基于步态行走的航天服关节技术研究进展

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。

基于能量法的波纹管式航天服关节阻力矩分析

根据最小势能原理,推导了考虑波纹壳体弹性变形的阻力矩方程,得出了波纹管式关节阻力矩与转角的关系,所得到的结果与力平衡法的结果吻合的很好,验证了该文方法的有效性。然后根据该文推导出的关系式,对关节几何参数和壳体的弹性变形对阻力矩大小的影响进行了分析。分析结果表明,在半径不变的情况下,增加波纹弧长或减小波纹间距可降低关节的阻力矩,在一定转角范围内波纹壳体的弹性变形对关节阻力矩的影响很小。

航天服软关节寿命影响因子分析与试验研究

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。

航天服典型关节人服匹配试验研究

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。

基于Abaqus的航天服波纹式肘关节有限元仿真平台开发

为提高航天服肘关节结构设计的高效性与便捷性,开发了高度集成化的航天服波纹式肘关节有限元仿真分析平台。首先,考虑材料特性、几何尺寸以及人服接触等因素,建立了参数化的仿真模型;然后,基于改进的Preisach模型,提出了复杂运动历程中关节阻力矩的预测方法;最后,通过Abaqus软件预留接口将参数化仿真模型与阻力矩预测方法进行了集成,并设计了可视化的图形界面。采用该平台对航天服波纹式肘关节进行仿真分析,得到了阻力矩-转角迟滞特性曲线,在此基础上对复杂运动历程下的阻力矩进行了预测,预测结果与仿真结果的最大误差小于5%。结果表明:该仿真平台能够有效求解关节阻力矩特性,实现阻力矩的快速预测。