一种航天员模拟人台及其制作方法与流程

本发明涉及航天服测试技术领域，尤其涉及一种航天员模拟人台及其制作方法。

背景技术：

近年来载人航天事业发展飞速，中国也启动了载人登月计划，未来的载人航天任务将不断由近地轨道向月球、火星及深空探测方向发展，航天生命保障系统的发展正面临着严峻的挑战和难得的机遇。而航天员是载人航天活动的主体和核心，必须保护其生命安全，有时出于健康和安全等方面的考虑，有些模拟实验不宜直接用真人进行。比如在高危的载人航空航天动态性能试验中，由于试验环境往往会超过人的生理耐受能力而极具危险性，因此运用仿真人台代替真人进行试验成为了一种重要手段，它可以给载人装备的研制提供量化的、更具指导意义的数据指标。

并且，由于有些模拟实验需要同时对航天服进行测试，因此要求仿真人台可以穿上航天服。而航天服不同于普通的服装，其对人台具有更高的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是：提供一种航天员模拟人台及其制作方法，解决现有技术中存在的航天员无法直接参与到一些模拟实验的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种航天员模拟人台制作方法，包括以下步骤：

S1、选定目标人群，对目标人群的三维人体数据进行测量和分析，选出最接近均值的人体三维数据；

S2、根据最接近均值的人体三维数据拟合成单个具有统计意义的、皮肤外形尺寸仿真的人体模型；

S3、分析航天员的形态特征和关节活动方向和角度值，据此在人体模型上构建计算机虚拟活动关节，得到关节可活动人体模型；

S4、根据关节可活动人体模型制作代表目标人群的人台。

优选地，S1中，包括：

S101、选择180cm身高段的航天员作为目标人群；

S102、对目标人群进行非接触式三维人体扫描测量，得到三维人体数据；

S103、采用将三维人体数据转成二维数据的形式进行补充测量，测量结果与所述三维人体数据整合形成人体样本测量数据；

S104、对人体样本测量数据进行均值分析，得到最接近均值的人体三维数据。

优选地，S102和S103中，测量包括所需人体特征点、围度线和体轴角在内的对应特征线和特征点；

S103中，采用二维拍照的方法，对照片进行二维测量，以将三维人体数据转成二维数据；

S104中，对三维人体数据分类整理，按覆盖90％人群提取特征点数据并计算均值；按测量项的重要程度排序，分别与均值对比，筛选出最接近均值的5组人体三维数据。

优选地，S2中，包括：

S201、在人体右侧，选择33条截面线上的243个特征点作为拟合参考点；

S202、将最接近均值的五组人体三维数按体积从小至大排序，每次选择最大体积数据拟合到最小体积数据成新的数据，经过4次拟合得到最终的人体三维数据右侧；

S203、以镜像的方式得到最终的人体三维数据。

优选地，S3中，包括：

S301、分析颈部关节的屈曲和旋转，肩关节的屈曲、伸展、内收、外展和旋转，肘关节和膝关节的屈曲，腕关节、腰部关节和踝关节的屈曲、伸展、内收和外展，髋关节的旋转和支撑；

S302、用万向机构和旋转机构的复合机构虚拟颈部关节，用旋转机构、伸展机构和球头机构的复合机构虚拟肩关节，采用旋转机构虚拟肘关节、膝关节和踝关节，采用带定向的万向球头机构虚拟腕关节，采用两个连接的定向球头转动机构虚拟腰部关节，采用万向机构和旋转机构和支撑机构的复合机构虚拟髋关节。

优选地，S4中，采用3D打印技术打印出人台的各个部位，将各个部位组装得到人台。

本发明还提供一种航天员模拟人台，由上述航天员模拟人台制作方法制作得到。

优选地，包括胳膊、第一肩部模块和第二肩部模块；所述胳膊与第一肩部模块连接并可相对其转动，所述第一肩部模块固定在第二肩部模块上，所述第二肩部模块和人台本体插接。

优选地，包括与手腕关节连接的手掌，所述手掌通过掌指过渡板连接有四根手指，且所述手掌通过插销安装有大拇指，所述手指均包括两个指间关节，所述拇指包括一个指间关节；所述大拇指为硅胶注模的橡胶制品。

