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基于步态行走的航天服关节技术研究进展

航天医学与医学工程 2019年第4期32卷 370-376页

作者：刘东岳杨洪瑞罗诗瑶冉倩尚坤马加炉中国航天员科研训练中心

基于步态行走的先进航天服是面向地外探测任务的主要防护系统。结合地外探测任务的需求分析,回顾了航天服关节技术发展历程。在此基础上,总结了平地行走、慢跑等9种航天服下肢典型动作,以及适用于步态行走的运动学和动力学分析方法。针... 详细信息

基于步态行走的先进航天服是面向地外探测任务的主要防护系统。结合地外探测任务的需求分析,回顾了航天服关节技术发展历程。在此基础上,总结了平地行走、慢跑等9种航天服下肢典型动作,以及适用于步态行走的运动学和动力学分析方法。针对典型动作的复杂程度,归纳了不同的腰、髋、膝、踝等关节自由度配置和结构设计方案。最后,提出了短期可能实现的腰轴承、髋关节等重点研究内容,为未来航天服活动关节设计提供参考。

关键词：航天服关节步态行走星际探索低重力

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航天服典型关节人服匹配试验研究

航天医学与医学工程 2020年第1期33卷 22-27页

作者：何剑张万欣李猛尚坤湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室北京100094

目的研究人服匹配因素(包括肘关节旋转中心位置、人服几何匹配度)对人服典型关节耦合运动的影响,了解人服耦合力学特性。方法采用内置式测量方法进行试验,受试者穿戴航天服上肢组件在负压舱内指定位置完成肘关节屈曲运动,使用惯性运动... 详细信息

目的研究人服匹配因素(包括肘关节旋转中心位置、人服几何匹配度)对人服典型关节耦合运动的影响,了解人服耦合力学特性。方法采用内置式测量方法进行试验,受试者穿戴航天服上肢组件在负压舱内指定位置完成肘关节屈曲运动,使用惯性运动捕捉系统与压力测量系统,分别采集人体运动数据与人服接触力的数据,并对测量结果进行分析。结果人服耦合运动受到人服匹配因素的影响,受试者在4个位置肘关节屈曲40°时的平均力矩分别为3.7565N·m、2.8561N·m、2.9113N·m和4.0129N·m,屈曲过程消耗的能量平均为1.769J、1.565J、1.176J和1.982J。航天服关节阻尼力矩与围度比线性相关,相关系数r=0.7315。结论航天服关节中间位置与人体肘关节旋转中心匹配时活动性能较好,较小的前臂围着服工况运动时受到的关节阻尼力矩较小,人服耦合力学特性与人服匹配因素密切相关。

关键词：航天服关节内置法接触力人服匹配阻尼力矩

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航天服软关节寿命影响因子分析与试验研究

航天医学与医学工程 2014年第2期27卷 134-137页

作者：张新军李潭秋刘向阳谢广辉贺双喜刘西刚中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室北京100094

目的研究航天服关节气密层的失效形式,分析并试验研究气密层成型工艺、材料、结构形态对气密层活动寿命的影响。方法观察气密层破损处的电镜扫描结果与气密层运动状态分析失效形式,利用对比试验分析各个因素对关节寿命影响,对各个因素... 详细信息

目的研究航天服关节气密层的失效形式,分析并试验研究气密层成型工艺、材料、结构形态对气密层活动寿命的影响。方法观察气密层破损处的电镜扫描结果与气密层运动状态分析失效形式,利用对比试验分析各个因素对关节寿命影响,对各个因素的影响程度利用Bayes公式进行修正。结果气密层破损处位于褶皱产生处,周边无明显摩擦痕迹,冷粘接、热合成型样件活动寿命3万次左右,整体成型样件寿命达到10万次。结论得到了样件的活动寿命,气密层失效形式为弯折挤压失效,对气密层寿命影响因素的先验影响程度进行了矫正,结构形态的影响占有更大比例。验证了聚氨酯整体成型工艺的可行性,为先进舱外航天服关节研制提供气密层设计依据。

关键词：航天服关节聚氨酯气密层活动寿命失效形式分析先验信息矫正

舱外航天服—航天员下肢系统动力学建模与仿真

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舱外航天服—航天员下肢系统动力学建模与仿真

作者：林如海电子科技大学

学位级别：硕士

随着载人航天技术和深空探测技术的发展,未来航天员在月球、火星等地外星体表面开展资源勘探、基地建设和科学实验等出舱活动将是载人空间探测的重要组成部分。充压航天服为航天员出舱活动提供生命安全保障的同时,由于关节阻力矩的存在... 详细信息

