航天服肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型研究 李元豐，張萬欣 （中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 ） 摘要：肩法蘭是航天服影響人體上肢活動(dòng)的關(guān)鍵部分，為分析其對(duì)上軀干結(jié)構(gòu)和航天服工效性 能的影響，依據(jù)人體上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)建立了上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，再通過分析肩法蘭對(duì)上肢活動(dòng) 的影響，建立了肩法蘭與上肢活動(dòng)的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型。 開展了肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性實(shí)驗(yàn)， 將模型計(jì)算的肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)的影響和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，包括上肢活動(dòng)空間 的外觀形態(tài)、體積及截面面積等，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相近，說明所建立的肩法蘭與 人體上肢活動(dòng)相關(guān)性模型可有效地計(jì)算肩法蘭對(duì)上肢活動(dòng)的影響。 研究成果為未來肩法蘭的 優(yōu)化設(shè)計(jì)以及航天服工效性能的改進(jìn)提供了參考。 關(guān)鍵詞：航天服；肩法蘭；上肢活動(dòng)；相關(guān)性 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：- （）- - Study on Mathematical Model of the Correlation between Spacesuit Scye Bearing and Mobility of Up Limbs ， （ ， ， ， ） Abstract： - - ， - ， - Key words：； ； ； 收稿日期：- - ；修回日期：- - 基金項(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（） 作者簡(jiǎn)介：李元豐（ ），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教旆こ獭?- ： 引言 艙外航天服上軀干結(jié)構(gòu)是航天服的基礎(chǔ)部 件，其工效性能對(duì)航天服的工效能力具有重要影 響 。 上軀干結(jié)構(gòu)的工效性能取決于結(jié)構(gòu)與人 體參數(shù)的符合程度，特別是與人體運(yùn)動(dòng)的耦合程 度。 上軀干結(jié)構(gòu)與人體相關(guān)的運(yùn)動(dòng)包括頭部運(yùn) 動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)以及腰部活動(dòng)等，而上肢活動(dòng)由于其 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度多、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)成為受上 軀干結(jié)構(gòu)影響最顯著的人體運(yùn)動(dòng)。 上軀干結(jié)構(gòu)對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)的影響是通過肩 法蘭的限制實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)楹教靻T在穿著航天 第 卷 第 期 年 月 載 人 航 天 服時(shí)，其雙臂是通過上軀干的肩法蘭開口穿入航 天服上肢組件的，因此肩法蘭開口的布局對(duì)人體 著航天服后上肢活動(dòng)范圍具有顯著影響 。 綜 上，開展肩法蘭與上肢活動(dòng)的相關(guān)性研究對(duì)于提 高上軀干結(jié)構(gòu)以及艙外航天服的工效性能具有重 要意義。 結(jié)合工程研制經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)肩法蘭布局對(duì)人體 上肢活動(dòng)的影響是分析肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性 的有效方法，如 - 航天服工程師在 - 研究的 基礎(chǔ)上獲得了研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì) - 航天服的肩法蘭 布局進(jìn)行了優(yōu)化 。 但是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的方法需要 大量的工程研制經(jīng)驗(yàn)作為支撐，耗時(shí)長(zhǎng)，須加深肩 法蘭與上肢活動(dòng)相互關(guān)系的理論研究。 等人采用人體三維掃描的方法對(duì)肩法蘭對(duì)上肢活 動(dòng)的限制進(jìn)行了探索，并對(duì)肩法蘭對(duì)上肢活動(dòng)的 物理限制進(jìn)行了討論，但該研究以探究肩法蘭布 局對(duì)人體的傷害為目的，對(duì)于肩法蘭與人體上肢 活動(dòng)相關(guān)性的描述尚不充分； 通過實(shí)驗(yàn)方法研究了肩法蘭的布局隨上肢運(yùn)動(dòng)變 化的特性，獲得了肩法蘭布局參數(shù)與人體活動(dòng)關(guān) 系的回歸模型，然而該研究?jī)H僅以上肢活動(dòng)的某 些特征動(dòng)作作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)上肢活動(dòng)的表達(dá)并 不充分，因此獲得的相關(guān)性研究結(jié)論也并不全面。 