本發(fā)明涉及航天服測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種航天員模擬人臺及其制作方法。

背景技術(shù)：

近年來載人航天事業(yè)發(fā)展飛速，中國也啟動(dòng)了載人登月計(jì)劃，未來的載人航天任務(wù)將不斷由近地軌道向月球、火星及深空探測方向發(fā)展，航天生命保障系統(tǒng)的發(fā)展正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和難得的機(jī)遇。而航天員是載人航天活動(dòng)的主體和核心，必須保護(hù)其生命安全，有時(shí)出于健康和安全等方面的考慮，有些模擬實(shí)驗(yàn)不宜直接用真人進(jìn)行。比如在高危的載人航空航天動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)環(huán)境往往會超過人的生理耐受能力而極具危險(xiǎn)性，因此運(yùn)用仿真人臺代替真人進(jìn)行試驗(yàn)成為了一種重要手段，它可以給載人裝備的研制提供量化的、更具指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

并且，由于有些模擬實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)對航天服進(jìn)行測試，因此要求仿真人臺可以穿上航天服。而航天服不同于普通的服裝，其對人臺具有更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是：提供一種航天員模擬人臺及其制作方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的航天員無法直接參與到一些模擬實(shí)驗(yàn)的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種航天員模擬人臺制作方法，包括以下步驟：

S1、選定目標(biāo)人群，對目標(biāo)人群的三維人體數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和分析，選出最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)；

S2、根據(jù)最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)擬合成單個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的、皮膚外形尺寸仿真的人體模型；

S3、分析航天員的形態(tài)特征和關(guān)節(jié)活動(dòng)方向和角度值，據(jù)此在人體模型上構(gòu)建計(jì)算機(jī)虛擬活動(dòng)關(guān)節(jié)，得到關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型；

S4、根據(jù)關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型制作代表目標(biāo)人群的人臺。

優(yōu)選地，S1中，包括：

S101、選擇180cm身高段的航天員作為目標(biāo)人群；

S102、對目標(biāo)人群進(jìn)行非接觸式三維人體掃描測量，得到三維人體數(shù)據(jù)；

S103、采用將三維人體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成二維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行補(bǔ)充測量，測量結(jié)果與所述三維人體數(shù)據(jù)整合形成人體樣本測量數(shù)據(jù)；

S104、對人體樣本測量數(shù)據(jù)進(jìn)行均值分析，得到最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，S102和S103中，測量包括所需人體特征點(diǎn)、圍度線和體軸角在內(nèi)的對應(yīng)特征線和特征點(diǎn)；

S103中，采用二維拍照的方法，對照片進(jìn)行二維測量，以將三維人體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成二維數(shù)據(jù)；

S104中，對三維人體數(shù)據(jù)分類整理，按覆蓋90％人群提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算均值；按測量項(xiàng)的重要程度排序，分別與均值對比，篩選出最接近均值的5組人體三維數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，S2中，包括：

S201、在人體右側(cè)，選擇33條截面線上的243個(gè)特征點(diǎn)作為擬合參考點(diǎn)；

S202、將最接近均值的五組人體三維數(shù)按體積從小至大排序，每次選擇最大體積數(shù)據(jù)擬合到最小體積數(shù)據(jù)成新的數(shù)據(jù)，經(jīng)過4次擬合得到最終的人體三維數(shù)據(jù)右側(cè)；

S203、以鏡像的方式得到最終的人體三維數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，S3中，包括：

S301、分析頸部關(guān)節(jié)的屈曲和旋轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)的屈曲、伸展、內(nèi)收、外展和旋轉(zhuǎn)，肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈曲，腕關(guān)節(jié)、腰部關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈曲、伸展、內(nèi)收和外展，髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和支撐；

S302、用萬向機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬頸部關(guān)節(jié)，用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展機(jī)構(gòu)和球頭機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬肩關(guān)節(jié)，采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，采用帶定向的萬向球頭機(jī)構(gòu)虛擬腕關(guān)節(jié)，采用兩個(gè)連接的定向球頭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬腰部關(guān)節(jié)，采用萬向機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬髖關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，S4中，采用3D打印技術(shù)打印出人臺的各個(gè)部位，將各個(gè)部位組裝得到人臺。

