李 語，周 棟*，宋子騁，郭子玥，康子旭，帥松良，趙軒毅

（1.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院；3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 4.北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院：北京 100191）

0 引言

2022 年11 月29 日，“神舟十五號(hào)”載人飛船的成功發(fā)射，標(biāo)志著中國(guó)空間站的建設(shè)進(jìn)入收官階段。3 位航天員將在軌工作生活6 個(gè)月，在此期間不僅要完成各項(xiàng)科研任務(wù)，還需要進(jìn)行空間站的日常維護(hù)和在軌維修。

在軌維修是提高載人航天器使用壽命，使系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)保持高可靠性的必要手段[1]。目前，在軌維修主要有艙內(nèi)（intravehicular activity, IVA）、艙外（extravehicular activity, EVA）和艙外機(jī)械臂（extravehicular robotics, EVR）3 種方式[2]。“和平號(hào)”空間站在軌運(yùn)行15 年間，航天員有75%的工作時(shí)間用于在軌維修[3]。在國(guó)際空間站建造和運(yùn)營(yíng)期間，艙內(nèi)維修總時(shí)長(zhǎng)約2536 人·時(shí)，艙外維修總時(shí)長(zhǎng)約421 人·時(shí)，相當(dāng)于航天員每個(gè)工作日的維修時(shí)長(zhǎng)為1.9 h，非工作日的維修時(shí)長(zhǎng)為1.8 h[4-5]。對(duì)于即將完成建設(shè)的中國(guó)空間站而言，在軌維修已成為駐站航天員必須執(zhí)行的日常任務(wù)。若在軌維修時(shí)間過長(zhǎng)，不僅會(huì)消耗航天員的體力及精力，也會(huì)影響到其他科研任務(wù)的按時(shí)順利開展。同時(shí)，在軌維修需要相應(yīng)的維修保障資源支持，而空間站內(nèi)空間有限，必須準(zhǔn)確地度量及預(yù)計(jì)在軌維修時(shí)間，以便提前運(yùn)送所必須的維修保障資源，并在特定的發(fā)射周期內(nèi)安排適當(dāng)?shù)脑谲壘S修任務(wù)。

目前，在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法主要有基于經(jīng)驗(yàn)和基于動(dòng)作分配2 種[4]?；诮?jīng)驗(yàn)的在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法主要以地面維修時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)于相同或者相似的維修任務(wù)，空間站中在軌維修時(shí)間會(huì)以地面維修時(shí)間的2 倍來粗略估算。顯然，這種方法僅基于簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)假設(shè)，并未考慮在軌維修和地面維修的具體差別，對(duì)維修時(shí)間的預(yù)估不準(zhǔn)確?；趧?dòng)作分配的在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法是以人為規(guī)定的維修時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，通過已知數(shù)據(jù)來預(yù)計(jì)每天的維修時(shí)間。但是，這種基于已知數(shù)據(jù)而人為規(guī)定的維修時(shí)間可能受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、技能水平、工作效率等主觀因素的影響，并且不能對(duì)不同的維修任務(wù)和單個(gè)的維修任務(wù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)計(jì)。此外，這2 種方法都忽略了微重力環(huán)境對(duì)在軌維修時(shí)間的重要影響，無法全面體現(xiàn)微重力環(huán)境對(duì)航天員生理、認(rèn)知和維修視覺可達(dá)性的影響。

基于上述現(xiàn)有在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法存在的問題，本文借鑒地面上的動(dòng)作時(shí)間方法思路[6-7]，提出一種在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)修正方法，利用中性浮力水槽模擬微重力環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)在軌維修基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行修正，既可以建立在軌維修操作基本動(dòng)作的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也能為未來維修任務(wù)的時(shí)間預(yù)計(jì)提供參考。

