航天服肩法兰与上肢活动相关性数学模型研究

肩法兰是航天服影响人体上肢活动的关键部分,为分析其对上躯干结构和航天服工效性能的影响,依据人体上肢运动学建立了上肢可达域运动学模型,再通过分析肩法兰对上肢活动的影响,建立了肩法兰与上肢活动的相关性数学模型。开展了肩法兰与上肢活动相关性实验,将模型计算的肩法兰对人体上肢活动的影响和实验测试结果进行了对比,包括上肢活动空间的外观形态、体积及截面面积等,模型计算结果与实验测试结果相近,说明所建立的肩法兰与人体上肢活动相关性模型可有效地计算肩法兰对上肢活动的影响。研究成果为未来肩法兰的优化设计以及航天服工效性能的改进提供了参考。     

航天服软式上躯干主动适体方法

上躯干结构是航天服的基础部件,对服装的适体性具有直接影响。上躯干的适体性设计分为被动适体和主动适体,其中主动适体可实现软式上躯干结构的形态调节,获得最大程度的适体效果。应用Stewart平台原理开展软式上躯干主动适体方法研究。首先,探讨分析了Stewart平台的特点与运动学;其次,将Stewart平台控制原理应用于软式上躯干主动适体设计,提出了针对肩法兰的主动适体方法;再次,分析了主动适体方法的运动学,建立了主动适体方法的数学模型,并通过模型计算了主动适体方法的性能;最后,搭建了软式上躯干主动适体样机,开展了主动适体方法实验。研究结果表明,建立的针对肩法兰的软式上躯干结构主动适体方法可以有效地调节肩法兰的空间位置、角度,满足上躯干的主动适体要求,证明了应用Stewart平台建立主动适体方法的可行性。研究结果为未来航天服的适体性设计提供了参考。     

飞天舱外航天服适体性设计方法与验证

适体性是舱外航天服工效保障能力的基本要求.为确保出舱活动任务的顺利实施,开展了飞天舱外航天服适体性设计实践.根据飞天舱外航天服的结构构形,确定适体性设计原则,采用被动适体和主动适体融合设计;分析讨论了舱外航天服适体性设计因素,以身高等人体参数作为主要参考数据完成了适体性设计,并开展了无人、有人适体性验证试验.试验结果表...     

人体下肢行走运动特征及肌肉肌腱参数研究

为了提高舱外航天服运动性能,保证航天员舱外活动的灵活性与舒适性,从生物学出发,以人体行走为例,研究了下肢膝关节运动特征及肌肉肌腱参数。首先从解剖学角度对人体下肢肌骨模型进行分析,其次对人体下肢关节的运动学、肌肉肌腱参数与动力学特征等进行研究,最后分析下肢膝关节力矩、角加速度与关节惯量的关系。结果表明:人体下肢膝关节处于最大屈曲位时,关节角加速度几乎同时达到最大;内外侧腓肠肌与股直肌分别在支撑期与摆动期提供重要力量;行走运动中的人体膝关节力矩与角加速度未呈现较好线性关系,但关节惯量与周期(时间)序列可完成较好线性拟合。该结果可为太空环境下的相关研究及舱外航天服的设计提供一定参考。     

登月助力航天服下肢关节迟滞模型建立与动力学仿真

针对未来航天员月面行走的需要,对登月助力航天服下肢关节进行动力学仿真分析。基于月面行走的登月助力航天服结构设计理论,分析了航天服下肢关节阻力矩迟滞特性,采用Preisach迟滞模型对关节阻力矩进行仿真计算,得到关节阻力矩随角度变化曲线;按照登月航天服下肢运动角度、关节长度及质量分布,利用ADAMS建立航天员下肢二连杆动力学模型,得到登月航天服下肢关节驱动力矩随步态周期变化曲线。仿真结果表明,1个步态周期内航天服下肢关节阻力矩在驱动力矩所占比例可达50%,登月助力航天服下肢关节的迟滞特性能更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可为下肢驱动机构设计与运动控制系统提供理论依据。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