本文開展了航天服肩法蘭與人體上肢活動(dòng)相 關(guān)性數(shù)學(xué)建模研究。 根據(jù)上肢的生理學(xué)特點(diǎn)建立 人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了肩法蘭對(duì)人 體上肢活動(dòng)的影響，建立肩法蘭與人體上肢活動(dòng) 的相關(guān)性模型，并開展了肩法蘭與人體上肢活動(dòng) 相關(guān)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 人體上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 建立人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的目的是為 進(jìn)一步建立肩法蘭與人體上肢活動(dòng)的相關(guān)性模型 提供基礎(chǔ)，因此模型必須對(duì)上肢的生理學(xué)結(jié)構(gòu)和 運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的描述。 上肢是人體中活動(dòng)范圍最大，最靈巧的運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)，包括的關(guān)節(jié)主要有肩關(guān)節(jié)復(fù)合體、肘關(guān)節(jié)、 腕關(guān)節(jié)以及掌、指關(guān)節(jié)等，其中肩關(guān)節(jié)復(fù)合體和肘 關(guān)節(jié)賦予了人體上肢大范圍的活動(dòng)能力，而其它 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的是上肢活動(dòng)的靈巧性，因此上肢可達(dá) 域的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究中，應(yīng)著重對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體和肘 關(guān)節(jié)特征進(jìn)行分析研究。 暢 肩關(guān)節(jié)復(fù)合體模型 肩關(guān)節(jié)復(fù)合體生理結(jié)構(gòu)如圖 所示，包含的 關(guān)節(jié)有胸鎖關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、肩胸關(guān)節(jié)和盂肱關(guān) 節(jié) 。 圖 1 肩關(guān)節(jié)復(fù)合體結(jié)構(gòu) Fig 1 Structure of the shoulder complex 各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合作用保證了肩關(guān)節(jié)復(fù)合 體成為人體中活動(dòng)自由度最多的關(guān)節(jié) 。 例如， 當(dāng)上肢進(jìn)行外展運(yùn)動(dòng)時(shí)，肱骨向上抬升，此時(shí)鎖骨 的軀干端相對(duì)于胸骨繞胸鎖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，肩胛骨相 對(duì)鎖骨繞肩鎖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿著胸腔后壁滑動(dòng)，肩 胛骨轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是帶動(dòng)盂肱關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心移 動(dòng)，從而保證肱骨可以大范圍活動(dòng) 。 在手臂抬 升過程中，肱骨抬升角度和肩胛骨轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)上 肢抬升角度的作用遵循“”規(guī)律 ，即手臂每 外展 度，肱骨繞盂肱關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度貢獻(xiàn) 度，而 肩肩胛骨繞肩鎖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)貢獻(xiàn) 度。 手臂外展時(shí) 的肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況如圖 所示。 等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)肩部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 機(jī)理進(jìn)行了研究，并將肩關(guān)節(jié)復(fù)合體劃分為內(nèi)、外 肩關(guān)節(jié)組合。 同樣采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一 步對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體進(jìn)行了研究，提出將肩關(guān)節(jié)復(fù) 合體簡(jiǎn)化為一條虛擬的肩胛帶，肩胛帶連接肩關(guān) 節(jié)的內(nèi)、外關(guān)節(jié)，如圖 所示，內(nèi)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn) 個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，而外關(guān)節(jié)是 個(gè)自由度的球 副關(guān)節(jié)，肩胛帶的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于胸鎖關(guān)節(jié)和盂肱關(guān) 節(jié)回轉(zhuǎn)中心連線的距離，隨上肢的運(yùn)動(dòng)而變化。 