1 微重力下的維修動(dòng)作

空間站的維修任務(wù)主要包括檢查和監(jiān)視、日常維護(hù)和應(yīng)急反應(yīng)3 大類[8]，參見表1。航天員進(jìn)行艙內(nèi)維修的時(shí)間超過40 h/月，其中日常檢測(cè)時(shí)間在12 h/月以上，包括檢測(cè)艙內(nèi)空氣質(zhì)量、光線、聲音級(jí)別和視頻安全等；同時(shí)必須應(yīng)對(duì)緊急情況，包括發(fā)現(xiàn)和維修泄漏、可燃物等?？臻g站上有多臺(tái)攝像機(jī)承擔(dān)觀察和監(jiān)視等任務(wù)[9]，而維修人員必須手動(dòng)擺放攝像機(jī)鏡頭的位置。

表1 空間站維修任務(wù)Table 1 Space station maintenance missions

航天員是維修活動(dòng)的主體和核心，微重力環(huán)境對(duì)人體生理、認(rèn)知和維修視覺可達(dá)性的影響會(huì)導(dǎo)致航天員的身體形態(tài)、操作能力、肌肉力量以及認(rèn)知決策的改變，例如微重力環(huán)境會(huì)使維修人員力量下降，從而無法長(zhǎng)時(shí)間從事需要較大力量的工作，且會(huì)導(dǎo)致航天員的信息處理機(jī)制（觸覺、痛覺、視覺等）接受、處理和反應(yīng)速度減慢，限制其在短時(shí)間內(nèi)處理多任務(wù)和突發(fā)事件的能力，也不適宜航天員長(zhǎng)時(shí)間集中注意力或持續(xù)進(jìn)行無法中斷的工作。綜上，微重力環(huán)境的影響使得航天員在軌維修活動(dòng)與地面上的維修操作存在明顯差異，需要考慮這些影響因素來制定適合微重力環(huán)境下的維修動(dòng)作分類和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以提高在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確度。

1.1 微重力下維修動(dòng)作過程

一般來說，一個(gè)完整的維修過程分為人體移動(dòng)過程、維修姿態(tài)調(diào)整過程和維修操作過程（圖1），包括很多子維修任務(wù)，如接近維修目標(biāo)、檢測(cè)隔離、更換等。這些任務(wù)不僅包含維修人員的維修活動(dòng)，還包含維修人員不能控制的時(shí)間，如隔離時(shí)間。從本質(zhì)上講，維修活動(dòng)是由一連串的動(dòng)作組成的，可以利用動(dòng)作時(shí)間方法的原則將這些動(dòng)作分解成一些基本的動(dòng)作單元。

圖1 維修過程分解Fig.1 Decomposition of maintenance process

在實(shí)際飛行任務(wù)中，航天員主要有2 種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即：有約束或支撐的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比如被座椅和腳限位器束縛、用繩索固定雙腿或用手扶住扶手等；無約束無支撐的自由漂浮狀態(tài)[10]。本文只討論艙內(nèi)、有約束或支撐的航天員維修動(dòng)作和行為。

1.2 微重力下維修動(dòng)作分解

微重力下維修動(dòng)作包括維修人員的移動(dòng)、姿勢(shì)調(diào)整和維修操作（徒手或使用工具），如圖2 所示?？紤]到在微重力環(huán)境下，維修人員必須先固定住自己才能執(zhí)行維修動(dòng)作，因此在空間站微重力環(huán)境下要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行維修姿態(tài)調(diào)節(jié)，先從漂浮姿態(tài)調(diào)整為中性姿態(tài)，再?gòu)闹行宰藨B(tài)轉(zhuǎn)換到用限位器和固定繩固定身體的維修姿態(tài)。

