面向星表探測的航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)概念設(shè)計

王振偉，胥任杰，劉雙印，徐利梅，謝曉梅，范守文

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731）

1 引言

航天服是航天員進行星表與太空作業(yè)的重要生命支撐保障系統(tǒng)。與太空作業(yè)不同，星表作業(yè)要求航天服上下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)都具備較好的運動性和靈活性，以便完成星表行走、探測、維修、搬運等任務(wù)。在內(nèi)壓作用下，航天服多層織物剛性將明顯增強，材質(zhì)物理屬性和力學(xué)特性都將發(fā)生變化，導(dǎo)致航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的運動阻力，增大星表作業(yè)難度。以美國STS航天服為例，在29.67 kPa內(nèi)壓情況下，關(guān)節(jié)運動范圍平均減少約15%［1］。為了提高航天服關(guān)節(jié)活動性，航天服關(guān)節(jié)通常采用織物褶皺［1?2］、活動框架［3?4］和旋轉(zhuǎn)軸承結(jié)構(gòu)［5?6］等，如美國“水星”航天服、“雙子星”航天服、“MARK III”、“Z?1”、“Z?2”、俄羅斯“海鷹”航天服、中國“飛天”航天服等。圍繞航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)，目前許多研究工作主要集中在關(guān)節(jié)設(shè)計［6］、阻力／阻力矩分析［7］、動態(tài)性能計算［8］、實驗測試［9］、 織 物材 料屬性［6，9］、 人機交 互性能［10］等方面。隨著太空探測任務(wù)的不斷深入，對其它天體的星表探測存在較大的任務(wù)需求，例如月球、火星、土星等星表探測，這對航天服下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)研究提出了更高的要求。與膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)相比，作為下肢活動的主要部件，髖關(guān)節(jié)研究相對滯后，有關(guān)的設(shè)計方法與性能分析引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文提出一種硬式冗余自由度航天服旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)系統(tǒng)概念，給出關(guān)節(jié)系統(tǒng)概念設(shè)計依據(jù)和自由度配置方案，分析上下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的運動范圍和包絡(luò)，建立航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的概念設(shè)計模型，并完成運動仿真分析，以驗證方案可行性。

2 航天服整體、上肢及視野的概念設(shè)計

本文提出的航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的概念設(shè)計模型如圖1所示。提出的航天服概念設(shè)計模型主要包括：頭盔、照明攝像系統(tǒng)、生命支撐保障系統(tǒng)、手套、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、上軀干、下軀干、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)、靴子等組件，具有24（2×12）個自由度。本文將重點研究航天服關(guān)節(jié)設(shè)計。

為了提高進出艙效率，采用“后背進入式”的艙門設(shè)計方案，艙門由腰關(guān)節(jié)上部開始，一直延展到頭盔頂部。相比“腰背進入式”的艙門設(shè)計方案，“后背進入式”設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、進出方便、節(jié)省空間、平衡性好等特點，是目前較為認可的設(shè)計方案。

圖1 航天服整體概念設(shè)計模型Fig．1 Conceptual design model of space suit

通常，男用／女用航天服是存在差異的，設(shè)計參數(shù)具有不同的參考要求，如肩寬、腰圍、臀圍等，因此，它們的設(shè)計參數(shù)選取需區(qū)別對待。目前，NASA已建立了面向星表作業(yè)的人機工程設(shè)計參考規(guī)范和文檔，形成了完整的人機功效測試分析方法與流程?？紤]到航天員個體的差異，NASA人機工程設(shè)計規(guī)范很難適用于我國航天服的設(shè)計需求，因此，本文采用我國頒布的有關(guān)人機工程標準或規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)。我國人機工程標準或規(guī)范規(guī)定了較多的參考指標和測量項目，因此需對這些指標和測量項目進行設(shè)計需求的篩選，提取出緊密相關(guān)的設(shè)計參數(shù)項目。這里，選取了與軀干、上肢和下肢關(guān)節(jié)設(shè)計有關(guān)的8個主要數(shù)據(jù)，并以＞95%樣本區(qū)間作為參數(shù)選取依據(jù)，力求最大限度地涵蓋設(shè)計數(shù)據(jù)項。