因此，所建立的肩關(guān)節(jié)復(fù)合體包含 個(gè)自由度，且 研究表明各個(gè)自由度間存在著密切的耦合關(guān)系。 暢 肘關(guān)節(jié)模型 肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)包括屈 伸和旋前 旋后，其中 旋前 旋后運(yùn)動(dòng)的主要作用是輔助腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上 肢運(yùn)動(dòng)的精細(xì)調(diào)整，對(duì)于可達(dá)域空間并沒有太多 貢獻(xiàn)，因此，在建立上肢可達(dá)域模型中，將肘關(guān)節(jié) 簡(jiǎn)化為只有屈 伸運(yùn)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié)，如圖 所 示。 第 期 李元豐，等 航天服肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型研究 圖 2 肩關(guān)節(jié)復(fù)合體模型 Fig 2 Mathematical model of shoulder complex 圖 3 肘關(guān)節(jié)模型 Fig 3 Mathematical model of elbow joint 暢 上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 根據(jù)上肢的生理結(jié)構(gòu)和各關(guān)節(jié)的簡(jiǎn)化模型， 依據(jù) - 等人的研究，建立了一種 自由 度的人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖 所示，可 達(dá)域以腕關(guān)節(jié)中心作為參考點(diǎn)。 圖 4 上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 Fig 4 Kinematic model of arm reachable workspace 人體坐標(biāo)系中心定義于內(nèi)肩關(guān)節(jié)中心，各坐 標(biāo)軸方向如圖 中定義：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。 、表示內(nèi)肩關(guān)節(jié)繞 x、y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；、 分別代表標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量肩關(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；表示肘關(guān)節(jié)的 屈 伸運(yùn)動(dòng)角度；r、r、 r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；r為腕關(guān)節(jié)中心位置向量，則有式（）： rRR r RRR （r R r）（） 式中，所有的 R 代表關(guān)節(jié)繞相應(yīng)方向的旋轉(zhuǎn)矩 陣。 上肢運(yùn)動(dòng)的所有活動(dòng)角度及肩胛帶長(zhǎng)度變化 間存在如式（） （）所示強(qiáng)烈的相互耦合關(guān) 系 - ： r d （） r d （） r d （） ，（） ， （） F ， （） 通過 、可求得上臂運(yùn)動(dòng)的空間角度 如式 （）： （ ）（） 假設(shè) d為初始狀態(tài)肩胛帶長(zhǎng)度，則肩胛帶長(zhǎng)度如 式（）： dd （） 肩內(nèi)關(guān)節(jié)活動(dòng)角度如式（）、（）： ， （） ， （） 肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度如式（）： ，（） 模型以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍 作為輸入?yún)?shù)，在某個(gè)角度活動(dòng)范圍內(nèi)設(shè)定一定 的步進(jìn)進(jìn)行迭代循環(huán)運(yùn)算腕關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的可達(dá)位 置，在計(jì)算過程中判定上肢結(jié)構(gòu)與人體軀干和頭 部的碰撞關(guān)系，剔除上肢結(jié)構(gòu)與人體軀干和頭部 有碰撞的可達(dá)點(diǎn)，可獲得上肢可達(dá)域。 肩法蘭對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)的影響 肩法蘭布局的設(shè)計(jì)因素包括左右肩法蘭中心 載 人 航 天第 卷 點(diǎn)距 l，角度 ，角度 以及肩法蘭內(nèi)徑 d，其中角 度 ，角度 是肩法蘭的空間角度 。 人體坐標(biāo) 系的定義同圖 中所示，原點(diǎn)定義為左右肩關(guān)節(jié) 連線中心。 肩法蘭的初始位置定義為與 YZ 平面 平行，肩法蘭局部坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在肩法蘭中心， 局部坐標(biāo)系各個(gè)軸方向在肩法蘭初始狀態(tài)下與基 坐標(biāo)系各軸平行。 