航天员活动的计算机仿真中人体动力学模型

研究了失重状态下人体的动力学方程。从动量矩守恒原理出发，应用矢量力学和多刚体动力方法建立起失重状态下人体的动力学模型，所得方程是一阶的，适用于计算机编程。方程的求解只要求输入人体基本的质量特性参数和相邻肢体的运动控制规律。文末给出了一个航天员通过双腿的圆锥摆运动来改变其自身姿态的例子，并求得了解析积分式。     

基于Lagrange方法的失重人体建模与仿真

阐述了利用多刚体系统动力学进行航天员舱外活动仿真EVA(Extra Vehicular Activity)的必要性.给出了应用计算多刚体系统动力学建立的通用失重人体4关节反向运动学与反向动力学模型.选取典型的实例,在对其进行适当简化的基础上,运用通用模型对其进行仿真计算,计算时为考虑失重对人体质量、惯量与力量等参数的影响,对通用模型进行了修正.利用能量比较法对结果进行分析,得出当手部的运动轨迹半径与角速度减小、时间延长,髋关节做前驱运动时航天员工作最为节省能量.通过能量比较法计算得到了人体运动时各关节作功最为节省能量的范围.计算方法对航天员舱内外活动仿真及工效分析有一定的参考价值.      

基于人体模型的舱外航天服热系统分析与计算

分析了舱外航天服空间换热的特点,对"空间环境-舱外航天服-人体"热系统进行了传热分析,利用Visual C++ 6.0及OpenGL技术进行了三维人体模型的构造,对人体体表温度的计算结果进行了三维图形显示.结合人体热调节模型建立了"空间环境-舱外航天服-人体"热系统仿真技术,分析了航天员在不同代谢模式、被动热防护状态及液冷、通风系统控制情况下的热状态,确定了各代谢活动水平下航天员达到舒适状态时液冷、通风系统的工作条件,利用暖体假人试验结果对系统仿真进行了验证,结果表明二者吻合很好,本项目具有很好的工程应用价值.      

动力学奇点在漂浮基双臂空间机器人姿态无扰运动规划中的应用

讨论了载体位置、姿态均不受控制的双臂自由浮动空间机器人的无扰运动规划问题．结合系统的动量及动量矩守恒关系，证明了动力学奇点的存在，并导出了动力学奇点的数学解析求解公式．在此基础上，利用动力学奇点给出了双臂自由浮动空间机器人载体姿态无扰运动路径的规划设计方法．该方法有助于空间环境下遥控机械手辅助航天器对接等任务操作的运动规划。     

自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

冗余驱动直角坐标串并联机构动力学对比分析

对全新结构的万能直角串并联机构进行冗余驱动设计,通过建立动力学方程和欧拉方程,对机构的动平台各输入铰点处的受力状况进行了全面的分析,已知机构在给定空间位置和姿态下的输出端的受力、主轴的运动参数、连杆的运动参数、水平和垂直运动滑块的运动参数时,可以反向求解机构的动力学反解,通过计算机语言编程计算和绘图得到直观有效的结果数据,由此得知冗余驱动在改善原机构的动力学特性方面的良好表现.      

航天员出舱活动地面试验系统设计与实现

为了完成航天员的出舱活动任务,必须建设可以验证航天员出舱活动适应性的地面试验设备。文章描述了航天员出舱活动地面试验设备的系统构成、性能指标以及实现方法,给出了航天员出舱活动试验过程的实际过程曲线。试验结果表明:该地面试验设备可以满足航天员出舱活动试验任务的要求,拓宽了空间环境地面试验的领域范围,提升了空间环境地面模拟的能力,并为后续有人参与的空间环境地面试验提供了能力保证。     

一种气浮模拟器位姿状态跟踪测量方法研究

气浮模拟器为了模拟空间飞行器在地面状态的姿态运动和轨道机动运动，需要在大平面空间和大角度空间范围内运动。运动控制和实际运动位置和姿态形成闭环控制，需要一种在超大平面空间范围内快速测量位置和姿态的测量方法和策略，从而提供高精度闭环控制。用iGPS和惯导同步测量模拟器的位置和姿态，通过飞轮和冷气喷嘴伺服动作，实现了气浮模拟器的位置和姿态跟踪，可以广泛应用于其他超大尺度空间位置和姿态测量跟踪。     

航天员受银河宇宙线辐射的剂量计算

在近地空间(LEO)和深空探测中,航天员遭受的辐射风险主要来自于银河宇宙线(GCR)照射.银河宇宙线的辐射剂量是航天员辐射风险评价的基础.国际放射防护委员会(ICRP)于2013年提出了新的航天员空间辐射剂量估算方法,以更准确给出空间重离子辐射的剂量.基于此方法,开发了宇宙线粒子在物质中输运的蒙特卡罗程序,并在程序中实现用中国成年男性人体数字模型来仿真航天员.采用该程序计算了粒子(Z=1~92)各向同性照射航天员时器官的通量-器官剂量转换因数,并估算出航天员在近地轨道空间受银河宇宙线辐射的剂量.     

