huì)造成航天服膨脹，導(dǎo)致關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍減小、拮抗變大［1］。由于大多數(shù)艙外任務(wù)需要靠雙手完成［1］，因此壓力對手操作的影響最明顯，受到各國學(xué)者的長期關(guān)注［2?3］。

為了便于航天員的艙外作業(yè)，艙外活動(dòng)（Ex?tra Vehicular Activity，EVA）手套應(yīng)最大限度地滿足工效學(xué)要求。其中關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍（Range of Mo?tion，ROM）是最常被提及的工程設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。早在上世紀(jì)八十年代，O’Hara［3］就在全面評估EVA手套的工效指標(biāo)時(shí)，將ROM作為一項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。O’Hara將實(shí)驗(yàn)分為四種工況：裸手、戴手套不加壓、戴手套不加壓并將整個(gè)手臂節(jié)段置于手套箱中、戴手套加壓（29.6 kPa）并將整個(gè)手臂置于手套箱中，比較了不同工況下，尤其是裸手和手套加壓情況下的各個(gè)指節(jié)的角度變化。但是這些研究的對象大多是美國和歐洲的手套產(chǎn)品，目前很缺乏對中國的“飛天”系列手套的測試以及兩種充壓規(guī)范之間的橫向比較。

本文利用低壓模擬艙配合EVA手套還原EVA手套的壓力工作條件，并通過二維圖像捕捉對受試者進(jìn)行12種常見關(guān)節(jié)動(dòng)作的圖像采集。通過設(shè)定的標(biāo)志點(diǎn)測量關(guān)節(jié)的過度角度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理與分析，分析不同壓力對關(guān)節(jié)活動(dòng)角度的影響。

2 方法

2.1 受試對象

本文選擇了十二位身體健康的在校大學(xué)生志愿者（23.4±2.5歲）參與試驗(yàn)，所有受試者均為右利手，手型符合手套的穿戴要求。受試者均自愿參與試驗(yàn)并在試驗(yàn)前簽訂了知情同意書。

2.2 試驗(yàn)工況模擬

試驗(yàn)中通過低壓模擬艙和EVA手套相互配合來實(shí)現(xiàn)手套充壓狀態(tài)的模擬。

低壓模擬艙包括真空泵、壓阻真空計(jì)、艙體、艙門和試驗(yàn)手套（圖1）。試驗(yàn)手套采用了地面試驗(yàn)測試手套，手套從內(nèi)到外分為三層結(jié)構(gòu)：TMG層（Thermal Micrometeoroid Garment）、限制層和防護(hù)層。氣密層為不透氣的橡膠材料制成，用來維持手套內(nèi)的壓力；限制層位于氣密層表面，可以限制氣密層過度膨脹，減小手套的阻抗力；TMG層可防止熱量流失和微隕石擊穿氣密層。當(dāng)手套加壓時(shí)，氣密層膨脹，材料變得堅(jiān)硬，當(dāng)關(guān)節(jié)部位彎曲時(shí)即會(huì)產(chǎn)生阻抗力。結(jié)構(gòu)和性能基本接近EVA手套。手套的手心和手背的中心位置用紅色記號筆畫上清晰的十字線，便于圖像的采集，裸手也做同樣標(biāo)示，見圖2。手套安裝在艙門上，當(dāng)艙門關(guān)閉時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對艙內(nèi)的密封，這與NASA的低壓艙［4?6］在側(cè)壁設(shè)置手套相比，可以減小艙體體積。當(dāng)真空泵抽取低壓艙內(nèi)氣體時(shí)，手套內(nèi)外產(chǎn)生壓差。利用壓阻真空計(jì)測量艙內(nèi)壓力，當(dāng)艙內(nèi)壓力＝標(biāo)準(zhǔn)大氣壓－EVA手套充壓壓力時(shí)，手套內(nèi)外壓差等于EVA手套的充壓壓力，即達(dá)到了手套的充壓狀態(tài)。壓阻真空計(jì)的測量精度可達(dá)10 Pa。試驗(yàn)工況如表1所示。

圖2 在受試者的手心手背做記號Fig.2 Mark the subject’s palm

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2.3 測試項(xiàng)目和測量設(shè)備

本文選取了12個(gè)關(guān)節(jié)角進(jìn)行測量，涵蓋了拇指、食指、中指和手腕的重要關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)動(dòng)作來自航天員的任務(wù)動(dòng)作簡化［7?8］。

