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。     

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。     

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。     

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。     

美俄新型登月航天服技术研究进展

载人登月,对航天员穿着的航天服提出了多样化的使用环境要求,特别是出舱活动(EVA)期间的需求。通过航天服的研发,美国对登月航天服压力服、液冷服、生命保障系统和通信电子系统等进行了重点研究,制定了相关指标体系,并进行了权重因数评估,建立了地面模拟试验设备,并通过激光扫描和计算机建模等手段,有力地促进了新型登月航天服的研制。俄罗斯也基于"海鹰"-M航天服,提出了行星压力服设计概念,还特别研究了提供下躯干活动性的相关部件技术。最后,提出了对我国自主研制新型登月航天服的有关建议。     

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。     

美国EMU与SAFER技术状态

美国航天飞机与国际空间站的舱外活动航天员装备由舱外移动单元(EMU)及简易EVA自救装置(SAFER)组成,其中EMU即舱外活动航天服系统,包括航天服组件(SSA)、生命保障系统(LSS)及EMU辅助设备;SAFER为简化的机动装置,用作航天员自救装置。此外,借助数字相机,SAFER也有可能用为检测工具。阐述微重力环境中美国舱外活动航天员装备的功能、组成以及相关技术的发展。     

登月助力航天服机械结构优化设计及有限元分析

为辅助航天员克服服内气压的影响,更好地完成舱外任务,进行了登月助力航天服关节自由度分析,优化设计了二代登月助力航天服的机械结构;使用ANSYS Workbench软件对前后两代登月助力航天服进行了静力学分析及模态分析。结果表明:优化后的二代登月助力航天服质量降低了35%,具有更合理的自由度及负载分配;在负载90 kg的情况下,二代登月助力航天服的最大变形量和最大应力仅为一代登月助力航天服的12.8%和14.3%;相同阶数下,二代登月助力航天服具有更低的固有频率。     

波纹式航天服关节阻力矩特性研究

针对有人状态下的波纹式航天服关节阻力矩难以预测和分析的问题,提出了一种波纹式航天服髋关节精细化有限元建模方法,并对有人和无人状态下航天服髋关节的阻力矩特性进行了仿真分析。建立了考虑织物材料特性、充压环境和人服接触的模型,分析了关节阻力矩形成原因,对波纹式髋关节的结构参数进行了优化并给出了最优结构参数。结果表明,波纹式关节运动时的阻力矩来源于结构弹性变形和压缩气体做功,适当减小关节半径、增加波纹个数和增大波纹直径等措施可以减小关节阻力矩。     

略谈航天员出舱活动技术

出舱活动(EVA)是指航天员脱离母航天器的保护环境,依靠自身的生命保障系统在太空中进行包括科学观察及研究、修理飞船或空间站表面、太空行走等在内的各种活动.出航活动关键技术的研究涉及环控生保技术、航天服技术、医学、工效学以及地面模拟技术等,它们不仅为出舱活动提供了充分的技术保障,还为航天员提供了维持生命必须的微气候环境和进行出舱活动的装置及措施.     

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。     

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。     

同步磁阻电机直接转矩控制系统研究

鉴于矢量控制对电机参数依赖性强的问题,借鉴现有永磁同步电机数学模型及其直接转矩控制的相关理论,分析同步磁阻电机的数学模型,提出了同步磁阻电机的直接转矩控制方法,包括空间电压矢量的计算、磁链和转矩的滞环控制等;并基于位置信息的估算,设计了速度的闭环控制器。构建了系统的仿真模型,并对电机的稳态和动态性能进行了仿真分析。由仿真结果可知,所提方法设计的系统能够在较宽的转速范围内变速运行。     

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。     

舱外航天服手套加热方案探讨

 针对舱外作业中航天员常常因手冷而不得不提前回舱的情况,提出了主动加热的方法。利用边界元法以边界点上未知函数满足积分方程为基础进行近似计算的特点,建立了手部和舱外航天服手套温度场三维计算模型,通过模拟试验件验证了模型。模型针对航天员处于太阳和地球辐射阴面时提出了舱外航天服手套主动加热的优化方案,并通过模拟试验件验证加热方法合理。     

永磁有限转角力矩电机的仿真与实验

随着多电飞机的快速发展及成附件轻小化、高效能的迫切需求,有限转角力矩电机(Limited Angle Torque Motor,LATM)在飞机引气系统中的应用日益迫切。一方面,有限转角力矩电机可以显著简化高温引气控制阀结构、减小体积;另一方面,可以基于系统需求实现引气压力和温度按需调节,减少燃油代偿损失。针对高温有限转角力矩电机工作特性不易预测的难题,建立了其数学模型、仿真模型,并通过实物试验验证了仿真模型的准确性。研究结果为有限转角力矩电机特性研究提供了参考依据。     

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。     

永磁同步电机变论域模糊直接转矩控制

直接转矩控制(DTC)相比矢量控制转矩响应快,能够很好地适应对转矩响应要求较高的应用场合。但常规DTC存在转矩脉动、磁链脉动大和谐波电流较大的缺点,可能导致更高的定子铜耗,从而降低驱动效率。针对这一问题,以DTC基本原理为出发点,提出一种用磁链和转矩模糊控制器代替传统滞环比较器的控制策略。常规模糊控制器可能会出现模糊规则不足或得不到充分应用的情况,导致模糊控制效果变差,针对这一不足在转矩环加入变论域模糊控制。使用MATLAB/Simulink对变论域模糊DTC系统进行仿真。仿真结果表明:该变论域模糊控制系统能够有效地抑制转矩脉动、磁链脉动和谐波电流。     

柔性接头迟滞阻尼特性识别

为实现对柔性接头系统的建模和动力学分析,对柔性接头的迟滞阻尼特性识别方法进行了研究.测试了一系列不同摆角和不同频率条件下柔性接头的动态特性参数,基于变刚度变阻尼法对不同频率下的刚度系数和阻尼系数进行了参数识别,获得了刚度系数和阻尼系数跟摆动频率之间的关系,建立了柔性接头动力学模型.应用该模型分析计算了柔性接头低速频率特性,并与试验结果进行了对比分析.结果表明:建立的模型可以很好地描述柔性接头的低频特性,随摆动频率的增加,恢复力矩略有增加；在振幅较小时,弹性力矩随摆角呈线性,随着摆动振幅的增加,弹性力矩的非线性逐渐增强.      

高压下喷管柔性接头摆动力矩数值分析

为了研究柔性接头摆动力矩随容压的增加而减小的内在原因,建立某型号柔性接头三维有限元模型,利用"三阶五项式"超弹本构模型表征弹性件橡胶材料的本构关系,数值模拟柔性接头在不同容压下的摆动过程。发现弹性件剖面上的剪应力场分布及数值随容压变化明显,由其计算出的摆动力矩变化明显。整理计算结果发现,摆角相同时,随容压增大摆动力矩呈减小趋势,该现象与实验结果吻合较好。