人体力学的生理基础及其在压力防护服设计中的应用

航天医学与医学工程 1999年第6期第12卷 专题论述

作者：贾司光 陈景山

单位：航天医学工程研究所，北京100094

关键词：航天服；加压服；生物力学；人体力学；机器人

　　摘要：目的阐明在压力防护服设计时采用人体力学及其生理基础的必要性。方法对比在两种航空航天压力服设计中，采用或不运用人体力学与其生理基础进行设计的活动效能。结果显示采用了这些要求的航天服活动效能良好，而未采用这些要求的密闭服不能完成规定的动作。结论应用人体力学与其生理基础研究压力防护服设计是必要的，且其逼真性和科学性优于运用生物力学或机器人。

　　中图分类号：R852.81　　文献标识码：A　　文章编号：1002-0837(1999)06-0436-05

Physiological Basis of Human Mechanics and Its

　　Application in the Design of Pres sure Suit

　　JIA Si-guang, CHEN Jing-shan

　　Address reprint requests to:JIA Si-guangInstitute of

　　Space Medico-Engineering，Beijing 100094, China

　　Abstract： Objective To discuss the necessity that human mechanics and its physiological basis as appl ied to the research of human motion in many areas. Method Th e motion performance of two areospace pressure suit were studied. Human mechani cs and its physiological basis was applied in the design of one suit only. Result Th e result showed that good performance was obtained with the suit designed accor ding to this principle which the stipulated actions couldn't be well perform anced when wearing the suit not so designed. Conclusion The research of the application of human mechanics and its physiological basis is necessary and it has better reality and is more scientific than applying biomechanics and rob otics.

　　Key words：space suits;pressure suits;biomechanics;human mechanics;robots

　　人体力学广泛存在于各领域（体育、舞蹈、搬运和负重、医疗、航空和航天等)，太空是无重力环境，研究和运用航天人体力学更有其特殊意义。本文试图通过阐明人体力学的生理基础，结合航空与航天用的两种压力服（密闭服与航天服)在设计上的实际运用，进一步强化和重视运用人体力学与其生理基础的必要性，为各领域研究和应用人体力学提供理论依据。

　　生理基础

　　人体力学是研究人体活动和在各种力学作业条件下活动能力的学科。该学科基于人体生理解剖学和理论物理学的知识，研究人体运动（活动)器官的结构与功能，每个关节以及整个身体运动规律。

　　人体具有功能完善的神经－肌肉－骨骼系统，通过如下4项生理活动构成人体力学的生理基础，保证人体随意活动与力学作业的顺利进行。

　　肌肉－骨骼系统的杠杆作用　第一类杠杆（支点位于作用点与阻力点之间）用于保持平衡。可用小的作用力克服大的阻力，它的机械效率可以大于或小于1。枕环关节、骨盆大腿关节、膝脚关节属于此类。如颈后肌牵拉为作用力,头重为阻力,枕环关节为支点，作用力及阻力在支点两侧,并与支点支持力方向相反,可借此种杠杆来调整人体姿态，以维持头部姿态平衡。第二类杠杆（阻力点位于作用点与支点之间）是省力杠杆，机械效率大于1。人脚尖站立时构成此类杠杆。踝关节跟腱为作用力，其重力（阻力）落在踝关节上，以拇趾底为支点来调整并保持走、跑、跳等动作的平衡。第三类是费力杠杆（动力点位于阻力点与支点之间），动力臂短于阻力臂。膝关节、肩关节、肘关节属于此类。如，手持重物时肘关节弯曲，肱二头肌作为作用力，手部为重力，关节滑车为支点。当肱二头肌收缩时，使肘关节弯曲以保持上肢的稳定姿态。


　　关节活动方向与角度　人体各活动部位（主要以关节为核心）的方向与角度，取决于关节的表面形态。它可决定关节移位的自由度。由于骨骼处于固定状态，关节的自由度不多于3个（少于机器人）。不同的关节具有不同的自由度（表1）〔1〕。具有一个以上自由度的关节，可以使关节完成其最大可能的活动方向。如有3个自由度的骨盆和下颌关节，可以完成上下、左右、前后方向的动作。肩关节可完成人体坐标系上的3个方向活动：①在矢状面上的弯曲与伸展；②在前额面上的内收与外展；③手沿着垂直轴旋转。人体各活动部位具有各自不同的活动方向与范围（参见图1）。