具體而言，選取了我國《GB／T 10 000－1988人體主要尺寸和立姿人體尺寸數(shù)據(jù)》［11］作為航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)概念設(shè)計的參照標準，選取了我國《GB／T5703－1999人體測量基礎(chǔ)項目》［11］作為關(guān)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的換算分析依據(jù)。根據(jù)該標準的推薦統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在26～35歲區(qū)間，我國成年男性身高主要集中1755～1776 mm區(qū)間，女性身高主要集中在1642～1661 mm區(qū)間?？紤]到該標準頒布時間較早，目前人體身高數(shù)據(jù)可能要比推薦數(shù)據(jù)大一些，這里選取推薦區(qū)間的上限值作為航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)。擬定的男航天員參考設(shè)計身高為1776 mm，女航天員參考設(shè)計身高為1661 mm。然后，運用線性插值法確定其它的主要設(shè)計參數(shù)，具體計算結(jié)果如表1所示?？紤]到男用／女用航天服設(shè)計理論與方法的相似性，下文將主要以男用航天服為對象，論述航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的概念設(shè)計與建模。

表1 航天服的主要設(shè)計參數(shù)Table 1 The main design parameters of space suit ／mm

依據(jù)表1中的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，擬定了航天服上肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)主要包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。其中，肩關(guān)節(jié)設(shè)計為3個自由度，肘和腕關(guān)節(jié)各設(shè)計為1個自由度。設(shè)計參數(shù)指標為：外擺／內(nèi)擺活動范圍為＋180°～－30°、上擺／下擺活動范圍為＋180°～ －45°、前擺／后擺活動范圍為 ＋140°～－40°、下臂與上臂間的彎曲／伸展范圍為＋145°～－0°。通過肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的配合操作，上肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)完成雙手觸頭盔、雙手提物、雙手胸前交叉、雙手舉物、單手觸肩、直臂等動作，具體情況如圖2所示。由于航天服肩關(guān)節(jié)設(shè)計角度尺寸的限制，在單手觸肩動作中，手臂活動極限位置為肩部鎖骨處，未達到肩關(guān)節(jié)的最大位置。因此，軀干與頭盔的設(shè)計需以上述手臂的極限位置作為強尺寸約束，并將照明裝置和攝像裝備布置在上軀干與頭盔連接處的強尺寸范圍內(nèi)。這里，照明與攝像裝備均采用外置人工操控的設(shè)計方案，航天員根據(jù)實際情況進行操作。相比內(nèi)置式設(shè)計方案，外置式方案的照明效果、成像質(zhì)量和控制方式更為靈活、高效。

為了獲得較寬的觀察視野，采用了大直徑球頭盔的設(shè)計方案。此外，大直徑球頭盔的設(shè)計方案，與NASA Z系列的橢球頭盔相比，具有良好加工性、力學(xué)性能和實用性，便于保護罩和遮陽罩的設(shè)計、制造和安裝。頭盔設(shè)計選取了我國《DL／T 575.2－1999直接視野范圍》［11］中的推薦指標作為設(shè)計依據(jù)。具體而言，選取標準中的最大水平觀察視野要求作為頭盔的橫向極限定位尺寸和生命保障支持系統(tǒng)的極限寬度，將雙眼極限范圍設(shè)計為 ＋110°～－110°，將單眼極限范圍設(shè)計為＋140°～－140°，上述參數(shù)范圍涵蓋了最佳水平觀察視野要求（＋55°～－55°）；選取標準中的最大垂直觀察視野要求作為頭盔的縱向極限定位尺寸和生命保障支持系統(tǒng)的極限高度，將頭部垂直極限范圍設(shè)計為＋30°～－40°，其對應(yīng)觀察范圍為＋100°～－90°，上述設(shè)計參數(shù)涵蓋了最佳垂直觀察視野要求（＋50°～－50°），觀察視野范圍分布如圖3所示。

圖2 航天服上肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動作分類Fig．2 Mobility examples of upper limb joints