圖2 微重力下維修動(dòng)作分解Fig.2 Decomposition of maintenance actions in microgravity

通過對(duì)航天員實(shí)際在艙內(nèi)的維修操作進(jìn)行分析，建立了8 類維修運(yùn)動(dòng)模型，分別是艙內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)、艙內(nèi)橫向運(yùn)動(dòng)、艙內(nèi)爬行、艙間物品轉(zhuǎn)移、艙內(nèi)物品轉(zhuǎn)移、航天員手部操作維修工具、插拔電連接器和撥動(dòng)開關(guān)。表2 對(duì)航天員有約束的動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行了總結(jié)，其中最為常見的有約束維修姿態(tài)是身體固定住、上肢做動(dòng)作，一般的維修拆裝、插拔電纜和檢測(cè)調(diào)試都采用的是這種動(dòng)作姿態(tài)。

表2 有約束的動(dòng)作姿態(tài)Table 2 Constrained action postures

2 在軌可修系統(tǒng)維修時(shí)間預(yù)計(jì)修正方法

2.1 動(dòng)作時(shí)間方法

動(dòng)作時(shí)間方法是通過對(duì)具有普遍和代表性的動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)素分解，利用對(duì)于動(dòng)作的影片分析和時(shí)間研究，得到最基本的動(dòng)作單元時(shí)間。這種基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間可以作為時(shí)間消耗的標(biāo)準(zhǔn)，包括了幾乎所有的人體形態(tài)動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間方法使得可以不用額外的觀測(cè)和測(cè)定時(shí)間，直接根據(jù)作業(yè)過程進(jìn)行動(dòng)作分解，然后查表得到每個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的時(shí)間，再經(jīng)過簡(jiǎn)單的累加即可得到完成該作業(yè)所需的時(shí)間[11]。

目前動(dòng)作時(shí)間方法已被廣泛應(yīng)用在航空航天、制造業(yè)和其他領(lǐng)域的維修時(shí)間預(yù)測(cè)中，如Chen等[12]提出了一種考慮維修行動(dòng)要素（maintenance action elements, MAEs）和模塊化預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（modular arrangement of predetermined time standards,MODAPTS）的維修時(shí)間估計(jì)方法，通過將維修任務(wù)分解為不同的基本單元進(jìn)行初步的時(shí)間估計(jì)，并分析了MAEs 與維修性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以彌補(bǔ)人、機(jī)器和環(huán)境之間交互所需的額外時(shí)間。

人機(jī)工效學(xué)的研究表明，動(dòng)作速度過快會(huì)導(dǎo)致能量消耗高，人容易疲勞；而動(dòng)作速度太慢，能耗也會(huì)加快[13-14]。動(dòng)作時(shí)間方法旨在以能耗最低的速度作為基準(zhǔn)動(dòng)作的速度，得到每個(gè)基準(zhǔn)動(dòng)作的時(shí)間。

一個(gè)維修任務(wù)包含多個(gè)維修活動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)不同的維修動(dòng)作和動(dòng)素。如圖3 所示，一段維修任務(wù)被分為任務(wù)層、作業(yè)單元層、動(dòng)作單元層和動(dòng)作元素層4 層。其中，動(dòng)作元素層中的基本動(dòng)作是最為重要的，每一段維修任務(wù)都可以這樣被分解成許多個(gè)動(dòng)作元素[12]。本文的研究目的就是要測(cè)定出微重力下基本動(dòng)作元素的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

圖3 維修任務(wù)分解Fig.3 Decomposition of maintenance tasks

動(dòng)作分析的基準(zhǔn)時(shí)間單位因預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的類別不同而不同，例如，工作因素動(dòng)作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)采用0.006 s 作為時(shí)間單位；MTM 標(biāo)準(zhǔn)采用0.036 s 作為時(shí)間單位；模特法采用1MOD=0.129 s 作為時(shí)間單位。本文主要基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來建立微重力下的動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)則。

2.2 基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的維修時(shí)間預(yù)計(jì)修正方法