本發(fā)明還提供一種航天員模擬人臺，由上述航天員模擬人臺制作方法制作得到。

優(yōu)選地，包括胳膊、第一肩部模塊和第二肩部模塊；所述胳膊與第一肩部模塊連接并可相對其轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第一肩部模塊固定在第二肩部模塊上，所述第二肩部模塊和人臺本體插接。

優(yōu)選地，包括與手腕關(guān)節(jié)連接的手掌，所述手掌通過掌指過渡板連接有四根手指，且所述手掌通過插銷安裝有大拇指，所述手指均包括兩個(gè)指間關(guān)節(jié)，所述拇指包括一個(gè)指間關(guān)節(jié)；所述大拇指為硅膠注模的橡膠制品。

優(yōu)選地，包括和人臺本體銷接的腳掌，以使所述腳掌可上下翻轉(zhuǎn)。

(三)有益效果

本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的航天員模擬人臺制作方法，包括以下步驟：S1、選定目標(biāo)人群，對目標(biāo)人群的三維人體數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和分析，選出最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)；S2、根據(jù)最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)擬合成單個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的、皮膚外形尺寸仿真的人體模型；S3、分析航天員的形態(tài)特征和關(guān)節(jié)活動(dòng)方向和角度值，據(jù)此在人體模型上構(gòu)建計(jì)算機(jī)虛擬活動(dòng)關(guān)節(jié)，得到關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型；S4、根據(jù)關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型制作代表目標(biāo)人群的人臺。通過本發(fā)明的方法可以制造出航天員模擬人臺，從而用航天員模擬人臺代替航天員進(jìn)行一些模擬實(shí)驗(yàn)，起到對航天員的保護(hù)作用，并且也可以減少航天員的工作量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是實(shí)施例的航天員模擬人臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是航天員模擬人臺中胳膊結(jié)構(gòu)及安裝示意圖；

圖3是航天員模擬人臺中手的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3中掌指過渡板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖3中手指的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是航天員模擬人臺的腳掌的結(jié)構(gòu)及安裝示意圖；

圖中：1、航天員模擬人臺；2、胳膊；3、第一肩部模塊；4、第二肩部模塊；5、人臺本體；6、手掌；7、大拇指；8、掌指過渡板；9、手指；10、腳掌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

本實(shí)施例的航天員模擬人臺1制作方法，包括以下步驟：

S1、選定目標(biāo)人群，對目標(biāo)人群的三維人體數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和分析，選出最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)；

S2、根據(jù)最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)擬合也即morphing成單個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的、皮膚外形尺寸仿真的人體模型；

S3、分析航天員的形態(tài)特征和關(guān)節(jié)活動(dòng)方向和角度值，據(jù)此在人體模型上構(gòu)建計(jì)算機(jī)虛擬活動(dòng)關(guān)節(jié)，得到關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型；

S4、根據(jù)關(guān)節(jié)可活動(dòng)人體模型制作代表目標(biāo)人群的人臺。

通過本實(shí)施例的方法可以制造出航天員模擬人臺1，從而用航天員模擬人臺1代替航天員進(jìn)行一些模擬實(shí)驗(yàn)，起到對航天員的保護(hù)作用，并且也可以減少航天員的工作量。

S1中，被測量者的年齡參考現(xiàn)役航天員年齡段確定為30-45歲；由于航天服尺寸是確定的，不能更改的，因此選擇代表男天員極限身高180cm研制人臺，并且選擇180cm身高段的航天員作為目標(biāo)人群。

當(dāng)然，目標(biāo)人群的選擇隨著時(shí)代的變化可能也會不同，例如現(xiàn)在人體身高普遍比十年前高，從而航天員的目標(biāo)人群和十年前肯定也不同。此處目標(biāo)人群的選擇滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律從而可以代表航天員即可。

在選定了目標(biāo)人群之后，進(jìn)行三維人體測量。優(yōu)選但是不必須采用非接觸式掃描測量，該種測量方法不僅高效、測量數(shù)據(jù)完整，而且可以提高目標(biāo)人群的體驗(yàn)。由于三維人體測量不可避免的會產(chǎn)生某些部位的模糊或者缺失，因此采用將三維人體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成二維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行補(bǔ)充測量，測量結(jié)果與所述三維人體數(shù)據(jù)整合形成人體樣本測量數(shù)據(jù)。其中，可以采用二維拍照的方法，對照片進(jìn)行二維測量。

