基于数值实验的舱外航天服肩法兰布局优化研究

舱外航天服肩法兰对于人体上肢活动能力的限制直接影响着航天服的适体性与工效.为探究肩法兰布局各设计因素与人体上肢活动的相关性,首先分析舱外服肩法兰与人体上肢活动的相互关系,其次在人体上肢可达域运动学模型基础上附加肩法兰约束,建立了肩法兰与人体上肢耦合模型;基于Matlab开展计算机数值实验,以单、双手可达域空间体积作为评...     

航天服肩法兰布局与上肢活动相关性试验

航天服上躯干结构的构成主要包括各个法兰环开口及包络面,在各个法兰开口中,肩法兰是与人体交互作用的关键部位。为探究肩法兰布局的各个设计因素与人体上肢活动的相关性,采用混合水平正交试验方法设计开展试验,利用极差、方差和回归分析等手段,以人体上肢单手操作空间(RVWOH)和双手操作空间(RVWTH)作为评价指标,对航天服肩法兰的4个设计因素进行分析。结果表明肩法兰布局4个设计因素中,角度γ是影响单、双手操作空间的主要因素,以下依次是角度α,内径d和左右肩法兰中心距l;方差分析表明4个因素都对单、双手操作空间有显著或非常显著的影响;单、双手操作空间与4个设计因素关系可以用回归方程表达。通过试验研究确定了航天服肩法兰布局与人体上肢活动的相关性,为其设计及优化提供了依据。     

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。     

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。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

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。     

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。     

飞天舱外航天服适体性设计方法与验证

适体性是舱外航天服工效保障能力的基本要求.为确保出舱活动任务的顺利实施,开展了飞天舱外航天服适体性设计实践.根据飞天舱外航天服的结构构形,确定适体性设计原则,采用被动适体和主动适体融合设计;分析讨论了舱外航天服适体性设计因素,以身高等人体参数作为主要参考数据完成了适体性设计,并开展了无人、有人适体性验证试验.试验结果表...     

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。     

舱外航天服无人低压试验技术研究

舱外航天服是出舱活动过程中保障航天员生存和工效的关键系统,为保证其性能的可靠性和安全性,必须在地面进行全面的验证与测试,且需对系统在模拟低压环境下进行充分的验证试验后方可进行人服系统功能检查。舱外航天服无人低压试验技术是在模拟低压环境下建立一套全面、可行的无人低压试验方法,全面验证飞行产品在低压和空间中可能的运行状态下功能及其动态特性,故障预案与安全措施的合理性,保证人服功能检查的安全性和测试覆盖全面性,并为有人低压检测和航天员的低压训练积累经验。     

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。     

运输机方向舵脚蹬人机工效设计研究

方向舵脚蹬用于飞机的航向操纵,其人机工效设计的优劣,不仅影响驾驶员操纵的可达性与舒适度,也对飞机飞行安全至关重要。通过对人体生理特征和人体生物力学的研究,结合人体舒适坐姿二维简化模型和人体尺寸,对人体下肢操纵可达范围、脚蹬运动行程、踵点设计等进行理论分析和计算,得到运输机方向舵脚蹬的人机工效设计指标参数,并通过人机工效仿真软件进行虚拟仿真,最终得到一些合理、可用的设计参数,为运输机方向舵脚蹬人机工效设计提供理论支持和方法指导。     

飞机弹射救生过程人椅运动仿真

建立了人椅系统运动模型,针对人体结构特点,建立了飞行员上肢3刚体7自由度数学模型．采用Kane方法建立了人体上肢动力学模型,计算了上肢各环节在弹射救生过程中相对转角等,计算结果表明身体上肢甩打过程短暂,整个甩打过程在0．4～0．5s甚至更短的时间内,上肢各关节的转角及由此引起的关节力、力矩即可达到人体的耐受极限,仿真结果显示上肢运动的特征有明显的“鞭打运动”。通过CATIA二次开发方式,对飞机弹射救生过程人体动力学响应特征进行可视化仿真,使设计人员能够直观的获得各种弹射情况下人椅运动规律,提高设计效率？     

基于力矩比优化的航天员舱外活动仿真

提出了一种基于力矩比优化的航天员人体运动控制算法,该算法综合考虑了反向运动学、反向动力学以及人体工效学等因素,避免了单纯从动力学方面求解所带来的虚拟人体动画所隐含的力量冲突,提高了仿真结果的真实性和合理性。研究结果可为航天员舱外活动的设计和考察提供一定的理论指导和技术支持。     

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...     

舱外航天服天线设计及仿真验证

为提高未来新型舱外航天服天线的性能,解决将天线层与服装热防护层共形和使馈电网络适应舱外环境温度的问题,提出采用织物振子天线形式作为舱外航天服天线整体方案,从天线层结构和馈电网络两方面对舱外航天服天线进行结构设计。根据舱外航天服天线安装位置,建立了相应的仿真模型,采用天线辐射体、热防护层及服装整体一体化电磁仿真技术,对其增益覆盖性进行分析。仿真结果表明:背包方案的舱外航天服天线全向性和增益覆盖性性能较好,增益在-12dBi时收发天线的覆盖性可以达到90%以上。     

运输机方向舵脚蹬人机工效设计研究

方向舵脚蹬是飞机航向控制的操纵机构,脚蹬人机工效设计的优劣,不仅影响着驾驶员下肢操纵的可达性与舒适度,同时也对飞机安全驾驶存在一定的安全隐患。运输机方向舵脚蹬设计通过对人体生理特征和人体生物力学的研究,利用经验公式,结合人体舒适坐姿二维简化模型和人体尺寸,对人体下肢操纵可达范围,脚蹬运动行程、踵点设计等进行理论分析和计算,得到运输机方向舵脚蹬的人机工效设计指标参数,并通过人机工效仿真软件进行虚拟仿真,最终得到一些合理、可用的设计参数,为运输机方向舵脚蹬人机工效设计提供理论支持和方法指导。     

3种温度标准下的舱外航天服手套的工效评价试验研究

航天员在进行舱外作业时会受到低温的影响,规划航天服手套的温度工效标准具有重要作用。以力量、疲劳、感知感觉和协调性为工效评价指标,在中指指尖皮肤表面温度为常温、15.6℃和10℃3种温度下试验研究了低温环境对手套作业工效的影响。试验发现:①中指指尖皮肤表面温度控制在15.6℃时,工效受到的影响还不明显。在设计手套时,应保证中指指尖皮肤表面温度控制在15.6℃以上;②中指指尖皮肤表面温度在10℃左右工效受到的影响较为明显,其中感知感觉指标受到的影响较大,然后依次为疲劳、力量和协调性。舱外航天服手套的温度标准对于液冷通风服的设计也具有实用的参考意义。