基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)的艙外航天服肩法蘭布局優(yōu)化研究

管鯤甯， 李潭秋， 李道奎， 李元豐

(1.國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410073； 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094)

1 引言

航天員著艙外航天服后的活動(dòng)性是保證航天員順利完成出艙任務(wù)的前提，取決于航天服上軀干結(jié)構(gòu)與人體上肢生理參數(shù)的符合程度。 上軀干結(jié)構(gòu)對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)的影響通過(guò)肩法蘭對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)的限制實(shí)現(xiàn)。 航天員著艙外航天服時(shí)，其雙臂通過(guò)上軀干的肩法蘭開(kāi)口穿入艙外服上肢組件，因此肩法蘭的布局對(duì)人體著服后上肢的活動(dòng)范圍影響至關(guān)重要。

NASA 的Z-2 航天服在Z-1 航天服的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，縮減了左右肩法蘭中心距，并對(duì)肩法蘭的空間角度進(jìn)行了優(yōu)化[1]。 但該優(yōu)化需要大量的工程研制經(jīng)驗(yàn)作為支撐，時(shí)間周期較長(zhǎng)；Williams[2]通過(guò)人體掃描方法獲得人體上肢在活動(dòng)過(guò)程中與肩法蘭的作用關(guān)系，研究表明肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)的限制體現(xiàn)在對(duì)人體肩部以及上臂的擠壓，會(huì)對(duì)人體造成傷害，影響上肢活動(dòng)能力。Heather[3]設(shè)計(jì)肩法蘭模擬裝置研究肩法蘭布局隨人體上臂活動(dòng)的變化情況，結(jié)果表明肩法蘭布局與人體上肢活動(dòng)間存在明顯的相互關(guān)系，并獲得了肩法蘭位置及空間角度與上肢活動(dòng)情況的回歸模型。 但上述研究對(duì)上肢活動(dòng)的表達(dá)尚不充分，得到的結(jié)論無(wú)法闡釋肩法蘭對(duì)上肢活動(dòng)性影響的原因。 李元豐等[4－6]根據(jù)上軀干結(jié)構(gòu)組成研制了上軀干結(jié)構(gòu)原理樣機(jī)，開(kāi)展了肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，得到了肩法蘭設(shè)計(jì)因素與單、雙手操作空間相對(duì)體積的關(guān)系，但因相關(guān)性實(shí)驗(yàn)缺乏對(duì)人體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的系統(tǒng)分析，且普適性不足，難以覆蓋肩法蘭的所有布局方案。

本文根據(jù)人體上肢生理學(xué)特點(diǎn)，分析肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)的影響方式，在人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上增加肩法蘭約束，建立肩法蘭與人體上肢耦合模型；并針對(duì)4 個(gè)設(shè)計(jì)因素(左右肩法蘭中心間距l(xiāng)，肩法蘭內(nèi)徑d，角度γ以及角度α)，開(kāi)展數(shù)值仿實(shí)驗(yàn)，研究肩法蘭各設(shè)計(jì)因素對(duì)人體上肢活動(dòng)性的影響，以獲得艙外航天服肩法蘭布局與人體上肢活動(dòng)的相互作用關(guān)系，為肩法蘭布局方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供參考。

2 艙外航天服肩法蘭與人體上肢耦合模型

2.1 人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

依據(jù)Klopcar 等[7－8]的研究結(jié)果，利用Matlab編程建立1 種3 剛體7 自由度的人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖1 所示。 人體坐標(biāo)系中心定義于內(nèi)肩關(guān)節(jié)中心，x軸沿人體冠狀軸方向，y軸沿人體矢狀軸方向，z軸沿人體垂軸方向，則有式(1)所示耦合關(guān)系[9－10]:

圖1 上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.1 Kinematics model of upper limb reachable area