每個(gè)手指含有兩個(gè)指骨間關(guān)節(jié)（Inter Phalan?geal joints，IP），包括近端指節(jié)（Proxmial Inter Phalangeal，PIP）和遠(yuǎn)端指節(jié)（Distal Inter Phalange?al joints，DIP）［9?11］，每只手分別有五個(gè)掌指關(guān)節(jié)（Metacarpophalangeal，MCP）。 對本文所涉及的12個(gè)關(guān)節(jié)分類如表2所示。

表2 關(guān)節(jié)分類及定義Table 2 Joint classification and definition

通過低壓艙內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)高清晰度攝像頭可以提取各個(gè)工況下手或手套的內(nèi)側(cè)圖像。一號攝像頭（RYS?1421，RYS）固定在艙體內(nèi)壁左側(cè)中央（視角以正對艙門方向?yàn)闇?zhǔn)），二號攝像頭位于艙體內(nèi)壁上方中央，并通過數(shù)據(jù)線連接至電腦?？赏ㄟ^實(shí)時(shí)觀測軟件（由MATLAB 2013編寫）提取二維圖像并保存。

在圖像提取過程中，在用于校正的攝像頭前方10 cm處放置十字形標(biāo)志物，線長均為50 mm。從攝像頭觀察，移動(dòng)手的位置使兩個(gè)十字完全重合。在試驗(yàn)過程中也要時(shí)刻保持對受試者的手部姿態(tài)進(jìn)行校正（圖 3），提取動(dòng)作 1、2、5、7 的二維圖像時(shí)，用一號攝像頭校正和拍攝，提取動(dòng)作3、4、6、8、9、10、11、12 的二維圖像時(shí)，用二號攝像頭校正和拍攝。

圖3 手部姿態(tài)校正Fig.3 Hand gesture correction

2.4 數(shù)據(jù)處理

對在裸手時(shí)的關(guān)節(jié)角作如下定義：首先確定要測量的關(guān)節(jié)角和形成關(guān)節(jié)角的兩部分指節(jié)或肢體，在其中每個(gè)指節(jié)上畫出兩個(gè)點(diǎn)，連接兩個(gè)點(diǎn)形成一條線［12］，兩條線的交角即為所要測量的角度（圖4）。其他的裸手角度定義見圖2。

圖4 裸手情況下對ROM的定義Fig.4 The definition of ROM under bare hands

在穿戴手套時(shí)，對關(guān)節(jié)角作如下定義：首先在圖片上確定參與關(guān)節(jié)彎曲的手指指節(jié)或肢體，并圈定覆蓋這些部分的手套結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，找出由于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而使手套發(fā)生折疊的點(diǎn)，此點(diǎn)即看成一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，連接每個(gè)指節(jié)上的關(guān)節(jié)點(diǎn)形成一條線，兩條線的交角即為所要測量的角度（圖5）。

圖5 穿戴手套情況下對ROM的定義Fig.5 The definition of ROM when wearing gloves

ROM的照片將根據(jù)綜上對它的定義，找出關(guān)節(jié)夾角，并用CAD軟件計(jì)算角度。再對全部受試者結(jié)果求均值。對所采集的ROM值數(shù)據(jù)在SPSS（22.0.0.0，IBM）中進(jìn)行方差分析。

2.5 測試流程

1）主試和被試根據(jù)上文提到的具體工況做好相應(yīng)試驗(yàn)準(zhǔn)備。

2）使關(guān)節(jié)活動(dòng)平面和試驗(yàn)艙內(nèi)左側(cè)固定的攝像鏡頭處于平行位置，隨機(jī)且不遺漏地做出上文提到的12個(gè)動(dòng)作；并截取人體可做到的每個(gè)動(dòng)作極限角度時(shí)的二維圖片，拍照過程中應(yīng)保持動(dòng)作穩(wěn)定不變形。通過軟件描取中軸線，確定關(guān)節(jié)角并測量角度。每個(gè)動(dòng)作在不同工況下做4次取平均值。在采集圖像時(shí)要尤其注意2D圖像獲取的準(zhǔn)確性。

3）通過CAD軟件對圖片進(jìn)行處理得到關(guān)節(jié)角。所有角度均選取相鄰兩骨的中心線所構(gòu)成的角度。

4）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果

試驗(yàn)采用攝像頭拍攝出手部各種動(dòng)作的圖片。通過CAD軟件對圖片進(jìn)行處理就能得到手和手指在4種工況下的ROM，如表2所示。通過對表2中各個(gè)工況下加壓情況與裸手情況下ROM值的比較得到相對的ROM值減小幅度，如表3所示。