2.2.1 動(dòng)作的時(shí)間因素

目前已有的動(dòng)作時(shí)間方法忽視了影響動(dòng)作時(shí)間的關(guān)鍵因素——微重力，因此并不適用于空間站中的維修時(shí)間度量。在進(jìn)行動(dòng)作分析時(shí)，動(dòng)作的時(shí)間會(huì)受到很多不確定因素的影響，首先要明確微重力下影響動(dòng)作時(shí)間的變量以確定維修基本動(dòng)素的時(shí)間。下面列出3 種決定動(dòng)作時(shí)間的主要因素。

1）執(zhí)行動(dòng)作的人體部位

由于人體活動(dòng)部位的功能和構(gòu)造不同，所以不同部位的動(dòng)作速度也不同。在維修操作中，手部、手臂和身體其他部位的動(dòng)作速度明顯不同。本文主要研究的是維修操作中應(yīng)用最多的手部動(dòng)作。

2）動(dòng)作距離

對(duì)于一些以關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的活動(dòng)，活動(dòng)距離越大對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)活動(dòng)角度就越大，繞著關(guān)節(jié)活動(dòng)相當(dāng)于做圓弧運(yùn)動(dòng)。動(dòng)作距離的測(cè)定以基準(zhǔn)點(diǎn)的軌跡為依據(jù)，表3 是身體各活動(dòng)部位動(dòng)作距離的測(cè)定基準(zhǔn)點(diǎn)。

表3 人體活動(dòng)部位測(cè)定基準(zhǔn)點(diǎn)Table 3 Reference point for measurement of human body moving parts

3）微重力

相比于地面上動(dòng)作時(shí)的重力和阻力，微重力對(duì)于關(guān)節(jié)動(dòng)作的影響較小，但會(huì)使航天員肌肉力量退化、骨量丟失，并且微重力對(duì)維修動(dòng)作的影響反映在使人的認(rèn)知、動(dòng)作延遲，在模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)定之后要加上相應(yīng)的延遲時(shí)間，才能得到適用于空間站的動(dòng)作基準(zhǔn)時(shí)間。

2.2.2 動(dòng)作時(shí)間公式

艙內(nèi)基本維修作業(yè)時(shí)間包括維修人員的移動(dòng)、姿態(tài)的調(diào)整以及上肢/手部操作等。其中手部的操作最為復(fù)雜，其動(dòng)作會(huì)并行地進(jìn)行，各個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制動(dòng)作完成。維修任務(wù)的時(shí)間T采用累計(jì)時(shí)間方法進(jìn)行計(jì)算，串行作業(yè)的維修時(shí)間等于串聯(lián)的基本維修動(dòng)作作業(yè)單元時(shí)間的累加值，并行作業(yè)維修時(shí)間為各項(xiàng)并行動(dòng)作中單元作業(yè)時(shí)間的最大值，即

式中：ti為該維修任務(wù)中第i項(xiàng)維修動(dòng)作的時(shí)間；m為每項(xiàng)維修任務(wù)中并行動(dòng)作的總數(shù)；n為總的維修動(dòng)作步數(shù)。

微重力下的維修動(dòng)作可以分為以下3 類：

1）移動(dòng)類。微重力下的移動(dòng)時(shí)間為

式中：s為維修人員到維修地點(diǎn)的距離；v為空間站中維修人員漂浮移動(dòng)的平均速度。

2）姿態(tài)調(diào)整類。維修人員在微重力下進(jìn)行維修時(shí)，必須手握艙壁上的扶手、使用腳限制器或者用固定繩索固定住身體，因此需要有額外的姿態(tài)調(diào)整時(shí)間。例如維修人員可能是橫向漂移到達(dá)維修目標(biāo)的位置，為了穩(wěn)定身體并保持相對(duì)于維修目標(biāo)的位置，維修人員通常會(huì)利用固定裝置，以從橫向漂移姿態(tài)調(diào)整為穩(wěn)定的中性姿態(tài)。這些額外的姿態(tài)調(diào)整步驟也是微重力下維修動(dòng)作的關(guān)鍵部分。微重力下維修姿態(tài)調(diào)整的總結(jié)見表4。