3 航天服下肢髖關(guān)節(jié)概念設(shè)計

3.1 髖關(guān)節(jié)配置方案

髖關(guān)節(jié)是影響航天服下肢活動的重要部件，它的活動范圍和靈活性將直接影響未來星表作業(yè)的效率和安全性。通常，髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)可采用相同設(shè)計方案，如織物褶皺軟關(guān)節(jié)、硬質(zhì)軸承關(guān)節(jié)或半硬關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是，應(yīng)該根據(jù)它們的功能和作用，選取相應(yīng)的概念設(shè)計方案。肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的主要差別：1）髖關(guān)節(jié)主要功能是承載軀干重量和提供下肢活動能力；除了搬運重物，肩關(guān)節(jié)不承載軀干重量，外界載荷較小且作用時間短，重點是靈活性。2）髖關(guān)節(jié)通常需具備較好的動態(tài)性能，以保證星表作業(yè)的安全性和高效性，最大限度地降低星表作業(yè)的阻力或阻力矩，節(jié)約航天員體能；肩關(guān)節(jié)的平衡性和安全性需求不很明顯，較小的受力承載使得運動阻力和阻力矩較小，有時可以忽略，主要關(guān)注上肢活動的精確性。3）左右肩關(guān)節(jié)的間距相對較遠，互相關(guān)涉概率較小，肩關(guān)節(jié)設(shè)計空間較大，設(shè)計約束較松弛；髖關(guān)節(jié)的左右腿較為接近，互相關(guān)涉問題較為明顯，因此，髖關(guān)節(jié)設(shè)計空間較為狹小，運動空間的約束限制較為嚴格。

圖3 觀察視野Fig．3 View range of space suit

就髖關(guān)節(jié)設(shè)計而言，需考慮星表環(huán)境、任務(wù)需求、平衡性能等因素。對于未來星表探索任務(wù)，航天服下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)可能面臨比地面更大或等量的重量載荷。例如土星引力加速度系數(shù)約為地球引力加速度系數(shù)的2.53倍、木星引力加速度系數(shù)約為地球引力加速度系數(shù)的1.07倍。因此，若采用軟式髖關(guān)節(jié)的設(shè)計方案，由于它的承載能力有限，使得航天員將承擔(dān)大部分航天服自重。相反，硬式髖關(guān)節(jié)則可利用自身結(jié)構(gòu)強度，承擔(dān)航天服自重，減輕航天員載荷負重，甚至可以起到自主支撐的作用。以NASA Z系列為例，其重量范圍為64.9 kg ～71.2 kg［12］，未來火星探測任務(wù)（其引力加速度系數(shù)是地球的0.38倍）中髖關(guān)節(jié)將承擔(dān)24.6 kg～26.9 kg的航天服重量?？梢?，航天服重量載荷是較為明顯的，尤其是高引力系數(shù)的星表探測。

綜上所述，采用硬式髖關(guān)節(jié)的設(shè)計方案是合理的，能較好地滿足低重力星表探測的任務(wù)需求，最終擬定的航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的配置方案如表2所示。此外，硬式關(guān)節(jié)具有較好的動態(tài)特性，能在關(guān)節(jié)活動過程中保持容積不變，避免服內(nèi)壓力波動所引起的阻力與阻力矩，提高關(guān)節(jié)的活動性和靈活性。由于軟式關(guān)節(jié)設(shè)計開發(fā)研究較早，技術(shù)較成熟，已得到了實際應(yīng)用，在此不贅述。下面，主要論述硬式髖關(guān)節(jié)的設(shè)計原理與參數(shù)計算。

表2 航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)配置Table 2 Design scheme of joint system

3.2 髖關(guān)節(jié)方案設(shè)計

針對下肢髖關(guān)節(jié)，提出了“硬式冗余自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”概念設(shè)計方案，以期獲得較為寬泛的活動性和較強的靈活性，如圖4所示。主要包括旋架J0、旋架J1、旋架J2、旋架 J3、若干旋轉(zhuǎn)軸承等部件。在各旋架的上下連接面，分別設(shè)計軸承連接孔和軸承安裝孔，用來實現(xiàn)旋架之間的裝配連接。4個旋架之間通過旋轉(zhuǎn)軸承實現(xiàn)連接。髖關(guān)節(jié)的不同運動狀態(tài)被分解為旋架間的相對旋轉(zhuǎn)運動，即實現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)彎曲運動到旋架相對轉(zhuǎn)動的運動轉(zhuǎn)換。4個旋架采用了“半球冠平面斜截”的設(shè)計方法，即在半球冠上，做通過球冠某一直徑的斜平面，選取斜平面與直徑面之間部分作為旋架模型。4個旋架具有相同的裝配軸，它們都位于初始旋架J0的直徑面切線上。

