航天员低重力运动模拟训练方法与研究综述

针对主要应用于航天员模拟失重训练与低重力环境下的人体科学研究的低重力环境模拟方法,介绍了包括抛物线飞行、中性浮力水池、虚拟现实技术、悬吊式重力补偿系统以及新近出现的被动式外骨骼系统等在内的国内外模拟低重力环境主流方法的工作原理与利用这些方法开展的科学研究与工程应用,对这些方法的优缺点与适用条件进行了比较与分析。发现抛物线飞行的低重力模拟效果较好,但持续时间有限;中性浮力水池为低重力模拟训练提供了充足的空间,但液体阻力会影响训练的效果;虚拟现实技术无法提供对低重力的体感;气浮台与悬吊式重力补偿系统虽然能对航天员受到的重力进行补偿,但其结构对航天员的运动构成了一定的限制。提出研发低重力模拟功能完善、低重力模拟范围可调、多运动自由度、人机工效良好以及支持多人与人机协同训练的新一代低重力模拟系统,作为开展航天员低重力环境模拟训练和低重力人体运动生物力学实验研究的平台,以满足未来载人航天任务的需求。     

机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。     

虚拟现实技术在空间站舱内定向训练中的应用

载人航天中,失重环境和结构复杂的空间站对航天员空间定向能力的影响极大,导致航天员可能出现空间失定向现象。针对在地面难以使用实物进行空间定向任务训练的问题,阐述了虚拟现实技术在空间定向训练中的应用,并对其特点进行了分析,设计了基于虚拟现实技术的空间定向训练系统提供飞行前的适应性训练,使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能,为后续更为复杂的航天员空间操作任务提供新的训练方式。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

太空行走的训练

人类长期以来生活在重力环境里,而航天员在舱外执行各种任务时是处于一种微重力环境。在微重力环境下行走或工作可不是一件容易的事,当航天员按照地面的习惯来行走或操作时往往会用力过度,使自己飘离航天器或无法准确地完成操作。而且,在分析航天事故中,可以发现很多事故与航天员违反操作规程和训练不够有关。因此,为了更好地完成出舱任务,航天员在执     

一种空间服务机器人在轨人机交互系统设计

研究在轨人机交互的技术瓶颈在于如何实现视觉、听觉等多源传感器信息的高效融合,以满足一系列耗时长、难度大、风险高、环境恶劣的空间任务需求。为此提出了一种基于多模态信息融合的在轨人机交互系统设计,构建了适应于不同任务需求和极端环境的人机交互体系架构,设计了近程/远程交互方案,构建沉浸式多源信息交互机制,并提供自然友好、高效便捷的人机交互接口。开展了多模态信息交互地面验证试验,结果表明,在轨交互涉及的复杂场景三维重建、人体姿态估计结果能有效克服时延大、临场感差等缺陷;经训练后的机器人对规定手势、语音指令的平均识别正确率分别可达74%和86.1%。     

航天人因工程研究进展

航天人因工程是人因工程学在载人航天领域中的应用,秉承"为航天员使用而设计"的理念,系统研究解决航天员、航天器、航天环境之间的关系问题,确保航天员在轨安全、舒适、高效工作。从航天人因工程概念和作用出发,通过系统梳理国际国内航天人因工程研究的发展现状,重点分析了其研究特点及未来发展趋势。结合我国载人航天后续发展对航天人因工程的迫切实际需求,系统梳理了航天人因工程研究技术体系,并从管理与技术研究两个方面,系统论述了我国航天人因工程的研究应迫切开展的工作及后续发展的思路。     

载人航天任务中的团队协作：挑战与应对策略

载人航天任务是一项复杂的系统工程,需要航天员团队、地面指挥、支持和保障团队的通力协作才能完成。然而,受环境极端、资源匮乏、通信延迟等客观条件的限制,载人航天任务中的团队协作往往面临诸多挑战。在对国内外载人航天任务中的团队协作问题进行系统回顾的基础上,基于人-环境-技术框架总结了载人航天任务环境、团队配置、多团队系统协作、决策支持和交互过程动态监测方面的挑战,并从航天环境、任务团队管理、航天器技术支持等方面梳理了应对这些挑战的策略。     