雖然沒有相關(guān)的文獻(xiàn)可以對全部的角度進(jìn)行驗(yàn)證，但根據(jù) Tanaka（2010）［12?15］的數(shù)據(jù)標(biāo)明：右手食指DIP（與本文的鄰近指節(jié)彎曲是相同關(guān)節(jié)），在穿戴EVA手套時(shí)（常壓），比裸手活動(dòng)角度減小了約34%。由表3可知本文的鄰近指節(jié)彎曲動(dòng)作，在裸手和戴手套工況間相差29%，是比較接近的。Thompson對雙手的拇指活動(dòng)性進(jìn)行了研究，主要關(guān)節(jié)為MCP，研究表明活動(dòng)性在29.6 kPa下下降到70%左右［13］。對應(yīng)本文的掌骨指骨彎曲角度的變化（78%）是接近的。以上基本可證明該方法的可靠性。

1）與裸手情況相比，戴手套（不加壓）對ROM的影響

表2 手和手指在4種工況下的ROM值Table 2 ROM value（°） of hand and finger under 4 operation conditions

表3 戴手套相對于裸手情況ROM值的減小幅度Table 3 The decrease of the ROM value of the gloverelative to the bare hand

由圖6可知，戴手套對拇指指節(jié)延伸、拇指指節(jié)彎曲、手腕向內(nèi)彎曲影響顯著（p＜0.05），尤其對掌骨指骨彎曲、鄰近指節(jié)彎曲、食指指骨彎曲、食指與中指的最大夾角、手腕向后延伸有非常顯著的影響（p＜0.01）。

圖6 與裸手情況相比戴手套對ROM的影響（不加壓）Fig.6 The effect of gloves on ROM （unpres?surized）compared with bare hands

2）與裸手情況相比，戴手套（加壓）對ROM的影響

圖7 與裸手情況相比戴手套對ROM的影響（加壓）Fig.7 The effect of gloves on ROM （pres?surized）compared with bare hands

手套加壓后所有關(guān)節(jié)的活動(dòng)性都不同程度地受到了影響，活動(dòng)性進(jìn)一步降低，由圖7可知，拇指掌骨延伸、掌骨指骨延伸、鄰近指節(jié)延伸在加壓后影響顯著（p＜0.05），與無壓戴手套結(jié)果產(chǎn)生了區(qū)別。手腕向內(nèi)彎曲在加壓后受到的影響更加顯著（p＜0.01）。從整體看，延伸動(dòng)作比彎曲動(dòng)作的變化要小，這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)的生理構(gòu)造。但拇指指節(jié)彎曲加壓前后的差距很小，說明在手套拇指關(guān)節(jié)的柔韌度處理上，做得較好；而其他手指，尤其是食指和中指指節(jié)處，手套還應(yīng)進(jìn)一步考慮增加柔軟度，提高活動(dòng)性。O’Hara以及Pelton的試驗(yàn)［3］表明：戴有壓手套對掌指關(guān)節(jié)彎曲活動(dòng)范圍影響不大，而對近端指間關(guān)節(jié)和手腕的活動(dòng)范圍影響卻很顯著。但在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MCP（例如：拇指掌骨彎曲，掌骨指骨彎曲）的角度變化與IP（鄰近指節(jié)彎曲，食指指骨彎曲）一樣劇烈，手腕關(guān)節(jié)（手腕向內(nèi)彎曲，手腕向后延伸）也同IP一樣有很大的角度變化。導(dǎo)致結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)論相悖的原因可能是手套和選取的ROM動(dòng)作存在區(qū)別。戴手套對拇指指節(jié)延伸、拇指指節(jié)彎曲、手腕向內(nèi)彎曲影響顯著，尤其對掌骨指骨彎曲、鄰近指節(jié)彎曲、食指指骨彎曲、食指與中指的最大夾角、手腕向后延伸有非常顯著的影響。但每個(gè)人的手部構(gòu)造都不盡相同，本試驗(yàn)所選取的受試人數(shù)也十分有限，所以在數(shù)據(jù)分析上還具有一定的局限性［14?16］，對其它特殊情況可能還沒能考慮在內(nèi)。

4 結(jié)論

1）戴有壓手套對掌指關(guān)節(jié)彎曲活動(dòng)范圍影響不大，而對近端指間關(guān)節(jié)和手腕的活動(dòng)范圍影響卻很顯著。其中對近端指間關(guān)節(jié)動(dòng)作中的食指指骨彎曲動(dòng)作和食指與中指的最大夾角影響最為明顯，活動(dòng)性分別降低50%和80%左右。對手腕活動(dòng)中的手腕向后延伸這一動(dòng)作影響最為明顯，活動(dòng)性降低了50%。