圖4 硬式髖關(guān)節(jié)概念設(shè)計模型Fig．4 Conceptual design model of hard hip join

由圖4可見，旋架的設(shè)計構(gòu)型比較簡單，主要設(shè)計參數(shù)為：初始旋架J0的半徑R0和斜平面傾角α。根據(jù)表1的設(shè)計參數(shù)，這里令所有旋架具有相同的斜角α＝20°（根據(jù)設(shè)計需要，也可采用不同斜角）。令初始旋架J0為半徑R0＝110 mm。由幾何關(guān)系可知，所有旋架的斜角之和就是髖關(guān)節(jié)運動的極限范圍，因此，髖關(guān)節(jié)運動范圍為＋80°～－80°。在此基礎(chǔ)上，按髖關(guān)節(jié)的彎曲／伸展設(shè)計要求，確定腰關(guān)節(jié)連接安裝面的傾斜角度。令髖關(guān)節(jié)的彎曲／伸展的設(shè)計要求為140°／20°，則下軀干腰關(guān)節(jié)連接面的外傾斜角度為20°。

下面，將討論各旋架的軸承連接孔設(shè)計尺寸的計算公式。根據(jù)髖關(guān)節(jié)的概念設(shè)計模型，在髖關(guān)節(jié)各旋架軸承安裝孔中心處，分別建立相應(yīng)的局部坐標系（xi， yi， zi），i＝ 1，2，3，4。 在旋架 J0的軸承安裝孔中心處，建立全局坐標系（x，y，z），坐標系統(tǒng)分布如圖5所示。

由于髖關(guān)節(jié)為球冠對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)旋架軸承安裝孔平面為xy平面，各旋架軸承安裝孔中心設(shè)為相應(yīng)坐標系的原點。初始狀態(tài)下，所有坐標的yz坐標面處于同一個平面，即各個坐標系的x軸相互平行。從設(shè)計構(gòu)型來看，這是髖關(guān)節(jié)的極限運動狀態(tài)。另外，分別連接旋架軸承連接孔中心與軸承安裝孔中心，形成了各旋架中心矢量Hi，i＝1，2，3，4。設(shè)各旋架中心矢徑Hi與相應(yīng)的局部坐標系（xi， yi， zi）的 z軸夾角分別為 θi。 連接全局坐標系原點O和旋架J4的軸承連接孔中心C，形成了方位矢量S。令各旋架球冠半徑Ri，i＝1，2，3，4。由旋架上下連接面的幾何關(guān)系，可得到各旋架軸承連接孔的設(shè)計尺寸為：R1＝R0cosθ1，R2＝R1cosθ2，R3＝ R2cosθ3，R4＝ R3cosθ4。

觀察上述各式，通過算式迭代，可得旋架軸承連接孔尺寸的計算公式如式（1）所示：

依據(jù)髖關(guān)節(jié)數(shù)學(xué)模型（圖5），可對髖關(guān)節(jié)自由度進行分析。從運動原理來講，髖關(guān)節(jié)各旋架的運動可看作為剛體定軸轉(zhuǎn)動，且各旋架軸承連接孔中心矢量長度不變，只是旋轉(zhuǎn)姿態(tài)各不同。因此，髖關(guān)節(jié)運動狀態(tài)可采用空間多剛體系統(tǒng)理論進行分析計算。為了獲得髖關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，采用歐拉角描述各旋架的運動姿態(tài)。設(shè)歐拉角分別為進動角φ、章動角θ和自旋角ω。這樣，各旋架姿態(tài)可表達為（φi， θi， ωi），i＝1，2，3，4。 由旋架J0與基座的連接關(guān)系，旋架J0上局部坐標（x1， y1， z1）與全局坐標系（x， y， z）相重合，其 z坐標軸為旋架固定旋轉(zhuǎn)軸。因此，旋架J0的姿態(tài)為（0，0，w1），w1為獨立自由變量。 旋架 J1 上的局部坐標系（x2， y2， z2）相對全局坐標系（x， y，z）進行定軸轉(zhuǎn)動，初始狀態(tài)下它們的x軸是相互平行的，旋架J2圍繞局部坐標系的z2軸定軸旋轉(zhuǎn)。 因此，旋架 J1 的姿態(tài)為（0， θ1， w1），w2為獨立自由變量。同理，可分別得到旋架J2和J3的姿態(tài)（0， θ1＋ θ2， w3）和（0， θ1＋ θ2＋ θ3， w4），其中w3和w4為獨立自由變量。