表1　人体各部位的活动自由度

　　Table1　Body joints and their freedom

部位(position) 关节(joint) 自由度(freedom) 
头(head) 环枕关节(atlantooccipital joint) 2 
　 环枢关节(atlantoaxial joint) 1 
肩(shoulder) 肩胛骨-肩关节(shoulder joint) 3 
尺骨(ulna) 肩肘关节(elbow joint) 1 
桡骨(radius) 桡尺关节(radioulnar joint) 2 
手(hand) 桡腕关节系统(radiocarpal joint system) 2 
大腿(leg) 骨盆大腿关节(hip joint) 3 
膝(knee) 膝关节(knee joint) 1 
　 膝弯曲(knee flexion) 2 
脚(foot) 膝脚关节系统(knee-foot joint system) 2 
拇指腕掌骨(carpometacarpal joint of thumb) 腕掌关节(carpometacarpal joint) 1 
掌指指节(metacarpo phalanx) 掌指节关节(metacarpophalan-geal joint) 1 
中间和指甲指节(medial and nail phalanx) 指节间关节(interphalangeal joint of h and) 各1 










图1　航天飞机(STS)服在加压值29.67kPa状态下关节活动设计规范

　　a.臀和腰,弯曲/伸展;b.腰,左右侧旋转;c.肩(侧中)活动;d.肩,弯曲/伸展;e.肩,内收/外展;f.肩旋转(x-z面,下-上);g.肘,弯曲/伸展;h.前臂活动,腕旋转;i.踝部,伸展/弯曲;j.臀部外展(腿伸直);k.臀部弯曲;l.肩旋转(y-z面,侧-中);m.膝弯曲(跪下);n.膝弯曲(站立).注：xx(yy)：力矩；zz：活动角度

　　Fig.1　STS space suit joint mobility range specifications for 29.6kPa

　　a.hip and waist,flexion/extension;b.waist mobility side to side rotation;c.shoulder(lateral medial)movement;d.shoulder, flexion/extension;e.shoulder,adduction/abduction;f.shoulder rotation(x-z plane,down-up);g.elbow, flexion /extension);h.forearm mobility wrist rotation;i.ankle extension angle flexion;j.hip abduction(leg straight);k.hip flexion;l.shoulder rotation (y-z plane,lateral-medial);m.knee flexion (kneeling);n.knee mobility flexion (standing).Note:xx(yy)：torque ,Nm (in-lb)zz：du(angle of motion,deg)

　　肌肉力与能量　肌肉活动(收缩、舒张、保持紧张度三种形态，机器人不具备)时，消耗能量。活动量（强度）越大，参与活动的肌肉块就越多，消耗能量也越多。例如，与安静相比，人体维持站立姿势参与的肌群多，能量代谢率有时高于安静状态的22％。能量代谢率的升高伴随一系列生理功能（呼吸循环与产热等）的增加。当超负荷或人体活动严重受阻（如，压力服处于加压状态）时，肌肉力与能量消耗过度增加，还会产生物质代谢障碍，促使疲劳（机器人不具备）。因此，省力节能是重要的人体力学预防对策。

　　姿态（或体位）的调节控制　在正常状态下，大脑调节控制肌肉骨骼系统的工作状态（有关肌肉群参与活动），完成各种随意动作；与此同时，在大脑-小脑-平衡器官联合调整控制之下，通过各有关肌肉群的工作稳定体位或姿态。如人体在坐、立、步行或跑步时，通过复杂的神经-肌肉-骨骼系统与平衡器官的协同工作，保持人体不偏离重心（动物的重心不同于人体），实现人体应有的体位或姿态。在力学作业时，只有采取有效的人体力学作业方式或防护措施，才可以通过上述同样机理取得满意效果。显然，机器人不具备、生物不完全具备这种复杂的、灵敏的调节控制系统。


　　高空飞行密闭服力学

　　在高空低压环境飞行时，密闭服（美国称为全压服）提供人体生存必需的压力、氧气及温度环境，起到对压力应急的防护作用。但在充氧加压时，会产生一系列不符合人体力学要求的缺欠〔2〕。