式中，φrp、φde表示內(nèi)肩關(guān)節(jié)繞x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；φA、φF、φR分別代表肩關(guān)節(jié)外展/ 內(nèi)收、前屈/后伸以及旋內(nèi)/ 旋外的活動(dòng)角度；φEF表示肘關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動(dòng)角度；rSG、rH、rF分別表示肩胛帶向量(即內(nèi)、外肩關(guān)節(jié)中心距離向量)、上臂向量和前臂向量；rw為腕關(guān)節(jié)中心位置向量，R代表關(guān)節(jié)繞相應(yīng)方向的旋轉(zhuǎn)矩陣。 在上肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)間存在耦合關(guān)系[11－12]。

2.2 肩法蘭與人體上肢耦合模型

肩法蘭對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體運(yùn)動(dòng)的約束如圖2 所示，紅色圓環(huán)表示的肩法蘭對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體運(yùn)動(dòng)的約束明顯。 當(dāng)肩法蘭的相對(duì)位置位于人體肩寬內(nèi)部時(shí)，對(duì)鎖骨的擺動(dòng)和肩胛骨的滑動(dòng)范圍進(jìn)行了約束，因此大大影響了上肢的運(yùn)動(dòng)范圍。 肩法蘭對(duì)上臂的活動(dòng)范圍也有限制作用，主要是通過(guò)物理碰撞實(shí)現(xiàn)。

圖2 肩法蘭對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體運(yùn)動(dòng)的約束Fig. 2 Constraints of shoulder flange on shoulder joint complex

肩法蘭布局的設(shè)計(jì)因素包括:左右肩法蘭中心距離l，肩法蘭內(nèi)徑d，角度γ以及角度α，其中，角度γ和α是肩法蘭的空間角度[13]。 角度γ定義為肩法蘭繞其局部坐標(biāo)系z(mì)軸轉(zhuǎn)角，角度α為肩法蘭繞局部坐標(biāo)系y軸轉(zhuǎn)角，肩法蘭角度定義如圖3 所示。 在模型中，通過(guò)調(diào)整肩法蘭各個(gè)設(shè)計(jì)因素可實(shí)現(xiàn)肩法蘭布局的變換，而肩法蘭布局的設(shè)計(jì)過(guò)程即確定各個(gè)設(shè)計(jì)因素參數(shù)的過(guò)程。

圖3 肩法蘭角度定義Fig.3 Definition of shoulder flange angle

本文搭建了肩法蘭與人體上肢耦合模型。 首先建立人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后以人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)施加肩法蘭的限制，建立基于Matlab 的肩法蘭與人體上肢活動(dòng)耦合模型。 肩法蘭與人體上肢活動(dòng)耦合模型示意圖如圖4 所示，圖中不同顏色的圓環(huán)可視作位于不同空間位置的肩法蘭。

圖4 肩法蘭與人體上肢耦合模型示意圖Fig.4 Coupling model of shoulder flange and human upper limb

在耦合模型程序的運(yùn)算中，在進(jìn)行上肢結(jié)構(gòu)與肩法蘭碰撞情況判定之前，需設(shè)定碰撞閾值，該閾值依據(jù)人體幾何參數(shù)選取。 本文選取上臂和前臂的半徑分別作為人體上臂和前臂的碰撞閾值。

以上肢的各個(gè)結(jié)構(gòu)與肩法蘭的碰撞情況判定對(duì)應(yīng)的上肢可達(dá)位置是否有效，若某一可達(dá)位置對(duì)應(yīng)的上肢結(jié)構(gòu)與肩法蘭的距離小于碰撞閾值，則認(rèn)為此時(shí)人體上肢與肩法蘭發(fā)生碰撞，因此對(duì)應(yīng)的上肢可達(dá)位置無(wú)效。

耦合模型以人體肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍作為輸入，以腕關(guān)節(jié)中心作為參考點(diǎn)，按照各個(gè)關(guān)節(jié)角度的耦合關(guān)系約束各關(guān)節(jié)角度的取值范圍，在6 個(gè)關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍內(nèi)選取合適的步長(zhǎng)進(jìn)行循環(huán)迭代運(yùn)算，以獲得相應(yīng)的腕關(guān)節(jié)中心點(diǎn)位置。通過(guò)上肢結(jié)構(gòu)與肩法蘭的碰撞判定，剔除上肢與肩法蘭發(fā)生碰撞所對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)位置，即可獲得肩法蘭約束下人體上肢活動(dòng)的可達(dá)域空間。