上述測量的內(nèi)容包括所需人體特征點(diǎn)、圍度線和體軸角在內(nèi)的對應(yīng)特征線和特征點(diǎn)。

在上述測量基礎(chǔ)上，對人體樣本測量數(shù)據(jù)進(jìn)行均值分析，得到最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)。具體地，對三維人體數(shù)據(jù)分類整理，按覆蓋90％人群提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算均值；按測量項(xiàng)的重要程度排序，分別與均值對比，篩選出最接近均值的5組人體三維數(shù)據(jù)。

S2中，可以采用人體右側(cè)數(shù)據(jù)，最終以鏡像的方式得到最終的人體三維數(shù)據(jù)。其中，人體三維數(shù)據(jù)擬合需要測量所需人體特征點(diǎn)、圍度線、體軸角等對應(yīng)特征線和特征點(diǎn)?？紤]到人體具有復(fù)雜曲面的特點(diǎn)，擬合時(shí)選取的特征線和特征點(diǎn)越多，效果越好，但考慮測試的有效性，最終選擇33條截面線上的243個(gè)特征點(diǎn)作為擬合參考點(diǎn)。

此外，擬合的順序和特征點(diǎn)位置和個(gè)數(shù)的不同均會造成最終的人臺數(shù)據(jù)不同，故作為優(yōu)選的實(shí)施方式，得到最接近均值的人體三維數(shù)據(jù)后，通過對擬合的順序和特征點(diǎn)位置和個(gè)數(shù)的測試，得到擬合的最優(yōu)方案。本實(shí)施例中，將最接近均值的五組人體三維數(shù)據(jù)按體積從小至大排序，每次選擇最大體積數(shù)據(jù)擬合到最小體積數(shù)據(jù)成新的數(shù)據(jù)，經(jīng)過4次擬合得到最終的人體三維數(shù)據(jù)擬合。

比較所述的擬合后人體三維掃描數(shù)據(jù)和測量所得數(shù)據(jù)差別，驗(yàn)證三維掃描數(shù)據(jù)的有效性。

S3中，參照人體的各個(gè)關(guān)節(jié)及航天員的活動(dòng)特性，分析航天員的主要工作內(nèi)容，包括：能夠靈活地實(shí)現(xiàn)進(jìn)入氣閘艙、出艙等各項(xiàng)操作，爬上爬下梯子，連接和斷開臍帶等；月面行走距離不小于10km，能夠?qū)崿F(xiàn)跪下、撿起月面樣品等活動(dòng)性要求；實(shí)現(xiàn)各種工具的使用。此外，還要結(jié)合人體各部位極限活動(dòng)范圍，總結(jié)出此人臺的各個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。最終得到各個(gè)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)如下：

頸部主要運(yùn)動(dòng)為屈曲和旋轉(zhuǎn)，屈曲包括背側(cè)、腹側(cè)、右側(cè)和左側(cè)的屈曲，旋轉(zhuǎn)包括左旋和右旋；其中屈曲部分的運(yùn)動(dòng)以萬向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)部分的運(yùn)動(dòng)以旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此用萬向機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬頸部關(guān)節(jié)；

肩關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)為屈曲、伸展、內(nèi)收、外展和旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)包括內(nèi)旋和外旋；因此用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展機(jī)構(gòu)和球頭機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬肩關(guān)節(jié)；

肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)為屈曲，由于延展面積大，此處的設(shè)計(jì)主要是將肘部和膝蓋處分割出一塊獨(dú)立模塊滿足運(yùn)動(dòng)需要；例如可以采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)；

腕關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)為屈曲、伸展、內(nèi)收和外展，因此采用帶定向的萬向球頭機(jī)構(gòu)虛擬腕關(guān)節(jié)；

腰部主要運(yùn)動(dòng)為屈曲、伸展、內(nèi)收和外展，因此采用兩個(gè)連接的定向球頭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬腰部關(guān)節(jié)；

髖關(guān)節(jié)主要為旋轉(zhuǎn)和支撐作用，因此采用萬向機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)的復(fù)合機(jī)構(gòu)虛擬髖關(guān)節(jié)；

踝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)為屈曲、伸展、內(nèi)收、外展，但考慮到此人臺的特殊性，此位置的主要關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)在足部。

優(yōu)選但是不必須采用3D打印技術(shù)打印出人臺的各個(gè)部位。其中，3D打印技術(shù)得到的結(jié)構(gòu)更加精準(zhǔn)，同時(shí)省去了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中的模具和相關(guān)步驟，生成成本低，生產(chǎn)過程簡便。

