微重力環境下航天員在軌操作力測量技術及裝置研究

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本文 來自微信公眾號“悅智網”（gh_ad4cb8f6a543）作者：宋愛國、徐寶國

在空間微重力環境下，人的生物力學特性和操作力與在地面重力環境下有著顯著差異，而且長期在軌生活和作業還會使人體機能發生不同程度的變化。測量並分析航天員在微重力環境下的操作力，可為其操作任務的順利開展、作業效率的提高提供重要參考和保障。在航天員操作力測量技術及裝置研究方面，東南大學機器人感測與控制技術研究所同中國航天員科研訓練中心開展長期合作，並取得一系列突破和進展。

作為我國空間科學實驗的重大戰略工程之一，中國載人航天工程（CMS）於1992年9月21日正式實施，並制定“三步走”發展戰略，其可簡要概括為載人飛船階段、空間實驗室階段、空間站階段。2021年6月17日，神舟十二號航天員乘組聶海勝、劉伯明、湯洪波進入天和核心艙，標誌著中國人首次進入自己的空間站。9月17日，神舟十二號乘組安全返回地面，標誌著空間站階段首次載人飛行任務取得圓滿成功。10月16日，神舟十三號載人飛船與空間站組合體完成自主快速交會對接，航天員翟志剛、王亞平、葉光富進駐天和核心艙，並將按計劃在軌駐留6個月，標誌著中國空間站開啟有人長期駐留時代。2022年我國將全面進入空間站在軌建造階段。

在空間微重力環境下，航天員在進行開啟艙門、推拉手柄、擰緊螺絲等操作時所需的施力方式和施力大小等較之於地面都存在巨大差別，所以在空間站中供航天員施力的元件必須依據航天員在軌生活和作業的實際施力特性來進行相應設計。此外，長期處於失重環境可能會引發人體出現骨骼鈣流失、肌肉功能退化等機能衰退情況，這勢必會對航天員長期在軌生活和作業造成一定影響。

因此，對長期在空間微重力環境下生活和作業的航天員（見圖1）開展生理和健康狀況的監測是一項基本而必要的任務，其核心科學問題是探究在不同時程的空間飛行過程中，微重力環境對生命體結構和功能的影響，以及由此引發的長期效應。一方面，對航天員在生活和作業時的各項操作力進行測量，可為航天器施力元件的設計以及航天任務的規劃提供參考。另一方面，通過航天員常態操作力測量系統對航天員身體機能的實時監測，可為建立失重環境下航天員身體機能衰退的數學模型提供寶貴的資料支撐，對於航天員訓練計劃的擬定以及身體機能的保持具有重大意義。當前，國際空間站就安裝有一套用於測量航天員在軌操作力的測量系統，其為國際空間站宇航員長期在軌生活和作業提供了基礎的生物力學測量資料參考。

東南大學儀器科學與工程學院機器人感測與控制技術研究所團隊（以下簡稱團隊）長期從事多維力感測器關鍵技術研究，先後突破了多維力感測器小型化和高精度等多個技術難題，並研製出系列化的多維力感測器（見圖2）。為滿足多維力測量感測器小型化和高精度的空間應用需求，團隊提出了一種雙十字梁組合的彈性體結構設計，有效減少了維間耦合干擾造成的測量誤差；提出了操作力測量的精密標定裝置設計方法和標定方法，通過精密標定建立了多維力感測器的誤差模型，對多維力感測器靜動態的維間耦合誤差及非線性誤差進行補償，進一步提高了操作力測量的精度。

2013年，團隊針對模擬失重效應的水池環境實驗，提出了一種水下多維力感測器設計方法以及水壓干擾誤差的建模補償方法，併為中國航天員科研訓練中心研製了適用於航天員操作力測量的水下多維力/力矩感測器與綜合測試系統（見圖3）。應用該綜合測試系統完成了在模擬失重效應的水池環境下對航天員作業能力的測評以及在973計劃專案中對航天員生物力學模型的實驗驗證。

2014年，團隊針對模擬失重環境的飛機飛行實驗，為中國航天員科研訓練中心研製了適用於飛機失重飛行環境的小型化高精度多維力感測器與航天員操作力測量系統（見圖4）。同年10月，該測量系統在法國模擬失重飛機上成功完成了相關的操作力實驗研究。

2016年，團隊研製了適用於天宮二號空間實驗室的小型化高精度的多維力感測器和航天員在軌操作力測量裝置（見圖5）。同年9月15日，該測量裝置隨天宮二號成功發射升空並連續在軌工作30天，完成了微重力環境下航天員操作力及其生物力學的大量相關測量工作。

自2017年起，為深入研究航天員長期在軌操作力和生物力學的變化規律，團隊研製了面向空間站的小型化長壽命高精度多維力感測器以及航天員在軌生物力學綜合測試系統（見圖6）。該綜合測試系統具有便攜、固定和常態3種測量模式，可實現對航天員指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、雙手旋轉力矩、單臂/雙臂/手輪旋轉力矩、手部多維力以及足部多維力等多種操作力的在軌測量。該綜合測試系統在2020年9月被安裝於空間站天和核心艙內，2021年4月29日，隨天和核心艙成功發射升空，並將長期在軌執行，服務於後續多批次進駐中國空間站的航天員，同時為航天員生物力學研究的開展提供關鍵測量裝置。

總而言之，作為我國載人航天及載人空間站工程的一項重要實驗任務，對航天員的操作力和生物力學進行測量和分析，可為保障航天員長期在軌生活和作業提供重要資料參考，為深入探究人體在空間微重力環境下的生物力學變化規律提供基礎資料支撐。未來，團隊將繼續同中國航天員科研訓練中心開展進一步合作，研發可穿戴的柔性化生物力學測量技術及裝置。

致謝：感謝中國航天員科研訓練中心、中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所的支援與所做的工作，感謝國家自然科學基金聯合基金專案（專案編號：U1713210）的支援。

*本文刊登於IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年11月刊。

*專家簡介：

宋愛國： 東南大學儀器科學與工程學院機器人感測與控制技術研究所，教授。

徐寶國：東南大學儀器科學與工程學院機器人感測與控制技術研究所，副教授。