通過(guò)改變肩法蘭設(shè)計(jì)因素的參數(shù)，可得不同肩法蘭布局下人體上肢可操作空間的體積。 通過(guò)改變肩法蘭的4 個(gè)設(shè)計(jì)因素的參數(shù)，可運(yùn)算獲得不同肩法蘭設(shè)計(jì)下的單、雙手可達(dá)域空間體積。

3 基于耦合模型的數(shù)值實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探求肩法蘭對(duì)上肢活動(dòng)的影響，以人體上肢活動(dòng)能力作為實(shí)驗(yàn)考察的因變量。 可達(dá)域是描述上肢活動(dòng)能力的重要指標(biāo)，臨床上常用可達(dá)域來(lái)測(cè)試、表征關(guān)節(jié)活動(dòng)性能[7]，結(jié)合艙外航天服上肢組件活動(dòng)性能研究中常用可達(dá)域作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]，本實(shí)驗(yàn)利用可達(dá)域空間作為表征上肢活動(dòng)性能的定量指標(biāo)。

根據(jù)艙外服的使用背景定義了單手、雙手可達(dá)域空間體積2 種考察指標(biāo)。 單手可達(dá)域空間體積是指單只手臂活動(dòng)過(guò)程中可到達(dá)的空間區(qū)域的體積，實(shí)驗(yàn)中以右手臂為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用耦合模型計(jì)算右手臂在肩法蘭約束下的可達(dá)域空間體積大小。 同時(shí)考慮到出艙活動(dòng)中，大多數(shù)的任務(wù)需航天員雙手協(xié)同完成，僅考察單手空間不足以描述肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)性的影響，因此定義了雙手可達(dá)域空間，也即左右雙手可同時(shí)到達(dá)、完成操作的空間區(qū)域，即左右單手可達(dá)域空間的交集空間。

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是安排多因素實(shí)驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的高效率實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[15]。 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及本實(shí)驗(yàn)研究需求，采用正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并采用極差、方差以及回歸分析方法進(jìn)行分析。

本實(shí)驗(yàn)以建立的艙外服肩法蘭與人體上肢耦合模型為平臺(tái)，基于Matlab 程序開(kāi)展計(jì)算機(jī)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)肩法蘭的4 個(gè)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行賦值，完成單、雙手可達(dá)域空間體積的計(jì)算。

3.2 參數(shù)設(shè)置

首先需設(shè)定各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)及水平值。 根據(jù)Heather[3]研究，人體上肢在活動(dòng)過(guò)程中，γ、α平均值的范圍分別為式(2):

依據(jù)艙外服上軀干結(jié)構(gòu)的研制經(jīng)驗(yàn)及人體幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)，左右肩法蘭中心距l(xiāng)、肩法蘭內(nèi)徑d的取值范圍設(shè)定見(jiàn)式(3):

李元豐等[4－6]根據(jù)上軀干結(jié)構(gòu)的組成研制了上軀干結(jié)構(gòu)原理樣機(jī)，并獲得了角度γ與角度α水平范圍的驗(yàn)證，見(jiàn)式(4):

正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)定如表1 所示。 實(shí)驗(yàn)因素是肩法蘭的設(shè)計(jì)因素。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 Factor level of orthogonal test

由于實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)相同，且不考慮肩法蘭各設(shè)計(jì)因素間的交互作用，可選用L16(45)正交表安排實(shí)驗(yàn)方案，如表2 所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal test plan

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及單、雙手可達(dá)域空間體積見(jiàn)表3。 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各種肩法蘭布局對(duì)上肢活動(dòng)的限制非常明顯，且與單手可達(dá)域空間體積相比，雙手可達(dá)域空間體積受影響程度更大。

