● 摘要
航天员舱外活动是人类探索宇宙中必要组成部分，其中多数任务由上肢完成，针对航天员上肢活动的侧重研究有重要意义。传统实验研究如地面模拟失重对航天员进行训练的各种方式耗资巨大且均存在一定缺陷，故而利用计算机仿真技术研究航天员舱外活动，对于规划航天员训练任务以及评价航天服的运动、力学性能等，具有很大科学意义及应用价值。本文主要开展了以下研究工作：（1）建立了上肢仿真模型，包括人体模型及服装反力矩模型，其中人体模型分为关节力矩模型和肌肉力模型。关节力矩模型为航天员上肢活动仿真主要对象，肌肉力模型用于模型验证。挑选两种服装建立起共三类服装反力矩模型作为人体模型的外界条件参与计算。（2）利用肌电数据对肌肉力模型进行验证。设计地面上肢活动任务实验，采集主要肌群的表面肌电，将肌电信号整流后的波形平均值作为肌肉力的间接验证参数。（3）分析航天员出舱任务，完成典型上肢动作的提取。根据动作末端轨迹特点，将动作分为直线末端与曲线末端两大类，共20组动作。进而完成三类服装反力矩模型下共60组计算。根据计算结果并综合失重、服装特殊结构等因素的影响给出航天员上肢动作设计建议。研究结果如下：（1）上肢模型的有效简化可以提高运动参数解的可靠性，模型自由度选取应尽量小于等于六。不同的运动方向下的同一种运动形式对应的服装反力矩模型亦有所区别。（2）本文采用的上肢力学模型经过肌电数据间接验证可行。（3）航天员上肢运动时应留意运动方向改变的时刻，该时刻力矩会有突变。综合考虑，航天员运动应避免肩关节出现突然的展收运动，在运动允许的条件下，手部应缓慢得采用直线轨迹进行运动。