表4 微重力下維修姿態(tài)調(diào)整Table 4 Maintenance posture adjustment in microgravity

3）手部維修操作類。對(duì)于手部的維修動(dòng)作不能簡(jiǎn)單地利用動(dòng)作距離來度量動(dòng)作時(shí)間，因?yàn)槭植縿?dòng)作隨機(jī)性大、動(dòng)作數(shù)量多、運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)多且呈曲線，不適合簡(jiǎn)單利用原來的時(shí)間比率來計(jì)算。從人體關(guān)節(jié)的單調(diào)操作運(yùn)動(dòng)的級(jí)別得到：手指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的靈活度依次逐漸下降，它們對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)自由度在相同變化時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間依次增加；再結(jié)合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度范圍，可以確定4 種不同的基礎(chǔ)動(dòng)作級(jí)別。微重力不會(huì)影響關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的大小，并且各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度是一定的。

在維修操作過程中，4 個(gè)關(guān)節(jié)會(huì)一起協(xié)調(diào)控制整個(gè)操作活動(dòng)，結(jié)合參與關(guān)節(jié)動(dòng)作的節(jié)段將單調(diào)操作運(yùn)動(dòng)分為大臂、小臂、手掌和手指4 個(gè)級(jí)別。每個(gè)節(jié)段以其關(guān)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)在一定的旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)活動(dòng)。表5 為動(dòng)作過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)類型和活動(dòng)角度。

表5 各關(guān)節(jié)活動(dòng)類型和角度Table 5 Types and angles of joint movements

以虛擬仿真軟件DIAMIL 中虛擬人物的肩關(guān)節(jié)動(dòng)作為示意，展示肩關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的3 種不同的姿態(tài)變化，如圖4 所示。

圖4 肩關(guān)節(jié)姿態(tài)變化Fig.4 Posture changes of shoulder joint

在操作過程中，動(dòng)作過程一般是以某個(gè)關(guān)節(jié)為核心進(jìn)行，因?yàn)槭直鄣奶厥怅P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其他的關(guān)節(jié)部位也會(huì)隨之動(dòng)作，不過動(dòng)作的幅度偏小，但會(huì)對(duì)動(dòng)作的基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)算帶來干擾。模特法中把這種過程稱為并行動(dòng)作，在計(jì)算動(dòng)作時(shí)間時(shí)取較短的時(shí)間作為時(shí)間單元計(jì)算，但這樣的計(jì)算方法缺乏準(zhǔn)確度。對(duì)于這類動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算，首先需要確定動(dòng)作的基準(zhǔn)位置，然后給出基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間單元。因此，在確定基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間實(shí)驗(yàn)之前，需要給出各個(gè)操作部位的分類確定方法[15]。

首先，計(jì)算圓心角弧長(zhǎng)

參照模特法的研究思路，可以把手部動(dòng)作分為4 種：

1）指關(guān)節(jié)動(dòng)作M1，以指關(guān)節(jié)為坐標(biāo)中心，手指繞指關(guān)節(jié)屈曲和外展；

2）腕關(guān)節(jié)動(dòng)作M2，以手腕關(guān)節(jié)為坐標(biāo)中心，包括整個(gè)手掌的動(dòng)作；

3）肘關(guān)節(jié)動(dòng)作M3，以肘關(guān)節(jié)作為坐標(biāo)中心，包括前臂、手掌和手指的動(dòng)作；

4）肩關(guān)節(jié)動(dòng)作M4，以肩關(guān)節(jié)為坐標(biāo)中心，包括整個(gè)上臂的動(dòng)作，其他關(guān)節(jié)可以小范圍動(dòng)作。

根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)測(cè)定基準(zhǔn)點(diǎn)（見表3）的移動(dòng)范圍來確定關(guān)節(jié)動(dòng)作的判斷指標(biāo)，結(jié)合之前的研究對(duì)于各關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度與旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)化公式[16]為