随着载人航天技术和深空探测技术的发展,未来航天员在月球、火星等地外星体表面开展资源勘探、基地建设和科学实验等出舱活动将是载人空间探测的重要组成部分。充压航天服为航天员出舱活动提供生命安全保障的同时,由于关节阻力矩的存在,将增加航天员的工作负荷、降低其工作效率。因此,航天服活动性是航天服设计时需要考虑的重要因素之一。前期航天服设计中主要针对航天服上肢关节系统的活动性能展开,对航天服下肢系统活动性的关注度较少。未来地外星体表面长时间、远距离出舱活动将要求航天服下肢系统具有足够的活动性能。本文主要围绕舱外航天服-航天员下肢系统的动力学问题展开研究,旨在为设计关节和改善航天服活动性提供参考。首先,本文针对人体步态行走,结合人体生理结构,配置了具有步态行走能力的航天服下肢关节活动自由度。考虑到星表探测过程中肢体动作的多样性,进而优化配置下肢关节系统为12个自由度。根据配置的关节自由度,开展了航天服下肢各关节概念模型设计,为航天服下肢关节系统的设计与性能分析奠定基础。其次,在建立舱外航天服-航天员下肢系统物理模型的基础上,本文采用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法对下肢系统进行了正逆运动学分析,给出了下肢系统单腿关节转角的逆解求解方法,并进行实例验证。接着,基于建立的物理模型,采用拉格朗日方程方法对未着服航天员下肢系统进行动力学分析,计算下肢各关节的力矩信息。同时,以美国舱外航天服为例,考虑航天服质量、惯量及具有迟滞性的充压航天服关节阻力矩,建立着服航天员下肢系统的动力学模型,分析航天服对航天员步态行走过程中关节力矩的影响。最后,在ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)仿真平台上,建立未着服和着服航天员下肢系统3D模型,进行相应的动力学仿真分析,得到下肢各关节处的关节力矩。仿真结果与理论分析结果基本一致,验证了理论模型的准确性。在一个步态周期内,着服较未着服时航天员髋关节、膝关节及踝关节所做的功分别增加了205%、134%和95%,验证了充压航天服对航天员各个关节活动性的影响。

关键词：航天服关节运动学分析动力学建模拉格朗日方程动力学仿真

下肢外骨骼关节的迟滞阻力建模与控制技术研究

同方学位论文库评论

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下肢外骨骼关节的迟滞阻力建模与控制技术研究

作者：郝培鹏电子科技大学

学位级别：硕士

航天外骨骼辅助系统主要是运用机械结构、传感信息、控制系统、新能源和新开发的材料等技术,搭建航天员的运动和作业辅助系统,它能够主动感知和获取航天员的运动状态和运动趋势,提高航天员在月球表面的舱外活动能力。外骨骼登月助力服... 详细信息

航天外骨骼辅助系统主要是运用机械结构、传感信息、控制系统、新能源和新开发的材料等技术,搭建航天员的运动和作业辅助系统,它能够主动感知和获取航天员的运动状态和运动趋势,提高航天员在月球表面的舱外活动能力。外骨骼登月助力服是为了使航天员更好地完成月面行走、运输货物等舱外工作。本文主要研究舱外航天服-航天员下肢系统的问题,使将来航天员可以在月球表面更方便地活动,完成各种月球表面任务。(1)从人体生理结构的角度出发,研究人体下肢的行走步态及各关节构成。分析了航天员在月表低重力环境下的一些典型作业任务,根据任务确定了下肢各关节活动所需自由度。并进行了对下肢各关节的电机驱动选型,简单介绍了外骨骼试验平台的一些硬件。(2)对人体下肢采用D-H参数法进行了运动学分析,并通过MATLAB中的Simulink模块验证了正运动学与逆运动学的有效性。后面详细介绍了Preisach模型,研究了单关节阻力矩测量方法,建立了用于测量单关节阻尼力矩的充气棒模型,最后得出了航天员下肢髋关节以及膝关节的迟滞阻尼力矩图。结果表明,一个步态周期内航天服下肢关节阻力对航天员产生了较大阻力。通过该研究,引入宇航服迟滞阻力动力学约束,可以为将来航天服外骨骼控制的实施提供重要的理论基础。(3)先介绍了几种常见的动力学建模方法及特点,并推导出了下肢外骨骼雅克比矩阵方程,得到了关节速度与末端位置微分之间的关系,通过分析不同的动力学建模方法优缺点,最后采用了拉格朗日动力学建模方法,得到了机器人的运动轨迹与关节驱动力矩之间的数学关系,后通过建立人机耦合力矩模型确立了人机交互力矩的计算公式,为后面的控制系统设计奠定基础。(4)在外骨骼机器人与穿戴者之间建立了控制系统模型,对于下肢外骨骼机器人的控制部分,先是研究了PID控制与重力补偿,采用了阻抗控制算法,根据仿真结果显示选取不同的阻抗参数对控制效果有很大影响,经过选择得出一组具有良好控制效果的阻抗参数。对于下肢步态数据,用MATLAB进行了步态数据拟合,对步态曲线进行了ADAMS运动仿真,介绍了一种适用于下肢助力外骨骼机器人的自适应学习方法,将其与阻抗控制相结合,得到了一种变参数阻抗控制方法,仿真表明下肢关节实际位移与期望位移之间的误差很小,表明了系统的跟随精度高,最后通过实验对控制算法的性能以及外骨骼机器人的助力效果进行了验证。

关键词：航天服关节 preisach迟滞模型控制算法动力学建模仿真