优选地，包括和人台本体销接的脚掌，以使所述脚掌可上下翻转。

(三)有益效果

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的航天员模拟人台制作方法，包括以下步骤：S1、选定目标人群，对目标人群的三维人体数据进行测量和分析，选出最接近均值的人体三维数据；S2、根据最接近均值的人体三维数据拟合成单个具有统计意义的、皮肤外形尺寸仿真的人体模型；S3、分析航天员的形态特征和关节活动方向和角度值，据此在人体模型上构建计算机虚拟活动关节，得到关节可活动人体模型；S4、根据关节可活动人体模型制作代表目标人群的人台。通过本发明的方法可以制造出航天员模拟人台，从而用航天员模拟人台代替航天员进行一些模拟实验，起到对航天员的保护作用，并且也可以减少航天员的工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例的航天员模拟人台的结构示意图；

图2是航天员模拟人台中胳膊结构及安装示意图；

图3是航天员模拟人台中手的爆炸结构示意图；

图4是图3中掌指过渡板的结构示意图；

图5是图3中手指的结构示意图；

图6是航天员模拟人台的脚掌的结构及安装示意图；

图中：1、航天员模拟人台；2、胳膊；3、第一肩部模块；4、第二肩部模块；5、人台本体；6、手掌；7、大拇指；8、掌指过渡板；9、手指；10、脚掌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例的航天员模拟人台1制作方法，包括以下步骤：

S1、选定目标人群，对目标人群的三维人体数据进行测量和分析，选出最接近均值的人体三维数据；

S2、根据最接近均值的人体三维数据拟合也即morphing成单个具有统计意义的、皮肤外形尺寸仿真的人体模型；

S3、分析航天员的形态特征和关节活动方向和角度值，据此在人体模型上构建计算机虚拟活动关节，得到关节可活动人体模型；

S4、根据关节可活动人体模型制作代表目标人群的人台。

通过本实施例的方法可以制造出航天员模拟人台1，从而用航天员模拟人台1代替航天员进行一些模拟实验，起到对航天员的保护作用，并且也可以减少航天员的工作量。

S1中，被测量者的年龄参考现役航天员年龄段确定为30-45岁；由于航天服尺寸是确定的，不能更改的，因此选择代表男天员极限身高180cm研制人台，并且选择180cm身高段的航天员作为目标人群。

当然，目标人群的选择随着时代的变化可能也会不同，例如现在人体身高普遍比十年前高，从而航天员的目标人群和十年前肯定也不同。此处目标人群的选择满足统计学的规律从而可以代表航天员即可。

在选定了目标人群之后，进行三维人体测量。优选但是不必须采用非接触式扫描测量，该种测量方法不仅高效、测量数据完整，而且可以提高目标人群的体验。由于三维人体测量不可避免的会产生某些部位的模糊或者缺失，因此采用将三维人体数据转成二维数据的形式进行补充测量，测量结果与所述三维人体数据整合形成人体样本测量数据。其中，可以采用二维拍照的方法，对照片进行二维测量。

上述测量的内容包括所需人体特征点、围度线和体轴角在内的对应特征线和特征点。

在上述测量基础上，对人体样本测量数据进行均值分析，得到最接近均值的人体三维数据。具体地，对三维人体数据分类整理，按覆盖90％人群提取特征点数据并计算均值；按测量项的重要程度排序，分别与均值对比，筛选出最接近均值的5组人体三维数据。

S2中，可以采用人体右侧数据，最终以镜像的方式得到最终的人体三维数据。其中，人体三维数据拟合需要测量所需人体特征点、围度线、体轴角等对应特征线和特征点。考虑到人体具有复杂曲面的特点，拟合时选取的特征线和特征点越多，效果越好，但考虑测试的有效性，最终选择33条截面线上的243个特征点作为拟合参考点。

此外，拟合的顺序和特征点位置和个数的不同均会造成最终的人台数据不同，故作为优选的实施方式，得到最接近均值的人体三维数据后，通过对拟合的顺序和特征点位置和个数的测试，得到拟合的最优方案。本实施例中，将最接近均值的五组人体三维数据按体积从小至大排序，每次选择最大体积数据拟合到最小体积数据成新的数据，经过4次拟合得到最终的人体三维数据拟合。

比较所述的拟合后人体三维扫描数据和测量所得数据差别，验证三维扫描数据的有效性。

S3中，参照人体的各个关节及航天员的活动特性，分析航天员的主要工作内容，包括：能够灵活地实现进入气闸舱、出舱等各项操作，爬上爬下梯子，连接和断开脐带等；月面行走距离不小于10km，能够实现跪下、捡起月面样品等活动性要求；实现各种工具的使用。此外，还要结合人体各部位极限活动范围，总结出此人台的各个关节活动范围。最终得到各个关节的设计如下：

颈部主要运动为屈曲和旋转，屈曲包括背侧、腹侧、右侧和左侧的屈曲，旋转包括左旋和右旋；其中屈曲部分的运动以万向结构实现，旋转部分的运动以旋转结构实现，因此用万向机构和旋转机构的复合机构虚拟颈部关节；