表3 單、雙手可達(dá)域空間體積結(jié)果Table 3 Results of one－h(huán)and and two－h(huán)and reachable domain space volume

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的分析方法，計(jì)算各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的Ti及mi及R(表4)。 其中T為總體積，m為平均體積，i表示各因素的水平編號(hào)。 表中的最后一行為同一列的mi之中最大值與最小值的差，稱(chēng)為極差，以R表示。 極差是衡量數(shù)據(jù)波動(dòng)大小的指標(biāo)，極差大說(shuō)明該因素對(duì)考察指標(biāo)的影響大，是主要影響因素；極差小就表示該因素對(duì)考察指標(biāo)的影響小，是次要影響因素[16]。

表4 單、雙手可達(dá)域空間體積正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment analysis of one-hand and two-hand reachable space volume

通過(guò)對(duì)比極差的大小可知，在l、d、γ、α4 個(gè)設(shè)計(jì)因素中，對(duì)于單手操作空間體積，角度α因素是主要因素，以下因素按照重要性排序依次是l、d、γ；對(duì)于雙手操作空間體積，肩法蘭內(nèi)徑d因素是主要因素，以下因素按照重要性排序依次是α、l、γ。

為了直觀地分析各個(gè)因素對(duì)上肢活動(dòng)能力的影響，繪制了實(shí)驗(yàn)因素與考察指標(biāo)關(guān)系的趨勢(shì)圖(圖5)。

由圖5 可以看出，當(dāng)左右肩法蘭中心距l(xiāng)為370 mm，肩法蘭內(nèi)徑d為240 mm，角度γ為25°，角度α為60°時(shí)，單手可達(dá)域空間體積最大。

圖5 單手可達(dá)域空間體積與各影響因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.5 Trend of relationship between the spatial volume of one-hand reachable domain and influencing factors

由圖6 可以看出，當(dāng)左右肩法蘭中心距l(xiāng)為390 mm，肩法蘭內(nèi)徑d為240 mm，角度γ為15°，角度α為60°時(shí)，雙手可達(dá)域空間體積最大。

圖6 雙手可達(dá)域空間體積與各影響因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.6 Trend of relationship between the spatial volume of two-hand reachable domain and influencing factors

由于直觀分析法得到的最佳水平組合未出現(xiàn)在16 次實(shí)驗(yàn)中，需進(jìn)一步追加驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)模型計(jì)算求出的最佳水平組合下單手可達(dá)域體積為255.7603 dm3，表明當(dāng)左右肩法蘭中心距l(xiāng)為370 mm，肩法蘭內(nèi)徑d為240 mm，角度γ為25°，角度α為60°時(shí)，肩法蘭對(duì)單手可達(dá)域空間體積的限制最小。

通過(guò)模型計(jì)算求出的最佳水平組合下雙手可達(dá)域體積為37.4354 dm3，表明當(dāng)左右肩法蘭中心距l(xiāng)為390 mm，肩法蘭內(nèi)徑d為240 mm，角度γ為15°，角度α為60°時(shí)，肩法蘭對(duì)雙手可達(dá)域空間體積的限制最小。

為準(zhǔn)確估計(jì)誤差大小，評(píng)估各因素對(duì)上肢活動(dòng)能力影響的顯著水平，采用多因素方差分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[17]。

單手可達(dá)域空間體積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果如表5 所示，可以看出，因素α 對(duì)單手可達(dá)域空間體積影響非常顯著，因素l、d、γ對(duì)單手可達(dá)域空間體積影響顯著。

表5 單手可達(dá)域空間體積方差分析Table 5 Variance analysis of one-handed reachable area volume

雙手可達(dá)域空間體積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果如表6 所示，可已看出，因素l、d、γ、α對(duì)雙手可達(dá)域空間體積影響都非常顯著。 以上分析結(jié)果與直觀分析法的結(jié)論一致。

