在零重力、低压环境下对EVA手套减振机制的分析

《Advances in Space Research》：Analysis of EVA gloves vibration reduction mechanism in a zero-gravity, low-pressure environment

本研究建立EVA手套-手-手臂系统的机械等效模型，分析振动传递特性，探究EVA手套对手臂生物力学的影响，并提出控制振动暴露的方法。

　　

严普穆|郝富|郑一珍|李月峰|潘旭东

哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001，中国

摘要

在舱外活动（EVA）期间，手持电动工具的使用趋于多样化，这些工具产生的振动可能会影响宇航员的健康，甚至阻碍工作的顺利进行。本研究的主要目标是开发一个EVA手套-手-臂系统的机械等效模型，以增强对其振动传递特性的理解，分析EVA手套的减振机制，并探讨EVA手套对手-臂系统生物力学的影响。研究结果表明，该模型能够有效预测EVA手套-手系统的振动传递特性。EVA手套与手之间的质量、刚度和阻尼会影响手指和手掌的生物力学响应，其中手指的背面受到EVA手套的约束。EVA手套可以在大多数频率下减少振动暴露，当频率超过手掌的共振频率时，其对手掌的减振效果会增强。EVA手套与手掌和手指之间的接触刚度和阻尼会影响其减振效果，在一定的气体压力下，不同的EVA手套压力与减振效果之间存在非线性关系。此外，基于研究结果，提出了控制EVA手套振动暴露的方法。

引言

随着人类太空探索的逐步深入，维护工作对于确保国际空间站（ISS）的长期运行和高可靠性具有重要意义。鉴于太空环境的特殊性，目前的维护工作主要由宇航员使用EVA电动工具进行（Li等人，2024年）。在舱外活动期间，EVA电动工具会产生一定的振动，这些振动通过宇航服传递到人体手臂，可能造成宇航员手臂受伤，并严重影响工作的顺利进行（Walton等人，2024年）。

宇航员需要佩戴充满一定压力的EVA手套在太空环境中工作。由于EVA手套的刚度较高，这会大大影响手臂的工作效率（Horneck等人，2006年）。在亚特兰蒂斯号航天飞机的STS-61B任务中，尽管宇航员使用的电动工具的操作力小于25磅，符合设计要求，但其振动仍迫使宇航员间歇性工作，大大影响了工作效率（Cousins和Akin，1989年）。在NASA的阿波罗15号任务中，两名宇航员因工具振动和反作用力问题而遭受了肩部受伤。未来的舱外活动将更加多样化，作为主要工作工具的EVA电动工具也需要适应各种工作条件，这对EVA电动工具的设计提出了新的要求（Cao，2022年）。为了确保EVA电动工具满足人类的工作需求，早在1997年，Roy等人就开始关注EVA手套对宇航员手臂工作效率的影响，并初步建立了一个评估系统（Roy和O'Hara，1997年）。Tian等人研究了温度和压力对手臂人机工程的影响，发现低温和低压的耦合效应会加速手臂疲劳（Tian等人，2016年）。Appendino等人对EVA手套在压力下的抓握力和握力进行了实验研究，发现手套压力会进一步影响手臂的生物力学状态（Appendino等人，2014年）。Fu等人提出了一种在零重力环境下测量手部传递振动的方法，验证了该方法的有效性和可行性，为后续的多因素耦合手部传递振动测试奠定了实验基础（Fu等人，2024年）。然而，目前EVA手套的振动传递特性尚未得到充分分析，评估EVA手套对手-臂振动暴露的影响仍然是一个紧迫的研究课题。

EVA手套类似于地面减振手套，可以被视为工具和手之间的机械结构（Dong等人，2003年）。基于地面手部传递振动的评估和测量方法，可以提出EVA工作中手部传递振动的评估和测量方法。地面减振手套的测试主要通过特定手臂位置的加速度传感器进行，通过计算其生物力学响应参数来评估手-臂系统各部位的振动暴露情况（Rezali和Griffin，2016年）。经过多位学者的研究，生物力学模型也被纳入了世界标准，这些标准确定了手套振动传递特性的计算方法，并为开发减振手套和抗振装置提供了新的方法（Xu等人，2015年）。Dong等人通过分析减振手套与手之间的关系，开发了手套-手-臂系统的生物力学模型。该模型分别预测了手指和手掌的振动暴露情况，并提出了一种新的手套减振评估方法（Dong等人，2009年）。Xu等人提出了一种通过手部测量来评估减振手套效果的方法，并模拟了工人夹持和按压典型工件时的情况，发现佩戴减振手套可以显著减少手掌、手背和手腕的振动（Xu等人，2021b）。Adewusi等人建立了不同肘关节角度下手-臂系统的生物力学模型，发现伸展手臂更容易导致手臂受伤（Adewusi等人，2013年）。Almagirby等人建立了手指振动的二维有限元模型，并通过分段测试进行了相关研究（Almagirby等人，2018年）。根据目前的研究，生物力学模型仍是预测手臂振动的主要方法，有助于人们更好地理解手-臂振动的传递模式。

地面手部传递振动的测量方法主要基于ISO 5349标准。Dong等人改进了该方法，减少了把手质量的影响，从而获得了更准确的测量结果（Dong等人，2005b）。Xu等人进一步研究了工作过程中的直接测量方法，这种方法比实验室方法更能反映实际情况（Xu，Welcome，2021b）。Marquez等人研究了EVA电动工具在EVA期间产生的手部传递振动对宇航员健康的不良影响（Marquez等人，2019年）。与地面环境相比，EVA涉及两个主要影响手部传递振动的因素：低重力和低压力。研究表明，低重力、低压力环境都会影响手-臂系统的生物力学状态。在这样的环境中佩戴EVA手套会进一步增加手-臂振动暴露，现有的生物力学模型受到不同手套结构的限制，无法直接预测EVA期间的手部振动传递（Pastacaldi等人，2004年）。这表明，在复杂的EVA环境中，人类手臂更容易受伤。需要进一步的模型研究来帮助理解EVA环境中的手部振动传递情况，并指导后续EVA工作的设计和实施。

本研究的主要目的是通过建立EVA手套-手-臂系统的生物力学模型，研究两种典型工作压力下EVA手套的振动传递特性，从而了解不同压力下手指和手掌的生物力学变化。通过结合实验和理论模型，我们预测了EVA手套对手指和手掌的振动暴露情况，并讨论了在舱外使用EVA电动工具时减少振动暴露的方法，旨在指导未来EVA电动工具、EVA手套和太空任务的设计。

方法部分

研究方法的具体步骤可以分为四个阶段：(a) 在零重力、低压力环境中建立手部传递振动测试平台，对裸手（比较佩戴手套前后手-臂系统状态的变化）和佩戴EVA手套（根据EVA宇航服的实际压力系统，手套压力分别为30 kPa和40 kPa）进行手部传递振动测试（Moller等人，1995年）；(b) 使用测量数据

EVA手套-手-臂系统模型的验证

本研究中的生物力学模型参数均采用基于平均属性的校准方法，并利用Welcome等人提出的生物力学模型来预测裸手条件下的生物力学响应（Welcome等人，2004年）。此外，还使用本研究开发的生物力学模型预测了在不同压力条件下佩戴EVA手套时的生物力学响应。

结论

本研究在零重力、低压力环境中佩戴EVA手套时进行了手部传递振动的测量。建立了EVA手套-手-臂系统的机械等效模型，根据实验数据确定了模型的参数，探讨了EVA手套的减振机制，分析了EVA手套对手-臂系统的生物力学影响，并提出了有效的振动暴露控制方法。

结果

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。