　　由于服装不具备活动关节，肢体活动（内收外展、弯曲旋转等）严重受限。手和脚可达范围明显减小。活动费力，会引起大量能量消耗（与大量出汗）等一系列不良反应。

　　由于服装过度膨胀（表2中各测量部位，随加压值升高相应膨胀〔2〕），各活动部位的动作受限。肩宽与腋下围增加，影响上肢动作。胸围、腹围和臀围分别增粗与延长，会影响坐姿。腹股沟和膝围增粗，会限制收腿和弯腰动作等。当服内压增到20kPa（表3）时,手上举困难，不能握拳。双臂内收时，感到阻力甚大，腿不能回收和踏上脚蹬。因此，三种弹射准备动作均不能达到要求。

表2　服内增压对各部位膨胀的影响

　　Table2　Dilation of spacesuit with pressure increasing

测量部位(position) 服内压(suit

　　pressure)(kPa)
 
6.67 13.3 20.0 
肩宽(shoulder width) 0.40 0.67 0.93 
腋下宽(armpit width) 0.27 0.27 0.27 
腋下围(armpit circumference) 0.93 1.33 1.33 
胸围(chest circumference) 0.53 0.67 0.67 
腹围(abdomen circumference) 3.07 3.47 3.33 
臀围(hip circumference) 1.60 1.60 2.40 
腹股沟围(injuinale circumference) 0.93 1.07 3.33 
膝围(knee circumference) 1.60 1.73 1.73 
袖长(sleeve length) 0.40 0.40 0.67 
坐高(sitting height) 0.27 0.27 0.27 

　　注：表中数值是同对照值（穿衬衣）相比的增加值，单位为cm

　　note: data are represented by the net increase over body dimensions (in shirt),c m

表3　实施天空实验室任务中的力及力矩的要求

　　Table 3　Forces and torque required performing Skylab tasks

操作内容(task)　　　　　　　　 力量(force)(N)　 力距(torque)(N.m) 
开/关出舱门(open/close EVA hatch) 200 最大(Max.) 
开/关内侧门(open/close interior hatches) 156 最大(Max.) 
推动门插销(actuate hatch latches) 110 最大(Max.) 
开/关ATM检测器(open/close ATM access doors) 44.5 最大(Max.) 
安装ATM照相机(install ATM camera) 44.5 最大(Max.) 
推动SO52容器锁定机构(actuate SO52 container locking mechanism) 13.3 最大(Max. ) 
打开SO52容器盖(open SO52 container lid) 35.6 最大(Max.) 
杆式操作(lever type controls)： 
　　驾驶操纵杆(control lever) 2.84 最大(Max.) 0.7±0.5 
　　操纵选择器阀(selector valve) 　 1.7 
　　操纵流量控制阀(flow control valve) 　 1.7 
连接器充气(gas fill) 　 1.13最大(Max.) 
补给火箭燃料(propellant supply) 　 3.40 
供电(electrical) 　 0.8～4.08 

　　密闭服是航天服的前身，密闭服人体力学性能的改善，在航天服得到了充分体现。

　　航天服力学

　　舱外航天服是在结构上最复杂、功能上最齐全的压力防护服，用于保护航天员舱外活动不受空间（或天体上）环境的危害。由于在外壳结构设计方面符合人体力学要求的程度取得了明显进展，航天服的活动性能已经达到了能够满足短时间出舱（或登月）执行任务的需要。

　　活动性能(运动学)要求　在人体力学要求的基础上，制定的舱外航天服关节设计规范（图1〔3〕是其中之一），除了腰部之外，对其他关节的活动性能均能较好地满足要求。

　　在人体各部位的活动当中，上肢与脊柱的力学要求比较复杂。上肢的动作包括肩关节与肩连同肩胛骨的联合活动。首先是上肢以肩关节为中心而转动（在肩和肩胛骨之间），此时肩关节未移动；接着是肩胛骨连同锁骨沿胸骨为中心而转动，此时肩关节向上移动。这些活动部位的特征是航天服上身上部设计的依据。脊柱参与多种活动。当人体上身被固定在椅背上时，伸手可达到的活动距离会显著缩小。这种情况见于人穿着的航天服处于加压状态。


图1

好像不对