因此，角度 定義為肩法蘭繞 其局部坐標(biāo)系 z 軸轉(zhuǎn)角，角度 為肩法蘭繞局部 坐標(biāo)系 y 軸轉(zhuǎn)角。 肩法蘭對(duì)人體上肢活動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在對(duì) 其活動(dòng)范圍的物理限制上，通過對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體 和上臂的運(yùn)動(dòng)限制實(shí)現(xiàn)。 肩法蘭首先對(duì)人體肩 部，即肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的活動(dòng)有限制作用。 肩關(guān)節(jié) 復(fù)合體運(yùn)動(dòng)自由度多、運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，保證上肢可以大 范圍的活動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式主要是鎖骨繞胸鎖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn) 動(dòng)，肩胛骨繞肩鎖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)沿胸腔后壁滑動(dòng)， 產(chǎn)生的結(jié)果是盂肱關(guān)節(jié)的球副回轉(zhuǎn)中心位置漂 移。 當(dāng)肩法蘭的相對(duì)位置位于人體肩寬內(nèi)部時(shí)， 肩法蘭對(duì)鎖骨的擺動(dòng)和肩胛骨的滑動(dòng)范圍進(jìn)行了 約束，制約了盂肱關(guān)節(jié)球副中心的位置移動(dòng)，因此 大大影響了上肢的運(yùn)動(dòng)范圍，如圖 所示。 圖 5 肩法蘭對(duì)肩關(guān)節(jié)復(fù)合體運(yùn)動(dòng)的影響 Fig 5 The influence of scye bearing on shoulder complex 肩法蘭對(duì)上臂的活動(dòng)范圍也有限制作用，主 要是通過物理碰撞實(shí)現(xiàn)。 肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性建模 在前文建立人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的 基礎(chǔ)上，對(duì)上肢活動(dòng)附加肩法蘭約束，建立肩法 蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性模型。 基于 建立的 模型如圖 所示，模型坐標(biāo)系原點(diǎn)定義于左右 肩關(guān)節(jié)中心連線中心點(diǎn)，各個(gè)坐標(biāo)軸軸方向如 圖中所示。 圖 6 肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性模型 Fig 6 Mathematical model for the correlation between spacesuit scye bearing and mobility of up limbs 模型中以橢圓柱體和球體仿真人體的軀干和 頭部，以線段模擬上肢的剛體結(jié)構(gòu)。 肩法蘭對(duì)肩 關(guān)節(jié)復(fù)合體的限制包括限定鎖骨的擺動(dòng)和肩胛骨 的滑動(dòng)。 上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，肩部關(guān)節(jié)被簡(jiǎn)化為 了肩胛帶，可以近似模擬鎖骨，但不能有效的描述 肩胛骨的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，為此，在上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中 加入了肩胛骨模塊，以空間線段代表肩胛骨的邊 緣，其運(yùn)動(dòng)遵循前文闡述的“”規(guī)律。 設(shè)定碰撞閾值判定上肢結(jié)構(gòu)與人體軀干和頭 部以及肩法蘭的碰撞，該閾值依據(jù)人體的幾何參 數(shù)選取。 碰撞判定上肢在某一可達(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)與人體軀干、 頭部以或肩法蘭的距離小于碰撞閾值，則認(rèn)為對(duì) 應(yīng)的上肢可達(dá)位置是無效的。 肩法蘭與人體上肢活動(dòng)相關(guān)性驗(yàn)證 為驗(yàn)證建立的上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及肩 法蘭與人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的有效性，開 展肩法蘭與人體上肢活動(dòng)相關(guān)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 所示，以航天服上軀干結(jié)構(gòu) 構(gòu)型模擬裝置模擬航天服的肩法蘭結(jié)構(gòu)，該裝置 由上軀干結(jié)構(gòu)的各個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可模擬不同 形式的上軀干結(jié)構(gòu)構(gòu)型。 志愿者的上肢活動(dòng)信息 由 人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉記錄。 實(shí)驗(yàn)過 程包含 個(gè)步驟：首先測(cè)量志愿者在無肩法蘭約 束狀態(tài)下的上肢可達(dá)域，然后測(cè)量志愿者在肩法 蘭約束狀態(tài)下的上肢可達(dá)域。 