表6 雙手可達(dá)域空間體積方差分析Table 6 Variance analysis of two-hand reachable area volume

通過(guò)對(duì)圖5 分析發(fā)現(xiàn)，單手可達(dá)域空間體積與d、α因素呈線(xiàn)性關(guān)系；與l、γ因素的關(guān)系無(wú)法以線(xiàn)性關(guān)系描述，應(yīng)引入更高階次項(xiàng)。 設(shè)單手可達(dá)域空間體積為y1，左右肩法蘭中心距l(xiāng)、內(nèi)徑d、角度γ、角度α分別是x1，x2，x3，x4。 設(shè)回歸模型為式(5):

式中，α0，α1，α2，α3，α4，α5，α6為回歸方程系數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可獲得回歸方程式(6):

通過(guò)對(duì)圖6 的分析發(fā)現(xiàn)，雙手可達(dá)域空間體積與l、d、γ、α因素都呈線(xiàn)性關(guān)系。 設(shè)雙手可達(dá)域空間體積為y2，左右肩法蘭中心距l(xiāng)、內(nèi)徑d、角度γ、角度α分別是x1，x2，x3，x4。 設(shè)回歸模型為式(7):

式中，α0，α1，α2，α3，α4為回歸方程系數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可獲得回歸方程式(8):

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及預(yù)測(cè)結(jié)果

以身高為170 cm 男性為例，采用耦合模型計(jì)算無(wú)肩法蘭約束和有肩法蘭約束的上肢有效可達(dá)域空間。 根據(jù)GJB36A－200 和GB10000－88 中人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，模型中的人體參數(shù)設(shè)置如表7 所示，人體上肢活動(dòng)角度范圍如表8 所示。

表7 人體模型參數(shù)Table 7 Parameters of human model

4.1 耦合模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

表9 為無(wú)肩法蘭約束人體上肢可達(dá)域空間體積的模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，表明本文計(jì)算結(jié)果與Klopcar 等[7]研究相比差異很小，且處于文獻(xiàn)[7]的誤差區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明本文模型對(duì)可達(dá)域空間體積的計(jì)算較準(zhǔn)確，證明所建立的人體上肢可達(dá)域模型的有效性，可進(jìn)一步用于肩法蘭與人體上肢耦合模型的研究。

表9 無(wú)肩法蘭約束人體上肢可達(dá)域空間體積對(duì)比Table 9 Comparison of spatial volume of human upper limb reachable area domain without shoulder flange /dm3

表10 為肩法蘭約束下上肢可達(dá)域空間體積的模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與李元豐等[4]研究相比差異很小，表明耦合模型對(duì)上肢可達(dá)域空間體積的計(jì)算較準(zhǔn)確，證明所建立的肩法蘭與人體上肢耦合模型是有效的。 另外，同表9 中數(shù)據(jù)相比可知，肩法蘭對(duì)人體上肢可達(dá)域空間具有顯著影響。

表10 有肩法蘭約束人體上肢可達(dá)域空間體積對(duì)比Table 10 Comparison of spatial volume of human upper limb reachable area domain with shoulder flange /dm3

通過(guò)模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)比，雖然所建立的肩法蘭與人體上肢耦合模型在某些方面對(duì)肩法蘭與人體上肢活動(dòng)關(guān)系描述尚有不足，但仍可以較準(zhǔn)確地反映肩法蘭對(duì)人體上肢有效可達(dá)域空間的影響。

建模過(guò)程中，模型對(duì)人體上肢的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，尤其是肩復(fù)合關(guān)節(jié)，雖然該簡(jiǎn)化可以較好地表達(dá)上肢的運(yùn)動(dòng)特性，但對(duì)于幾何形態(tài)的描述缺乏足夠精度，會(huì)帶來(lái)一定偏差。 模型計(jì)算中，人體上肢的有效可達(dá)域空間是三維不規(guī)則形態(tài)，其邊界不是連續(xù)曲面，另外Matlab 軟件是通過(guò)擬合來(lái)計(jì)算可達(dá)域體積，難免導(dǎo)致誤差的累積。

受以上因素的影響，模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，但考慮實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程的誤差，可以認(rèn)為模型具備一定的合理性，可作為數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。