人控交会对接控制方法研究

追踪器上的航天员根据摄像机的图像手动操作手柄完成目标器和追踪器的对接任务,为了减轻航天员负担,提高人控对接成功率,文章提出的思路是姿态控制采用自动控制,使得追踪器姿态和合作目标器姿态保持一致,航天员只负责相对位置控制。文章给出了航天员的相对位置控制策略,并将全系数自适应控制和PID控制方法用于追踪器的姿态控制。仿真结果表明,采用全系数自适应控制进行姿态控制过渡过程时间短、稳态精度高,有利于航天员完成人控对接的任务。     

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

Vestibular and visual contribution to fish behavior under microgravity.

Vestibular and visual information are two major factors fish use for controlling their posture under 1 G conditions. Parabolic flight experiments were carried out to observe the fish behavior under microgravity for several different strains of Medaka fish (Oryzias latipes). There existed a clear strain-difference in the behavioral response of the fish under microgravity: Some strains looped, while other strains did not loop at all. However, even the latter strains looped under microgravity conditions when kept in complete darkness, suggesting the contribution of visual information to the posture control under microgravity. In the laboratory, eyesight (visual acuity) was checked for each strain, using a rotating striped-drum apparatus. The results also showed a strain-difference, which gave a clue to the different degree of adaptability to microgravity among different strains. Beside loopings, some fish exhibited rolling movement around their body axis. Tracing each fish during and between parabolas, it was shown that to which side each fish rolls was determined specifically to each individual fish, and not to each strain. Thus, rolling direction is not genetically determined. This may support the otolith asymmetry hypothesis. Fish of a mutant strain (ha strain, having homozygous recessive of one gene ha) have some malfunction in otolith-vestibular system, and their behavior showed they are not dependent on gravity. Morphological abnormalities of their ear vesicles during the embryonic and baby stages were noted. Their eyesight and dorsal light responses were also studied. Progress in the project of establishing a new strain which has good eyesight and, at the same time, being deficient in otolith-vestibular system was reported. Crosses between the strain of good eyesight and ha strain were made, and to some extent, F2 fish have already shown such characteristics suited for living under microgravity conditions.     

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。     

基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法

针对航天器高精度地面微重力仿真试验实现难题,提出了一种基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法。通过对该实现方法的原理分析,指出了该方法实现高精度垂向失重运动模拟的等效动力学条件及其适用条件,并分析了基于该实现方法的模拟器构型要求。对模拟误差精度进行仿真分析,结果显示其失重运动模拟精度可达99%,满足高精度微重力仿真试验的要求。     

Long-term effects of microgravity and possible countermeasures.

It is well known that long-term exposure to microgravity causes a number of physiological and biochemical changes in humans; among the most significant are: 1) negative calcium balance resulting in the loss of bone; 2) atrophy of antigravity muscles; 3) fluid shifts and decreased plasma volume; and 4) cardiovascular deconditioning that leads to orthostatic intolerance. It is estimated that a mission to Mars may require up to 300 days in a microgravity environment; in the case of an aborted mission, the astronauts may have to remain in reduced gravity for up to three years. Although the Soviet Union has shown that exercise countermeasures appear to be adequate for exposures of up to one year in space, it is questionable whether astronauts could or should have to maintain such regimes for extremely prolonged missions. Therefore, the NASA Life Sciences Division has initiated a program designed to evaluate a number of methods for providing an artificial gravity environment.     

三维人体运动数据提取的人机交互方法及实验

提出使用人机交互的方法,通过加工处理现场录像资料,并与计算机图形学技术相结合,整体提取人体的三维运动数据.针对提取过程中的关键环节--数据提取人员,进行了姿态识别精度实验.实验的样本采用计算机图形、图像以及动态画面,实验结果表明识别精度良好.最后介绍了对运动数据的加工转化过程.