2）手套的加壓會(huì)導(dǎo)致近端指間關(guān)節(jié)和手腕的活動(dòng)范圍急劇地降低，食指與中指的最大夾角，戴手套相對于裸手情況ROM值的減小幅度從0 kPa下的 23.20% 到 29.6 kPa 下的 78.15%，減小幅度增加了54.95%。由此，在實(shí)際艙外活動(dòng)中，應(yīng)該著重注意這一點(diǎn)對航天員安全以及艙外活動(dòng)任務(wù)的影響。

3）本文所得結(jié)論可作為艙外航天服手套工效學(xué)設(shè)計(jì)的參考，可為航天員艙內(nèi)活動(dòng)和飛行員駕駛活動(dòng)提供參考。但為了更好地應(yīng)用相關(guān)研究，還需對有溫度影響下的活動(dòng)范圍進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以探討溫度和壓力復(fù)合作用時(shí)對ROM的影響。

［1］ 賈司光.艙外航天服研制的學(xué)科基礎(chǔ)［M］.北京：航天醫(yī)學(xué)工程雜志社， 2003：29?35.

Jia Siguang.Discipline?based for the Development of the Ex?travehicular Activity Space Suit［M］.Beijing： Institute of Space Medico?Engineering Magazine， 2003： 29?35.（in Chi?nese）

［2］ 丁立，楊鋒，楊春信，等.艙外航天服手套的工效問題［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（4）：416?420.

Ding Li， Yang Feng， Yang Chunxin， et al.Ergonomics im?plications of extravehicular activity spacesuit glove［J］.Jour?nal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2005， 31（4）： 416?420.（in Chinese）

［3］ O’Hara J M， Briganti M， Cleland J， et al.Extravehicular activities limitations study volume II establishment of physio?logical and performance criteria for EVA gloves?final report［R］.NAS?9?17702， 1988.

［4］ Ram R，Lisa A B，Dishayne G，et al.Tactility as a function of grasp force： effects of glove， orientation， pressure， load，and handle［R］.NASA?TP?3474， 1994.

［5］ Grahne M S，Graziosi D A，Pauly R L.Benefits of an EMU glove active heating system ［R］.SAE?951549，1995.

［6］ Melissa H W，David L A.The effects of extravehicular activi?ty gloves on human hand performance［ R］.SAE?2001?01?2164， 2001.

［7］ 賈司光.復(fù)合環(huán)境因素［M］／／陳信，袁修干.人?機(jī)?環(huán)境系統(tǒng)工程生理學(xué)基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000：519?541.

Jia Siguang.Combined Stresses［M］ ／／Chen Xin， Yuan Xi?ugan.Man?Machine?Environment System Engineering Physio?logical Basis.Beijing： Beihang University Press，2000： 519?541.（in Chinese）

［8］ 陳守平，丁立，楊春信，等.基于艙外航天服手套基礎(chǔ)性工效評價(jià)的人體力學(xué)指標(biāo)優(yōu)選研究［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006， 19（2）： 106?110.

Chen Shouping， Ding Li， Yang Chunxin， et al.Study on in?dex optimization of human?mechanics based on basic ergonom?ic evaluation of spacesuit gloves［J］.Space Medicine ＆ Medi?cal Engineering， 2006， 19（2）： 106?110.（in Chinese）

［9］ 丁立，楊鋒，楊春信，等.手動(dòng)作業(yè)力量評價(jià)指標(biāo)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 41（1）：239?244.

Ding Li， Yang Feng， Yang Chunxin， et al.Evaluation targets of manual strength［J］.Journal of Harbin Institute of Technol?ogy， 2009， 41（1）： 239?244.（in Chinese）

［10］ Pelton M.The Effects of Extravehicular Activity Gloves on Human Hand Performance［D］.University of Maryland， Col?lege Park， 2000.

［11］ Splawn K，Graziosi D.Phase VI glove TMG evolution［R］.SAE?2004?01?2344， 2004.

［12］ Ram R Bishu，Glenn K.The effects of extravehicular activity（EVA）gloves on human performance［J］.International Jour?nal of Industrial Ergonomics， 1995， 16： 165?174.

［13］ Tiffin J， Asher E J.The Purdue pegboard； norms and studies of reliability and validity［J］.JApp Psychol， 1948，32：234?247.

［14］ Tiffin J.Effect of gloves on control operation time［J］.Hu?man Factors， 1969，11：13?20.

［15］ Griffin D R.Manual dexterity of men wearing gloves and mit?tens［R］.Fatigue Lab.， Harvard University， Report No.22，1944.

［16］ Lyman J， Groth Prehension H.Force as a measure of psycho?motor skill for bare and gloved hands［J］.Journal of Applied Psychology， 1958， 42（1）：18?21