在實(shí)驗(yàn)過程中，約 第 期 李元豐，等 航天服肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型研究 束志愿者軀干及下肢的運(yùn)動(dòng)，保證身體不產(chǎn)生轉(zhuǎn) 動(dòng)和傾斜。 圖 7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) Fig 7 Experiment environment 結(jié)果及分析 航天員穿著艙外航天服進(jìn)行出艙活動(dòng)過程 中，上肢的活動(dòng)空間基本集中于身體的前部，涉及 到身體后部取悅較少，因此在分析肩法蘭與人體 上肢活動(dòng)的相關(guān)性時(shí)，針對(duì)上肢在身體前部的有 效活動(dòng)空間進(jìn)行討論更有意義，因此定義上肢在 身體前部的活動(dòng)空間為上肢有效可達(dá)域空間。 以身高為 男性為例，采用相關(guān)性模 型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量無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) - 中 人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，模型中的人體參數(shù)設(shè)置如表 所 示，上肢角度范圍如表 所示，模型和實(shí)驗(yàn)中的肩 法蘭的布局參數(shù)如表 所示。 表 1 模型人體參數(shù) Table 1 Parameters of human body 軀干橢圓柱體頭部球體上肢參數(shù) 柱體高橢圓長(zhǎng)軸橢圓短軸半徑肩胛帶長(zhǎng)上臂長(zhǎng)前臂長(zhǎng)碰撞閾值 創(chuàng)妹 Q櫃洓wS 表 2 上肢活動(dòng)角度參數(shù) Table 2 Parameters of upper limb angles 表 3 肩法蘭布局參數(shù) Table 3 Parameters of scye bearing 左右肩法蘭中心點(diǎn)距 l 角度 角度 肩法蘭內(nèi)徑 d 參數(shù) 無肩法蘭約束人體上肢可達(dá)域空間和肩法蘭 約束人體上肢可達(dá)域空間的模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn) 測(cè)量結(jié)果如下： 暢 無肩法蘭約束人體上肢有效可達(dá)域空間 無肩法蘭約束人體上肢有效可達(dá)域空間的模 型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖 所示，圖中沿 高度方向截取了幾個(gè)有效可達(dá)域空間的截面，從 圖中可以看出，上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算的有效可達(dá) 域空間沿垂直方向上的截面形態(tài)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié) 果相比基本一致，表明模型計(jì)算的有效可達(dá)域空 間在外觀上與實(shí)際情況相同。 比較有效可達(dá)域空間體積，如表 所示，差異 很小，表明模型對(duì)可達(dá)域空間體積的計(jì)算較準(zhǔn)確。 為全面比較模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，繪制 有效可達(dá)空間截面面積- 高度關(guān)系圖，如圖 所 示，可知模型計(jì)算的上肢有效可達(dá)域空間截面面 積與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合程度很高，整個(gè)有效可達(dá)域空 間沿高度方向呈“中間大，兩端小”的梭狀形態(tài)。 在上、下兩個(gè)極端截面的差異較明顯，一方面是因 為模型關(guān)節(jié)活動(dòng)角度耦合關(guān)系在極限位置的誤 差，另一方面是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，上、下極端位置的 測(cè)量誤差也相對(duì)較大。 表 4 無肩法蘭約束上肢有效可達(dá)空間體積對(duì)比 Table 4 The comparison of workspace without scye bearing volume 模型計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)量 體積C C暢 暢 通過以上對(duì)比，證明了建立的人體上肢可達(dá) 域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以準(zhǔn)確的計(jì)算人體上肢的有效可 達(dá)域空間，可進(jìn)一步用于建立肩法蘭與人體上肢 活動(dòng)相關(guān)性模型。 暢 肩法蘭約束人體上肢有效可達(dá)域空間 按照表 中參數(shù)設(shè)置肩法蘭布局，將相關(guān)性模 型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖 所示。 圖中是上肢有效可達(dá)域空間沿高度方向上 的幾個(gè)截面圖，模型計(jì)算有效可達(dá)域截面形態(tài)與實(shí) 載 人 航 天第 卷 圖8 無肩法蘭約束上肢有效可達(dá)域空間的模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果外觀對(duì)比 Fig 8 The comparison of workspace without scye bearing appearance between calculation and experiment results 圖9 無肩法蘭約束上肢有效可達(dá)域截面面積模型計(jì)算與 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 Fig 9 The comparison of workspace without scye bearing section area between calculation and experiment re- sults 驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相近，證明模型計(jì)算的肩法蘭約束的上 肢有效可達(dá)域在外觀上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。 