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。     

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。     

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。     

航天服硬式髋关节耦合机构建模与运动分析

为提高航天服下肢活动的灵活性,给出一种耦合硬质髋关节的机构模型、表达参数及约束条件。根据机构设计原理,建立大腿-髋关节耦合的混合机构模型,完成机构自由度的计算。采用矢量表达法,建立大腿-髋关节机构的平面运动方程,完成髋关节机构的运动计算与分析。结果表明:髋关节概念模型与人体下肢具有相同的自由度,建立的机构运动方程与实际人体大腿的运动形式相一致,髋关节机构模型是合理可行的。     

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。     

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。     

“飞天”舱外航天服便携式生保系统研制

介绍我国研制的"飞天"舱外航天服便携式生保系统的方案原理与组成,突破的关键技术及系统达到的技术指标,并给出飞行试验验证结果。     

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。     

自由漂浮空间机器人点到点避奇异运动控制方法

针对具有冗余机械臂的自由漂浮空间机器人（Free Floating Space Robot, FFSR）点到点避免奇异性规划和控制问题,提出了一种冗余FFSR的点到点避免奇异控制方法。首先,该方法基于离散状态依赖李卡提方程（DSDRE）控制器设计方法,利用FFSR的动力学和运动学方程实现了FFSR系统方程的伪线性重构;然后,基于伪线性重构系统及DSDRE状态调节器设计方法实现了FFSR的关节角速度和末端位姿的同时跟踪控制;其次,根据跟踪控制器对FFSR广义雅克比矩阵（GJM）行满秩的设计要求,定义FFSR的奇异性判别依据,构造了避奇异约束函数;再次,由于冗余FFSR系统具有多逆运动学解特点,考虑关节角及关节角速度约束,结合避奇异约束函数设计了FFSR的期望轨迹在线规划器,进一步将设计的跟踪控制器与规划器相结合提出了冗余FFSR末端点到点避奇异运动控制方法。最后,为验证所提方法的有效性同时考虑简化计算,采用平面4连杆FFSR模型进行数值仿真,仿真结果表明所提点到点避奇异运动控制方法能够有效实现冗余FFSR系统的点到点避奇异运动。     

硬式空中加油机发展趋势及设计技术分析

空中加油技术在一定程度上体现了一国空军实力,该技术一直受到广泛关注。本文综述了硬式空中 加油机的发展情况,提出了硬式空中加油机的划代概念。结合五代空中加油机的特点和性能,给出硬式空中加油机的主要技术特征,指出硬式空中加油技术的发展趋势,总结出硬式加油装置研究的总体布局设计技术、结构和机构设计技术、控制系统设计技术等关键技术,为未来装备变革提供技术支撑。     

基于知识的可扩展飞机概念设计环境原型研究(英文)

由于飞机概念设计阶段所涉及任务的高度复杂性和多学科集成性,知识和经验成为设计师开展设计任务的基础。即使针对同一个设计任务,不同的设计师仍需要适合他们自己的设计知识、方法和工具来满足其个体要求。针对以上需求本文提出了一种基于知识的可扩展的构建飞机概念设计系统的方法。基于这种方法建立了具有开放式框架基于知识的飞机概念设计环境KEACDE。设计师应用此环境可以封装集成所需的设计分析组件并构建针对不同需求的飞机概念设计系统。定义了KEACDE的系统框架,知识组件封装方法和可扩展基础数据库建立方法。应用KEACDE实现了一个民用飞机概念设计系统的构建。最后给出了民用飞机设计实例以说明系统的可行性。     

惯性冗余系统奇偶向量法故障检测与识别技术研究

为使惯性冗余系统达到故障检测与识别的功能,本文对惯性冗余系统的奇偶向量在有、无故障的不一致情况进行了研究,介绍了单自由度惯性仪表和双自由度惯性仪表广义似然比故障检测与隔离方法,通过对奇偶向量的分析及仿真,给出了最优化故障检测与隔离算法,该结果表明,采用奇偶向量法确实可以提高冗余惯性系统的故障检测与识别的性能,可以解决其软故障的检测能力。     

多源冗余容错导航计算系统的设计与实现

常规无人机在余度配置传感器的信号处理、余度管理、故障检测与隔离等环节占用飞控计算机过多运算资源,增加了飞控计算机的整体负荷,致使全系统可靠性降低;与此同时,传统的传感器余度配置方案和导航计算机余度设计在工程中存在方案不完备和实时性较差等局限性。鉴于此,提出一种多源冗余容错导航计算系统的解决方案,给出系统的软硬件设计方法,并基于非相似余度技术设计多源冗余传感器硬件和软件滤波算法,采用双CPU+FPGA的架构设计多源冗余容错导航计算机硬件平台以及模块化软件架构,实现了系统的软硬件的开发。经过实际测试和试验,验证了系统具有通信速率快、可靠性高和稳定性好等特点,满足了高可靠性飞控系统对新型组合惯导的需求。     

基于集成研发平台的直升机概念设计系统研究

直升机概念设计模式的转变使传统直升机概念设计工具无法满足现代直升机概念设计的业务要求。通过对现有直升机概念设计模式的研究和概念设计工具发展规律的分析,提炼出当今直升机概念设计对设计工具的具体需求。同时,在此基础上,以集成研发平台(SYSWARE-TDE/IDE和EDM)为框架,设计了支持直升机概念阶段的多学科优化设计系统。分析了该系统的应用场景,提出了该系统关键技术的解决途径,给出了后续研究工作的建议。     

基于肌肉神经活跃度反馈的航天服关节助力技术研究

为解决航天服隔离助力系统与人体造成的人机运动协同问题,提出了基于肌肉神经活跃度建模的肌力特征识别方法,从肌电信号(EMG)量化分析了肌肉发力水平,而后根据肌肉实时发力意图对助力系统进行动力学控制,实现了航天员、航天服与助力系统的协同运动。最后,通过穿戴式柔索传动系统模拟了航天服肘关节助力工效实验,对基于肌肉神经活跃度的关节助力技术进行了验证。     

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。     

一个超冗余度移动操作臂机器人系统的实现与运动控制

冗余度或超冗余度移动操作臂机器人可在空间站上为宇航员提供很大的帮助.对一个超冗余度移动操作臂机器人系统的设计和实现作了介绍,这个系统由一个8自由度的模块机器人和一个1自由度的电机驱动的导轨组成;对该系统的逆运动学解法进行了讨论,提出了一种基于避关节极限与位形优化的简化逆运动学控制方法;并提供了仿真和实验结果.     

基于交替联合迭代的关节电机滑模控制参数整定方法

机器人关节电机的控制器参数整定是实现系统良好控制性能的前提。提出了一种基于交替联合迭代的关节电机滑模控制器参数整定方法。设计了永磁同步关节电机的电磁参数,并设计了PID电流环控制器和滑模速度环控制器结合的滑模PID控制器。利用工程整定方法初步整定滑模速度环控制器的参数;增设冗余PID速度环控制器,对其参数进行整定,以冗余PID速度环控制器和滑模速度环控制器作用于系统时的输出转速为迭代变量,交替选择速度环控制器参数进行联合迭代,完成滑模速度环控制器参数的整定。利用MATLAB/Simulink软件对系统进行仿真,证明方法具有较高的整定效率,可使关节电机控制系统获得良好的控制性能。     

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...     

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。