綜上，硬式旋轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)設(shè)計方案具備4個獨立自由變量 w1、w2、w3和 w4，或者說存在一個冗余自由度。因此，空間任意方位向量S可表達為式（2）：

其中，Ti和分別為對應(yīng)旋架相對全局坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和中心矢量Hi在相應(yīng)局部坐標系中的相對矢量。由空間坐標變換和矢量關(guān)系，可以得到Ti和表達式如公式（3）：

將公式（3）帶入公式（2），便可得到方位向量S計算表達式。然后，采用數(shù)值計算方法，獲得髖關(guān)節(jié)任意空間方位向量所對應(yīng)各旋架的姿態(tài)解。旋架姿態(tài)通常采用數(shù)值計算方法，從而得到姿態(tài)的數(shù)值解。限于篇幅原因，具體數(shù)值計算過程不再討論，詳細數(shù)值計算方法和過程可參見多剛體系統(tǒng)文獻［13］和［14］。

在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，基于Pro／E三維建模和仿真系統(tǒng)進行了航天服下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的仿真驗證。所提出的航天服下肢系統(tǒng)可實現(xiàn)步態(tài)行走、屈膝下蹲、雙手拾物、外展、內(nèi)收、內(nèi)彎等活動，具體的仿真驗證結(jié)果如圖6所示?？梢姡O(shè)計概念模型滿足下肢運動的指標要求。需要指出，在雙手拾物動作中，由于設(shè)定腰關(guān)節(jié)活動范圍為＋5°～－5°，因此上肢運動范圍略短。針對不同作業(yè)距離要求，需將腰關(guān)節(jié)活動范圍適當(dāng)增大。理論上講，由于髖關(guān)節(jié)存在4個自由度，就任意空間方位矢量S而言，4個旋架可能存在3組不同的姿態(tài)解，即（wi，wj，wk），i≠j≠k，i，j，k ＝ 1，2，3，4。這是由冗余自由度所引起的不定解現(xiàn)象。冗余自由度設(shè)計方法不但可滿足髖關(guān)節(jié)3個旋轉(zhuǎn)運動需求，而且極大地改善了髖關(guān)節(jié)的活動性和靈活性。但是，冗余自由度的存在可能導(dǎo)致機構(gòu)運動的不確定性，也可能導(dǎo)致旋架與外界物體的意外接觸。因此，應(yīng)盡量將各旋架的運動包絡(luò)限制在合理范圍內(nèi)。由公式（1）可知，所提出的髖關(guān)節(jié)旋架軸承連接孔的最大直徑是依次遞減，最大包絡(luò)面直徑為2R0，具有明確的極限運動范圍。因此，髖關(guān)節(jié)運動是完全可控的。

圖6 航天服下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動作示例Fig．6 Mobility examples of lower limb joint

綜上，所提出的硬式冗余自由度旋轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)設(shè)計方案是合理、可行的，滿足星表作業(yè)環(huán)境下的航天服下肢活動需求。

4 結(jié)論

1）針對未來星表作業(yè)，提出了硬式冗余自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)概念設(shè)計模型。它由肩、肘、腕、髖、腰、膝、踝等關(guān)節(jié)組成，共具有24（2×12）個自由度，可完成頭盔放置／摘取、胸前工作臺器具操作、雙手抬舉物體、單手觸肩、直臂取物等上肢活動，滿足未來星表作業(yè)上肢運動需求。

2）以航天服下肢髖關(guān)節(jié)為對象，提出了“半球冠斜平面截取”的硬式關(guān)節(jié)設(shè)計方法，給出了髖關(guān)節(jié)重要尺寸的設(shè)計與計算方法，完成了髖關(guān)節(jié)的冗余自由度分析。仿真表明，所提出的髖關(guān)節(jié)可實現(xiàn)步態(tài)行走、屈膝下蹲、雙手取物、內(nèi)收、外展、內(nèi)彎等下肢活動。

3）未來工作主要集中在航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，以及生命支撐保障系統(tǒng)的重心平衡設(shè)計，為航天服關(guān)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

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