式中θ為以關(guān)節(jié)為中心點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度。最終計(jì)算出肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度范圍和各關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)指尖活動(dòng)的距離，各個(gè)關(guān)節(jié)的判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

4.好題。有的題包含了很多解題思路和數(shù)學(xué)思維，比如一題多解的題、有巧妙解法的題等，都可以算作好題，這類題，如果老師經(jīng)常強(qiáng)調(diào)，或者對(duì)自己而言是很不錯(cuò)的題，也可以摘錄進(jìn)去。

指關(guān)節(jié)的活動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)為

腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)為

肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)為

肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)為

根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作的判定標(biāo)準(zhǔn)，通過模擬實(shí)驗(yàn)來確定每個(gè)關(guān)節(jié)部位的單調(diào)動(dòng)作時(shí)間tMOMi，將確定的tMOMi累加即可得到操作運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，在地面上模擬微重力環(huán)境的方法主要有失重飛機(jī)、懸吊及水下浮力3 種。失重飛機(jī)是通過做短暫的拋物線飛行來獲得失重；懸吊模擬是施加一個(gè)與重力方向相反的力來獲得失重；水下浮力是通過在水下對(duì)人員和服裝實(shí)施配重，使得人所受浮力和自身重力抵消達(dá)到平衡，可以有效模擬航天員在太空失重狀態(tài)下的維修操作[16]。美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和歐盟等都建有中性浮力水槽來模擬微重力，中性浮力地面模擬允許人員直接參與，實(shí)驗(yàn)條件與空間真實(shí)環(huán)境條件幾乎相同，參與人員感受直觀，并且可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，因此得到廣泛的應(yīng)用?？紤]實(shí)驗(yàn)室的條件，利用中性浮力水槽來模擬微重力開展動(dòng)作時(shí)間測(cè)定較為妥當(dāng)。

微重力下的3 大類維修動(dòng)作（人體移動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整和手部維修操作）中，手部維修操作是最為頻繁和復(fù)雜的。對(duì)于手部的動(dòng)作實(shí)驗(yàn)主要分為手指繞指關(guān)節(jié)的移動(dòng)、手掌繞著腕關(guān)節(jié)的移動(dòng)、小臂繞著肘關(guān)節(jié)的移動(dòng)和大臂繞著肩關(guān)節(jié)的移動(dòng)。考慮到中性浮力水槽中動(dòng)作的可行性，本文對(duì)于人體移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整動(dòng)作只是給出實(shí)驗(yàn)思路和計(jì)算方法，水下模擬實(shí)驗(yàn)只針對(duì)手部的關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行基準(zhǔn)時(shí)間測(cè)定。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)人員

實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)中國(guó)航天員人體形態(tài)參數(shù)測(cè)量結(jié)果選取，即身高在1.67～1.76 m 之間的在校大學(xué)生5 人。具體參加本實(shí)驗(yàn)人員的身體各部位信息如表6 所示。

表6 實(shí)驗(yàn)人員身體各部位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 6 Experimenters’ body part statistics單位：cm

3.1.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)的中性浮力水槽采用的是標(biāo)準(zhǔn)游泳池，為安全考慮，只在水深1.2 m 和1.5 m 的區(qū)域完成動(dòng)作。其他實(shí)驗(yàn)器材包括刻度尺、秒表、水下攝影機(jī)、防水袋、基本的游泳裝備以及基本的維修工具。其中維修工具（見圖5）均使用塑料制品模擬，材質(zhì)密度和水一致，從而抵消工具自身的重力以達(dá)到更加接近微重力下使用的效果。

