主动航天服下肢关节电动伺服控制机构研究

提出一种可应用于航天员太空机动作业、骨骼肌能恢复训练以及月面大范围活动的主动航天服概念。在分析航天员行走步态关节运动规律基础上,利用拉格朗日方程建立膝关节和髋关节的动力学模型,并将航天员下肢大小腿与主动航天服机械装置的大小腿进行运动属性参数耦合,从而得到关节动态负载扭矩变化规律,为控制执行机构设计与选型提供理论依据。设计膝关节和髋关节角度反馈PID控制规律,满足航天员行走步态的随动跟踪控制。对膝关节和髋关节电机在抵抗动态负载扭矩情况下的角位移控制仿真表明,电动控制伺服机构方案能够满足航天员步态运动稳定跟踪控制需求,可扩展主动航天服系统的助力携行能力。

主动航天服关节助力外骨骼结构设计及优化

为克服航天服关节阻尼力矩对宇航员未来太空作业、星表探测以及骨骼肌能恢复训练的影响,设计一种可应用于航天服的关节助力外骨骼方案。首先,结合航天服结构分析,研制了第一代关节助力外骨骼样机。其次,根据使用反馈对第一代外骨骼样机进行结构优化,初步确定第二代外骨骼样机的设计模型,利用有限元软件对负重状态下外骨骼样机进行静力学分析及模态分析。最后,进一步优化第二代外骨骼样机的结构尺寸,优化后的整体质量相较于优化前第二代及第一代样机分别下降了19.34%和40.03%,验证了外骨骼样机结构优化方案的可行性。研究结果为主动航天服结构动力学分析和控制系统开发提供理论依据。