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。     

一种基于肌声信号的穿戴式助力系统运动意图检测算法

针对未来深空探测活动中航天员在多种复杂任务环境下的运动助力需求,提出一种面向航天员穿戴式助力系统的运动意图检测算法。以航天员的关节力矩作为运动意图的表征,利用希尔伯特-黄变换对特定肌肉发出的肌声信号进行滤波处理,以消除由肢体运动导致的伪迹噪声和由传感器引入的高频噪声,并参照肌肉的发力原理对滤波后的肌声信号进行特征值提取,通过机器学习的方法建立肌声信号与关节力矩间的映射关系,使助力系统能够及时准确地识别出航天员的运动意图并实施助力。最后募集了3名志愿者进行了150 000组样本数据关节力矩辨识实验,实验结果表明：所提出算法的决定系数可达0.953 2,能够有效辨识航天员的运动意图。     

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。     

基于数据融合的模拟低重力步态识别方法

针对有动力航天服在进行主动助力时对人机系统下肢行走状态感知的需求,提出了基于数据融合的步态识别方法。首先设计了同步多源传感采集方案,分析了模拟低重力下的运动特点;将多源传感信息进行数据融合,针对不同运动模态和行走步态提取特征,基于模糊有限状态机进行步态相位划分。最后,在搭建的模拟低重力试验系统进行了运动测试验证,实测验证了本方法适用于平地行走和上下台阶等不同运动模式,获得了较高的识别准确率。     

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。     

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。     

舱外航天服生命保障冷电联储系统性能分析

 基于质子膜燃料电池(PEMFC)和热驱制冷,提出一种舱外航天服冷电联储方法,根据热力学总能理论,通过能量的梯级利用和不同形式的能量联产来实现舱外航天服生命保障系统冷电联储、能源转化和环境控制一体化。对舱外航天服生命保障冷电联储系统进行了热力学分析,表明本文舱外航天服生命保障系统冷电联储方案与传统方案相比,能达到减少航天员出舱活动携带物品种类和提高能源利用率的目的。并重点对冷电联储系统储氢冷却器相关参数的选取对系统一次能源利用率及系统整体质量的影响进行分析,结果表明LaNi₅和LmNi_4.9Sn_0.1较适合用于本文提出的舱外航天服生命保障冷电联储系统。     

登月任务中压力应急状态下废弃物收集与排出系统发展研究

针对航天服内的应急废弃物的收集与排出,对近50年来航天服内的尿液、粪便的收集、排出系统的设计进行了梳理,参照Artemis登月计划中乘员应急生保系统最新进展,对未来航天服内废弃物收集、排出系统的关键指标进行了整理.从系统复杂程度、安全性、可靠性等方面对未来应急废弃物收集、排出系统提出了优化方向,为未来载人登月任务中应急...     

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。     

基于Abaqus的航天服波纹式肘关节有限元仿真平台开发

为提高航天服肘关节结构设计的高效性与便捷性,开发了高度集成化的航天服波纹式肘关节有限元仿真分析平台.首先,考虑材料特性、几何尺寸以及人服接触等因素,建立了参数化的仿真模型;然后,基于改进的Preisach模型,提出了复杂运动历程中关节阻力矩的预测方法;最后,通过Abaqus软件预留接口将参数化仿真模型与阻力矩预测方法进...     

面向星表探测的航天服关节系统概念设计

针对未来星表探测需求,提出了一种硬式冗余自由度航天服旋转关节系统的概念设计方案。首先,采用虚拟样机技术,建立了航天服关节系统的概念设计模型,给出关节自由度的布置方案,论述了航天服关节系统的设计依据和方法;然后,以髋关节为主要对象,阐述了"半球冠平面斜截"的冗余自由度硬式髋关节设计方法,给出了髋关节设计参数和位态的计算表达式;最后,进行了仿真分析。结果表明,提出的航天服关节系统概念设计方案是合理、可行的。     

基于冷热电一体化的舱外航天服生命保障系统性能

基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和热驱制冷,提出一种舱外航天服生命保障系统冷热电一体化方案.在分别建立金属储氢装置、PEMFC、热驱制冷系统和辐射散热器数学模型的基础上,利用冷热电一体化的热力学分析理论和方法进行了典型案例的计算,并重点分析了核心构件热驱制冷装置的参数对舱外航天服生命保障系统性能的影响.与传统的冷热电分产舱外航天服生命保障系统比较,该系统仅消耗84.6g氢气,且不需要向空间排放工质,能源利用率高达85.29%,在工质消耗与能源利用率上有较大的优势.      

航天服系统设计与关键技术分析

航天服是载人航天必备的个人防护装备,为人体建立起赖以生存的微环境,具备生命保障与作业保障等功能.基于未来载人航天任务需求,采用系统设计思想,分析明确了航天服针对生命保障任务需求的11种功能及作业能力保障的9种功能需求与分配,并根据当前航天服技术水平,结合相关技术发展趋势,给出了航天服功能实现的方案构想,提出了结构与材料...     

应用于舱外航天服的增强现实显示技术

针对航天员对任务环境信息感知能力的提升问题,介绍了目前舱外航天服显示技术的概念和发展现状.分析了航天员对显示信息的任务需求,比较了增强现实显示技术不同方案的特点,综述了近几十年国内外航天领域中舱外航天服显示技术的研究历程与发展现状;基于舱外航天服显示设备现状,探讨了不同显示技术方案的特点及问题.面对未来更加复杂繁重的太...     

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。     

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。     

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。     

固定翼无人机紧密编队的鲁棒协同跟踪控制

固定翼无人机（UAV）具有典型的欠驱动、非线性等特点,导致航点自主跟踪设计难度大,同时紧密编队飞行过程中无人机之间运动耦合与气动干扰明显,进一步增加了高性能控制设计难度。为此,本文针对固定翼无人机紧密编队飞行的航点自主跟踪问题,综合考虑轨迹平滑性、运动协同性和跟踪鲁棒性等需求,依托全驱系统建模方法提出了一种多层次鲁棒协同跟踪控制架构。该架构包括上层运动规划、中层协同滤波及底层鲁棒协同跟踪控制3个核心部分。上层运动规划根据离散航点指令,融合虚拟结构法和迭代线性二次型优化,实时生成可行、平滑的运动轨迹。在此基础上,为改善跟踪控制的瞬态性能,引入分布式协同滤波思想,对规划轨迹进行滤波处理,生成每架无人机个体的参考信号。最后,考虑到紧密编队中气动耦合与系统不确定性等挑战,设计了一种基于不确定性及干扰观测器的鲁棒协同跟踪控制方法,实现了编队轨迹的精确跟踪以及队形的可靠保持。所提出的鲁棒协同跟踪控制架构考虑了紧密编队飞行中的多种约束与挑战,实现了编队运动规划与跟踪控制的综合设计,可以有效提升系统自主性、协同性和鲁棒性。最后,通过5架固定翼无人机的紧密编队飞行仿真对所提方法进行综合测试,验证了方法的...     

“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。     

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。