肩关节主要运动为屈曲、伸展、内收、外展和旋转，旋转包括内旋和外旋；因此用旋转机构、伸展机构和球头机构的复合机构虚拟肩关节；

肘关节和膝关节主要运动为屈曲，由于延展面积大，此处的设计主要是将肘部和膝盖处分割出一块独立模块满足运动需要；例如可以采用旋转机构虚拟肘关节、膝关节；

腕关节主要运动为屈曲、伸展、内收和外展，因此采用带定向的万向球头机构虚拟腕关节；

腰部主要运动为屈曲、伸展、内收和外展，因此采用两个连接的定向球头转动机构虚拟腰部关节；

髋关节主要为旋转和支撑作用，因此采用万向机构和旋转机构和支撑机构的复合机构虚拟髋关节；

踝关节主要运动为屈曲、伸展、内收、外展，但考虑到此人台的特殊性，此位置的主要关节设计在足部。

优选但是不必须采用3D打印技术打印出人台的各个部位。其中，3D打印技术得到的结构更加精准，同时省去了传统生产工艺中的模具和相关步骤，生成成本低，生产过程简便。

进一步地，将各个部位组装得到本实施例的航天员模拟人台1，请参见图1。其中，航天员模拟人台1的主要材料为ABS材料。

在上述基础上，为了使得航天员模拟人台1可以顺利穿入到航天服里，可以对航天员模拟人台1的胳膊2、手和脚掌10进行特殊处理。具体请参见下文：

请参见图2，航天员模拟人台1的胳膊2可拆卸，所述胳膊2与第一肩部模块3连接并可相对其转动，所述第一肩部模块3固定在第二肩部模块4上，所述第二肩部模块4和人台本体5插接。从而，为了能将此航天员模拟人台1顺利地装进航天服里，可以先将第二肩部模块4连同胳膊2从人台本体5上取下来，等人台本体5装进航天服后，再将第二肩部模块4连带胳膊2安装到人台本体5。当然，第二肩部模块4也不一定要和人台本体5插接，例如两者之间还可以采用螺纹连接或者其它任意可行的连接方式。

需要说明的是，第一肩部模块3和第二肩部模块4的结构不受附图的限制，其在不影响肩关节的正常功能和活动特性的前提下，可以设计成任意形状。

请参见图3，航天员模拟人台1包括与手腕关节连接的手掌6，且所述手掌6通过插销安装有大拇指7，所述拇指包括一个指间关节。此处，由于大拇指7与手掌6通过可拆卸的方式连接，从而在穿航天服的过程中，可以将大拇指7先取下，避免和航天服的袖子发生干涉。当然，还可以将大拇指7设计为硅胶注模的橡胶制品，从而即使不将大拇指7从手掌6上取下，但是只要使得大拇指7发生弹性变形，同样可以保证穿航天服过程的顺利。

在此基础上，为了使得航天员模拟人台1具有良好的活动性，包括能够灵活的实现在气闸舱内、出舱等各项操作，爬上爬下梯子、连接和断开脐带等；跪下捡起月面样品等活动性要求；实现各种工具的使用等，所述手掌6通过掌指过渡板8连接有四根手指9，所述手指9均包括两个指间关节。其中掌指过渡板8的结构请参见图4，手指9的结构请参见图5。该种情况下，航天员模拟人台1的手可以高度模拟人手，保证其具有和航天员相同的活动特性。

请参见图6，航天员模拟人台1的包括和人台本体5销接的脚掌10，以使所述脚掌10可上下翻转。此处人台本体5和脚掌10之间的销接可以看作人体的踝关节。由于航天服裤腿比鞋长小，因此脚掌10的翻转可以便于航天员模拟人台1腿部穿到裤子里。此外，由于脚掌10可以翻转，从而其可以方便的穿入到鞋子中。

需要说明的是，图6中的脚掌10的上下翻转指的是脚掌10可以在平行于纸面的平面中转动。优选脚掌10可上下翻转一圈，从而脚掌10可以活动到和腿部平行的位置。

值得一提的是，本实施例中的人台本体5，其是相对可拆卸的胳膊2和可翻转的脚掌10而言的。也即，在胳膊和第一肩部模块和第二肩部模块连接的基础上，用于安装第一肩部模块和第二肩部模块的部位称为人台本体；同理，用于安装脚掌10的部位也可以称为人台本体5。因此，本实施例中的人台本体5，其实际上包括了多个不同的部位。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。