多关节脚限位装置机构设计与仿真分析

对在空间微重力环境下,通过连接空间机械臂来固定和支撑航天员在轨维修操作的多关节脚限位器装置进行研究。多关节脚限位器装置限制航天服的靴子防止航天员脱离脚限位器,同时为航天员在轨维修操作提供多个自由度的调节范围。对多关节脚限位器装置的多关节结构进行设计与分析,针对某些特定动作进行运动学仿真,并进行试验验证。此外,还对关节运动范围进行了分析,使用Adams软件对载荷限制单元防冲击载荷与缓慢变化载荷的能力进行了仿真分析。     

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。     

舱外航天服的轨道空间外热流计算方法

分析了舱外航天服在轨道空间环境的辐射换热热流。采用蒙特卡罗(MonteCarlo)法,计算了航天服及飞船处于各种相对位置时,航天服对飞船的红外辐射角系数;航天服相对于地球位于各种位置时,航天服对地球的红外辐射角系数;在一定太阳照射方向下,飞船及地球对航天服的太阳反射角系数。与文献数据比较,证明此方法计算舱外航天服空间外热流适用性强,结果准确、可靠,能满足工程使用要求。     

“飞天”舱外航天服的研制

2008年9月27日,我国研制的"飞天"舱外航天服在首次空间出舱活动中圆满完成任务,标志着我国已突破掌握空间出舱活动的核心技术。扼要介绍"飞天"舱外航天服的系统方案与组成,突破的主要关键技术,达到的技术性能及其技术特征,并对后续发展进行前瞻性分析。     

基于有限元方法的航天服平褶式关节建模

关节的灵活性能是航天服改进设计的一个重要方向,平褶式关节是一类典型的航天服软关节。为全面了解平褶式关节的活动特性,利用有限元方法构建了平褶式关节的仿真模型,该模型能够反映关节的主要材料和结构特征,计算得到了关节的阻力矩-角度关系。为验证模型,开展了关节原理样件的阻力矩测量,分析了模型误差的来源。比较了有限元方法和经典分析方法,并进一步讨论了平褶式关节阻力矩的组成。结果表明,有限元模型能够反映关节弯曲运动的基本特征,尽管关节运动初期和伸展运动后期阻力矩计算的准确性还有待提高,但与经典分析方法相比具有显著的优势。此外,结合模型结果分析得到平褶式关节阻力矩由压缩气体、材料摩擦以及结构的弹性变形引起。     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

带褶皱的等张力体航天服软关节设计与实验

面向未来行星表面探测任务,航天服的活动性能需要进一步提高。为此,应改进航天服软关节的结构形式。根据等张力体形状内部承压时不存在周向应力的理论,在该曲面周向上加入褶片结构,设计出了带褶皱的等张力体关节,使之能够沿周向弯曲或伸展。为验证关节性能,利用柔性单自由度关节测量设备,进行了多次加卸载和不同运动范围的力矩特性研究,分析了关节的几何形态、等容性以及主应力状态,并将该关节与无褶皱的等张力体关节和平褶式关节进行了比较,最后讨论了关节的优化方向。结果表明,在测试的0°~80°范围内,关节力矩较小,最大容积变化为1.6%。关节弯曲时,等张力体曲面上周向应力仍可忽略不计。首次加载与之后的加载有一定的差异,而不同的运动范围对关节活动性能无影响。与其他两种关节形式比较,带褶皱等张力体关节在几何尺寸、运动形态和活动性能上都具有一定的优势。此外,该关节可在结构和材料方面进一步优化。     

超燃冲压发动机尾喷管性能对型面参数的回归研究

为了研究型面参数对基于三次曲线构型的超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,采用均匀设计和回归分析的方法开展了型面参数化研究,得到了尾喷管性能参数与构型参数间的回归模型.研究表明下壁面高度对尾喷管的升力性能影响不显著,其余型面参数对尾喷管性能有影响且为交互作用.同时,上下壁面出口高度增加能提高尾喷管推力性能,上壁面长度增加对升力性能有益,而上壁面出口高度和角度的增加则反之;上壁面出口高度对俯仰力矩性能的影响与升力性能类似,但俯仰力矩性能与上壁面入口角度呈正相关,而出口角度在大部分情况下对俯仰力矩性能呈负相关;下壁面在一定范围内截短对上壁面压强分布影响不显著.      