圖5 模擬維修工具Fig.5 Tools to simulate maintenance

3.1.3 實(shí)驗(yàn)過程

動(dòng)作實(shí)驗(yàn)的主體思路是要讓手部操作的基本動(dòng)作單元在微重力環(huán)境下進(jìn)行，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)手部要完全浸泡在水中；動(dòng)作要遵守最低能耗原則，平穩(wěn)勻速。當(dāng)測(cè)定關(guān)節(jié)動(dòng)作的基準(zhǔn)時(shí)間時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員在不使用任何工具的情況下獨(dú)立進(jìn)行關(guān)節(jié)動(dòng)作；同時(shí)要做到關(guān)節(jié)的角度和移動(dòng)范圍合理，滿足2.2.2 節(jié)中規(guī)定的關(guān)節(jié)動(dòng)作要求。

實(shí)驗(yàn)人員每個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作連續(xù)進(jìn)行5 組并記錄動(dòng)作時(shí)間，即每個(gè)關(guān)節(jié)（5 名實(shí)驗(yàn)者）的動(dòng)作時(shí)間共有25 個(gè)記錄值。包括指關(guān)節(jié)動(dòng)作、腕關(guān)節(jié)動(dòng)作、肘關(guān)節(jié)動(dòng)作、肩關(guān)節(jié)動(dòng)作。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將所有實(shí)驗(yàn)人員的動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，統(tǒng)計(jì)極值及極差，并對(duì)所有相同關(guān)節(jié)的動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算5%、50%、95%分位數(shù)以及平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算腕、肘、肩關(guān)節(jié)與手指關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間的相關(guān)系數(shù)，如表7 所示。從表中可以看到，關(guān)節(jié)靈活度的規(guī)律在微重力下和地面上有相同的特性，即指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的靈活度依次下降，動(dòng)作需要時(shí)間依次增加。指關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的動(dòng)作時(shí)間的穩(wěn)定性最好；而肩關(guān)節(jié)的動(dòng)作幅度較大，因此動(dòng)作時(shí)間較為分散。由指關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的動(dòng)作時(shí)間相關(guān)系數(shù)可知，微重力下的關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間與指關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間沒有明顯的相關(guān)性，即微重力導(dǎo)致了地面上相互關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)動(dòng)作之間的解耦，因此地面上的動(dòng)作時(shí)間方法并不適用于微重力環(huán)境下，需要對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行基準(zhǔn)時(shí)間測(cè)量。

表7 微重力下動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)分析Table 7 Data analysis of action time in micrograrity

將所有數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖（如圖6 所示），可以看到，不同的關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間具有明顯的差別，有很好的區(qū)分度，可以取每個(gè)關(guān)節(jié)各自的動(dòng)作時(shí)間平均值作為微重力下的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)。

圖6 各個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間分布散點(diǎn)圖Fig.6 Scatterplot of time distribution of joints’ actions

因此，以每個(gè)關(guān)節(jié)25 組動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，即

其中，tMOM1～tMOM4依次為指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)間。

3.3 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證水下實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)節(jié)動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步的維修活動(dòng)實(shí)驗(yàn)。本次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為在水中拆卸1 個(gè)螺母，該維修過程主要集中在手部的操作，不涉及維修人員的移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)過程動(dòng)作流程分析細(xì)節(jié)如下：

1）動(dòng)作1——手握著維修工具，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)一起帶動(dòng)手接近待拆卸螺母；

2）動(dòng)作2——工具套上螺母后，以肘關(guān)節(jié)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，其他關(guān)節(jié)基本保持不變狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)1 周；

3）動(dòng)作3——待螺母松動(dòng)后，直接用食指和大拇指擰下螺母。

這一整段的維修時(shí)間從肩關(guān)節(jié)開始移動(dòng)到螺母完全被擰下結(jié)束，視頻記錄時(shí)間從00:00:14 到00:00:42，即維修操作時(shí)間為28 s。分別將地面上的模特法計(jì)算方法和本文提出的改進(jìn)的動(dòng)作方法與實(shí)驗(yàn)記錄的維修操作時(shí)間對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表8。