比較計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的肩法蘭約束上肢有效可達(dá) 空間體積，如表 所示，兩者差異很小，證明模型 計(jì)算結(jié)果有效，另外，同表 中數(shù)據(jù)相比可知，肩 法蘭對(duì)人體上肢的有效可達(dá)域空間具有顯著影 響。 表5 肩法蘭約束上肢有效可達(dá)空間體積對(duì)比 Table 5 The comparison of workspace with scye bearing volume 模型計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)量 體積 暢 : :暢 將有效可達(dá)域空間的沿高度方向上的截面面 積變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖 所示，計(jì)算獲得的 上肢有效可達(dá)域空間截面面積隨高度變化趨勢(shì)與 實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。 然而在具體數(shù)值上，計(jì)算結(jié) 果存在一定差異，在低于人體胸部的位置，模型計(jì) 算獲得的截面面積偏小，而在人體胸部以上至頭 部的空間內(nèi)，計(jì)算值明顯大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。 相關(guān)性模型建立的目的是計(jì)算肩法蘭對(duì)人 體上肢活動(dòng)的影響，因此將模型計(jì)算的肩法蘭對(duì) 人體上肢的約束情況與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比 較，如圖 所示，圖中為無肩法蘭約束狀態(tài)和有 肩法蘭約束狀態(tài)下上肢有效可達(dá)域空間沿高度方 向的截面面積對(duì)比，通過對(duì)比，可獲得結(jié)論，肩法 蘭對(duì)于人體上肢活動(dòng)可達(dá)域的影響非常明顯，并 且通過模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果對(duì)比來看，兩 者符合程度較好，表明模型對(duì)于肩法蘭對(duì)人體上 肢活動(dòng)影響的計(jì)算結(jié)果是有效的。 以上對(duì)模型計(jì)算的和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的肩法蘭對(duì)人 體上肢有效可達(dá)域空間影響的對(duì)比表明，所建立 的肩法蘭與人體上肢活動(dòng)的相關(guān)性模型雖然在部 分方面對(duì)肩法蘭與人體上肢活動(dòng)的關(guān)系的描述精 度不足，但是仍可以較準(zhǔn)確的表達(dá)肩法蘭對(duì)人體 上肢有效可達(dá)域空間的影響情況，模型具備一定 的合理性。 第 期 李元豐，等 航天服肩法蘭與上肢活動(dòng)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型研究 圖10 肩法蘭約束上肢有效可達(dá)域空間的模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)外觀對(duì)比 Fig 10 The comparison of workspace with scye bearing appearance between calculation and experiment results 圖11 肩法蘭約束上肢有效可達(dá)域截面面積模型計(jì)算與實(shí) 驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 Fig 11 The comparison of workspace with scye bearing section area between calculation and experiment results 暢 誤差來源分析 通過對(duì)模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比證明 了所建立的人體上肢可達(dá)域運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和肩法蘭 與人體上肢活動(dòng)的相關(guān)性模型的有效性，但在諸 多方面還存在誤差，模型的誤差主要來自以下幾 個(gè)方面： ）在建模過程中，對(duì)人體上肢的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 簡(jiǎn)化，尤其是肩關(guān)節(jié)復(fù)合體，該簡(jiǎn)化雖然可以較好 的表達(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，特別是在進(jìn)行上肢結(jié)構(gòu)與身體或 肩法蘭碰撞判定時(shí)，會(huì)帶來一定偏差； ）模型中上肢結(jié)構(gòu)與肩法蘭以及身體碰撞 判定的碰撞閾值是依據(jù)人體的幾何參數(shù)設(shè)定的， 圖12 肩法蘭對(duì)上肢有效可達(dá)域截面面積影響模型計(jì)算與 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 Fig 12 The comparison of t