4.2 回歸模型預(yù)測(cè)效果

為驗(yàn)證回歸模型的預(yù)測(cè)效果，本文設(shè)計(jì)了6次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 分別按照6 種不同的肩法蘭布局方案，將回歸方程得到的人體上肢單、雙手可操作空間體積擬合計(jì)算值與耦合模型程序運(yùn)算得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 對(duì)比結(jié)果如圖7 所示，可以看出耦合模型與回歸模型符合程度較高。

圖7 回歸模型預(yù)測(cè)效果Fig.7 Regression model prediction effect

考慮實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程存在的誤差，可以認(rèn)為單、雙手可達(dá)域空間體積回歸模型的計(jì)算誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了所建立的回歸模型的有效性。

5 討論

艙外服肩法蘭的設(shè)計(jì)因素包括左右肩法蘭中心距l(xiāng)、肩法蘭內(nèi)徑d、角度γ和α，通過(guò)改變以上設(shè)計(jì)因素可實(shí)現(xiàn)肩法蘭布局的變換，肩法蘭布局的設(shè)計(jì)就是確定這4 種設(shè)計(jì)因素參數(shù)的過(guò)程。 上軀干肩法蘭結(jié)構(gòu)與人體上肢活動(dòng)具有顯著性相關(guān)性。 本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究肩法蘭與人體上肢活動(dòng)的相關(guān)性，旨在明確肩法蘭的各個(gè)設(shè)計(jì)因素對(duì)上肢活動(dòng)的影響，為進(jìn)一步肩法蘭布局的改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)。

在研究指標(biāo)的設(shè)定上，本文提出了更能全面描述上肢活動(dòng)能力的可達(dá)域空間體積指標(biāo)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單、雙手可達(dá)域空間體積指標(biāo)可以有效區(qū)分不同肩法蘭布局形式對(duì)人體上肢活動(dòng)的影響。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，肩法蘭的4 個(gè)設(shè)計(jì)因素對(duì)單、雙手可達(dá)域空間體積都有顯著或非常顯著的影響。 各個(gè)因素對(duì)單手操作空間相對(duì)體積的影響排序?yàn)棣?、l、d和γ。 各個(gè)因素對(duì)雙手操作空間相對(duì)體積的影響排序?yàn)閐、α、l和γ。

根據(jù)前人研究得出各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的交互作用項(xiàng)對(duì)上肢活動(dòng)性的影響不顯著，因此本文在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)未包含交互作用因素。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，尤其是在回歸分析獲得的回歸方程中，d、α、l和γ影響顯著，可以有效地描述設(shè)計(jì)因素對(duì)上肢活動(dòng)能力的影響，而方程中并不包含交互項(xiàng)，因此可以佐證各因素的交互作用對(duì)于上肢活動(dòng)能力的影響并不顯著。

6 結(jié)論

本文基于肩法蘭與人體上肢耦合模型，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究了航天服肩法蘭布局與人體上肢活動(dòng)的關(guān)系，結(jié)論如下:

1) 單、雙手可達(dá)域空間體積指標(biāo)可以有效地區(qū)分不同肩法蘭布局形式對(duì)人體上肢活動(dòng)的影響，是衡量肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)影響的有效指標(biāo)。

2) 在肩法蘭的4 個(gè)設(shè)計(jì)因素中，角度α是影響單手操作空間的主要因素，其次是左右肩法蘭中心距l(xiāng)，肩法蘭內(nèi)徑d以及角度γ。d是影響雙手操作空間的主要因素，其次是α，l以及γ。 肩法蘭的設(shè)計(jì)因素對(duì)單、雙手可達(dá)域空間體積有顯著的影響，可以采用關(guān)系式來(lái)描述。

3) 單、雙手可達(dá)域空間體積回歸模型可較好預(yù)測(cè)各種肩法蘭布局對(duì)上肢活動(dòng)的影響，可用于肩法蘭布局方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，為未來(lái)艙外航天服軀干結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。