飞机弹射救生过程人椅运动仿真

建立了人椅系统运动模型，针对人体结构特点，建立了飞行员上肢3刚体7自由度数学模型．采用Kane方法建立了人体上肢动力学模型，计算了上肢各环节在弹射救生过程中相对转角等，计算结果表明身体上肢甩打过程短暂，整个甩打过程在0．4～0．5s甚至更短的时间内，上肢各关节的转角及由此引起的关节力、力矩即可达到人体的耐受极限，仿真结果显示上肢运动的特征有明显的“鞭打运动”。通过CATIA二次开发方式，对飞机弹射救生过程人体动力学响应特征进行可视化仿真，使设计人员能够直观的获得各种弹射情况下人椅运动规律，提高设计效率？     

航天服关节力矩的数学模型

航天服关节力矩特性的数学表述是预测航天员出舱(EVA)作业强度、评估航天员疲劳度、规划EVA活动路径的重要基础。首先,分析了关节力矩的特性,提出建立数学模型的要求,阐述了Jiles-Atherton磁滞模型原理,以及磁滞模型与关节力矩特性的相合性。其次,利用模拟退火算法的思想对遗传算法进行了改进,并基于MATLAB软件实现。最终,对EVA航天服腕关节和肩关节力矩进行仿真,得到关节力矩在特定活动角度下的数学模型。仿真结果表明,针对关节力矩迟滞特性所得的关节力矩数学模型,能够更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可以更便捷地用于航天服工效学等相关研究领域。     

Conceptual design and analysis of legged landers with orientation capability

The lander with orientation capability is of fundamental importance for the “Returning” mission because its body can be the base with a suitable launching angle for the ascender lifting off. This paper proposes the conceptual design and verification of Landers with Orientation Capability (LOCs). Firstly, the topological composition of the lander is analyzed and expressed in the form of Lie group, which provides the fundamental principle for the type synthesis of LOCs. Then, the type synthesis approach for designing LOCs is proposed, which includes designing the Equivalent Parallel Mechanism (EPM) and the auxiliary limbs. Numerous mechanisms of LOCs with two-dimensional rotational motions are obtained based on the type synthesis approach by developing and combining the EPMs and auxiliary limbs. Afterward, kinematics and Jacobian matrix of a typical legged lander are developed, the workspace is analyzed, singularity configurations are analyzed based on the wrench graph method, and finally, the orientation capability is analyzed. The pitch and yaw angle reach 17.5°, considering the permissible range of joints. The proposed types of LOCs offer potential candidate for the “Returning” mission of the exploration mission.     

翼身融合民机典型PRSEUS受压壁板屈曲及渐进损伤分析

由NASA和波音公司共同提出的拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），由于具有优异的抗压稳定性和止损/止裂等承载优势，已成为解决翼身融合布局民机非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题的主要途径。本文针对典型PRSEUS受压壁板结构，开展了线性/非线性屈曲及渐进损伤分析；提出了综合考虑蒙皮、止裂带、长桁翻边、隔框翻边等一体化缝合元件贯穿支撑构型几何关系和偏置参考面的建模方法，提高了PRSEUS受压壁板有限元模型的精度；提出了综合考虑屈曲特征值、非线性屈曲载荷等多影响因素的网格收敛性分析方法，提高了PRSEUS受压壁板屈曲分析的计算效率；提出了最小屈曲特征值、几何节点偏移以及最小屈曲特征值-几何节点偏移组合式等3种初始缺陷引入方法，提高了PRSEUS受压壁板损伤分析的计算精度；完成了基于纤维与基体损伤本构关系的典型PRSEUS受压壁板非线性屈曲损伤分析，通过与试验结果对比，给出了针对PRSEUS结构的非线性屈曲渐进损伤演化分析方法。为翼身融合布局民机PRSEUS结构的稳定性/损伤分析和设计提供了方法和技术支撑。