表8 維修時(shí)間計(jì)算數(shù)據(jù)Table 8 Maintenance time calculation

利用式(9)計(jì)算得到的基于模擬實(shí)驗(yàn)動(dòng)作時(shí)間方法的維修時(shí)間為T總=tMOM4+10tMOM3+5tMOM1=26.12 s；地面上的模特法計(jì)算，T總=5MOD+10×6MOD+5×MOD=70MOD=9.03 s，再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)乘以2 倍，得到維修時(shí)間為18.06 s?？梢钥闯觯孛嫔系哪Ｌ胤ㄓ?jì)算出的維修時(shí)間與真實(shí)值差異較大，本文提出的改進(jìn)的動(dòng)作方法的計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)值，具有一定的參考價(jià)值。

4 在軌基準(zhǔn)時(shí)間修正

目前，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)得到模擬微重力下的基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間。以關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度和移動(dòng)范圍來確定主動(dòng)關(guān)節(jié)的方法能更加準(zhǔn)確地測(cè)定維修任務(wù)時(shí)間。但是，水下的微重力和空間站的微重力環(huán)境仍存在較大差異，主要體現(xiàn)在：

1）人在水中動(dòng)作時(shí)水平方向存在阻力，而空間微重力下沒有。

2）長(zhǎng)期的空間站環(huán)境下，航天員的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力和空間識(shí)別能力會(huì)受到影響。

3）長(zhǎng)期在軌飛行使航天員對(duì)于各類信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，NASA 已有研究給出的定量數(shù)據(jù)為：聲信號(hào)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)100 ms，視覺反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)120 ms，選擇反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)1 s。

這些都無法在地面的中性浮力水槽中準(zhǔn)確地模擬出來，不過，對(duì)于在軌的基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間，可以認(rèn)定水中阻力造成的速度減慢和航天員的生理變化帶來的動(dòng)作延遲對(duì)于動(dòng)作時(shí)間的影響都是很小的，且互為正負(fù)，在計(jì)算時(shí)可以一起忽略掉。因此，空間站中以關(guān)節(jié)為節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間可以認(rèn)定為模擬實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)間加上視覺、選擇反應(yīng)延長(zhǎng)的時(shí)間。

基于上述分析，可以得到空間站中以關(guān)節(jié)來區(qū)分的指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間單元為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的關(guān)節(jié)動(dòng)作基準(zhǔn)時(shí)間的平均值（如式(10)所示）加上由于微重力造成的延遲時(shí)間1.22 s，即

其中：tMOMf為指關(guān)節(jié)動(dòng)作基準(zhǔn)時(shí)間；tMOMw為腕關(guān)節(jié)動(dòng)作的基準(zhǔn)時(shí)間；tMOMe為肘關(guān)節(jié)動(dòng)作的基準(zhǔn)時(shí)間；tMOMs為肩關(guān)節(jié)動(dòng)作的基準(zhǔn)時(shí)間，并且都滿足2.2.2 節(jié)中的動(dòng)作范圍。

5 結(jié)束語

本文提出了一種修正的在軌維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法，利用中性浮力水槽模擬空間微重力環(huán)境，通過模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)定了手部多個(gè)關(guān)節(jié)的維修動(dòng)作基準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)地面上常用的動(dòng)作時(shí)間方法進(jìn)行修正，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，最終確定了修正的在軌維修基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間。

本方法的重點(diǎn)在于，通過模擬實(shí)驗(yàn)在已有預(yù)計(jì)方法上引入微重力對(duì)維修時(shí)間的影響，考慮了在軌維修任務(wù)的具體環(huán)境，可以為實(shí)際的空間站維修活動(dòng)提供更準(zhǔn)確的時(shí)間預(yù)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，本方法確定的在軌維修基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間可以為空間站的維修性設(shè)計(jì)和改進(jìn)空間站的在軌維修流程提供參考。