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。     

立体信息不同缺失水平下基本认知能力在遥操作任务中的作用研究

针对具体的遥操作任务中与遥操作相关的认知功能在不同立体信息缺失水平下对操作绩效、情境意识水平的影响,对24名受试者开展机械臂遥操作模拟任务实验和6项基本认知能力测试,采用相关性分析方法分析了各项认知能力在遥操作任务中的作用。试验结果表明,空间能力、运动控制能力和持续注意水平与任务的完成率以及操作的安全性、高效性紧密相关;注意分配能力、心理旋转能力在局部立体信息缺失的情境下,对保持机械臂遥对接任务的各项绩效指标的稳定、保障任务的顺利完成作用显著。因此,根据任务要求以及航天员自身特点有针对性地开展认知能力训练,合理分配在轨任务,有利于提高训练效果、保障在轨任务的顺利完成。     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化。解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验。     

面向空间机械臂任务验证的硬件在环半物理仿真系统研究

针对空间机械臂在轨任务进行高保真地面仿真和验证的需求,搭建了空间机械臂操作任务验证平台(MTVF)系统。该系统基于硬件在环技术,将空间机械臂动力学仿真模型、两台地面模拟机械臂和测量系统通过实时仿真计算机实现软硬件的整合,具有响应速度快、跟踪精度高的特点。开发了闭环稳定算法和阻抗控制算法以保证MTVF系统的高保真性能,并通过搭建仿真计算模型以及设计地面试验等方法对MTVF系统的性能进行验证,结果表明,该系统能够反映真实微重力环境下空间机械臂的动力学特性,能够实现对真实微重力环境下的空间机械臂在轨操作任务进行高保真的地面试验和验证。     

空间站运营任务安全性评估工作研究

针对空间站运营管理中保证航天员和平台安全的需求,介绍了国际空间站安全性工作组织架构和工程活动实施经验,从我国空间站在轨寿命长、在轨任务多、安全性要求高等特点出发,从与人机工效相关的安全性工作、有效载荷安全性认定、以安全性为中心的维修、风险量化分析与控制、建立运营任务安全性规范体系五个方面提出了空间站运营任务的安全性评估工作思路,可以为我国空间站工程安全性技术体系的建立提供借鉴和参考。     

空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证

为满足空间站机械臂在轨维修需求,实现在轨故障单机快速从整臂中分离,设计了一种通用快速连接装置。该装置在满足空间站机械臂高刚度、大承载要求的前提下,具有空间环境下操作力矩小、操作简便、拆装迅速的特点。快速连接装置由快速连接母组件和快速连接公组件两部分组成,两组件通过膨胀螺栓膨胀施加预紧力实现锁紧,组件对接过程中通过楔形结构配合实现导向和定位。该快速连接装置通过刚度测试、真空高低温环境下膨胀螺栓插拔以及航天员地面人机工效等验证,结果表明该装置可满足空间站机械臂使用要求与在轨维修需求。     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现简

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化.解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验.     

对航天员出舱活动问题的几点初步认识

航天员出舱活动是载人航天持续发展与开展空间科学研究不可缺少的基础技术之一。航天员出舱活动首先必须保证人在宇宙空间生存和工作的能力,能够完成空间设施组装、在轨维修、有效载荷布设等任务。在脐带式出舱活动、机械臂辅助式出舱活动,以及采用载人机动装置出舱活动等三种方式之中,采用载人机动装置的出舱活动显现了许多优点,已成为当今世界载人航天技术研究与发展的一个重方面。     

空间站航天员信息管理技术初步研究

在空间站任务中,由于工程实施的复杂性及其在轨运行的长期性,航天员参与活动是整个任务的关键所在,而围绕航天员的信息管理必将成为其运营的核心技术之一。首先,详细分析了空间站航天员信息来源,进而研究其信息管理模式与软硬件配置需求,最后提出空间站航天员信息管理框架初步设想,可供工程实践参考。     

面向航天员训练的混合现实场景理解方法研究

针对航天员混合现实系统在人机交互过程中尚未实现自主智能诱导的局限性,结合航天器舱内环境的特殊性,构建了一种航天员混合现实空间场景理解原型系统架构,提出了基于深度学习的空间场景自主理解方法,采用合成样本的方法建立了舱内设备数据库,实现了基于深度学习算法的自主舱内设备识别。实验结果表明,对舱内设备识别的mAP值达到79.8%,混合现实空间场景理解原型架构和场景理解方法可以有效解决航天员舱内训练设备操作状态变化的自然识别需求,并实现混合现实虚拟流程的自主引导。     

载人航天领域决策研究方法初探

长期航天飞行任务中航天员在轨面临复杂决策的可能性大大增加.决策是心理学研究的热门领域,现有的决策理论和研究方法主要包括实验室决策研究与自然决策理论指导下的决策研究.总结梳理这些研究方法,有助于选择适用载人航天领域的决策研究方法,推动载人航天领域的决策研究发展,为航天员长期在轨决策提供科学支持.     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。