進(jìn)一步地，將各個(gè)部位組裝得到本實(shí)施例的航天員模擬人臺1，請參見圖1。其中，航天員模擬人臺1的主要材料為ABS材料。

在上述基礎(chǔ)上，為了使得航天員模擬人臺1可以順利穿入到航天服里，可以對航天員模擬人臺1的胳膊2、手和腳掌10進(jìn)行特殊處理。具體請參見下文：

請參見圖2，航天員模擬人臺1的胳膊2可拆卸，所述胳膊2與第一肩部模塊3連接并可相對其轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第一肩部模塊3固定在第二肩部模塊4上，所述第二肩部模塊4和人臺本體5插接。從而，為了能將此航天員模擬人臺1順利地裝進(jìn)航天服里，可以先將第二肩部模塊4連同胳膊2從人臺本體5上取下來，等人臺本體5裝進(jìn)航天服后，再將第二肩部模塊4連帶胳膊2安裝到人臺本體5。當(dāng)然，第二肩部模塊4也不一定要和人臺本體5插接，例如兩者之間還可以采用螺紋連接或者其它任意可行的連接方式。

需要說明的是，第一肩部模塊3和第二肩部模塊4的結(jié)構(gòu)不受附圖的限制，其在不影響肩關(guān)節(jié)的正常功能和活動(dòng)特性的前提下，可以設(shè)計(jì)成任意形狀。

請參見圖3，航天員模擬人臺1包括與手腕關(guān)節(jié)連接的手掌6，且所述手掌6通過插銷安裝有大拇指7，所述拇指包括一個(gè)指間關(guān)節(jié)。此處，由于大拇指7與手掌6通過可拆卸的方式連接，從而在穿航天服的過程中，可以將大拇指7先取下，避免和航天服的袖子發(fā)生干涉。當(dāng)然，還可以將大拇指7設(shè)計(jì)為硅膠注模的橡膠制品，從而即使不將大拇指7從手掌6上取下，但是只要使得大拇指7發(fā)生彈性變形，同樣可以保證穿航天服過程的順利。

在此基礎(chǔ)上，為了使得航天員模擬人臺1具有良好的活動(dòng)性，包括能夠靈活的實(shí)現(xiàn)在氣閘艙內(nèi)、出艙等各項(xiàng)操作，爬上爬下梯子、連接和斷開臍帶等；跪下?lián)炱鹪旅鏄悠返然顒?dòng)性要求；實(shí)現(xiàn)各種工具的使用等，所述手掌6通過掌指過渡板8連接有四根手指9，所述手指9均包括兩個(gè)指間關(guān)節(jié)。其中掌指過渡板8的結(jié)構(gòu)請參見圖4，手指9的結(jié)構(gòu)請參見圖5。該種情況下，航天員模擬人臺1的手可以高度模擬人手，保證其具有和航天員相同的活動(dòng)特性。

請參見圖6，航天員模擬人臺1的包括和人臺本體5銷接的腳掌10，以使所述腳掌10可上下翻轉(zhuǎn)。此處人臺本體5和腳掌10之間的銷接可以看作人體的踝關(guān)節(jié)。由于航天服褲腿比鞋長小，因此腳掌10的翻轉(zhuǎn)可以便于航天員模擬人臺1腿部穿到褲子里。此外，由于腳掌10可以翻轉(zhuǎn)，從而其可以方便的穿入到鞋子中。

需要說明的是，圖6中的腳掌10的上下翻轉(zhuǎn)指的是腳掌10可以在平行于紙面的平面中轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)選腳掌10可上下翻轉(zhuǎn)一圈，從而腳掌10可以活動(dòng)到和腿部平行的位置。

值得一提的是，本實(shí)施例中的人臺本體5，其是相對可拆卸的胳膊2和可翻轉(zhuǎn)的腳掌10而言的。也即，在胳膊和第一肩部模塊和第二肩部模塊連接的基礎(chǔ)上，用于安裝第一肩部模塊和第二肩部模塊的部位稱為人臺本體；同理，用于安裝腳掌10的部位也可以稱為人臺本體5。因此，本實(shí)施例中的人臺本體5，其實(shí)際上包括了多個(gè)不同的部位。

以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。