舱外航天手套关节阻尼的建模与测量

针对EVA手套(Extra Vehicular Activity Glove,舱外航天手套)弯曲时产生的皱褶现象,采用几何近似的方法对该现象进行几何建模型,通过分析皱褶的应力状态以及因Brazier效应产生的体积变化,获得了关节弯曲角度与外力、内部压力之间的关系。该关系表明EVA手套与刚性梁具有不同的弯曲模式。为避免内置式测量的缺点,利用平行四边形连杆和齿轮的组合设计了一种外骨骼机构。该机构能在EVA手套的背部驱动其产生模拟人手弯曲和伸展运动,同时位于指尖的力传感器输出运动过程中的阻尼力,该阻尼力可达8N并具有滞后特性。最后将理论计算的功与外骨骼机构做功进行比较,验证了褶皱建模的有效性。

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。

舱外航天服手套关节力学特性测试系统

根据机器人学原理,提出了基于测量机械手的舱外航天服手套关节力学特性测试系统的测量原理。设计了基于平行四边形连杆的外骨骼式测量机械手,该机械手刚度大,指节长度可调节,能够围绕航天服手套实现包络运动,且机械手可双向驱动。根据机械手的结构特点,建立了其运动学模型。针对舱外航天服手套柔性关节的转动特性建立了手套二自由度手指的数学模型。最后以基于高速浮点DSP的PCI控制卡为核心建立了测量机械手的控制系统。

舱外航天服手套对手指力学影响的仿真研究

受到舱外航天服手套(EVA glove)关节处余压(航天服内外的压差)和编织物挤压的影响,航天员舱外作业时手部力量下降明显,严重降低了力学工效。为了解航天员在舱外作业时手套余压对手部肌肉和关节的力学影响,本文对手部抓握动作的运动解剖学和生物力学特点进行了分析,建立了食指抓握模型,即指骨关节采用铰链连接,有7块肌肉作为手指抓握动力单元,并采用Hill肌肉模型计算。使用ANSYS建立了包含骨骼、肌肉在内的食指及手套的三维有限元静力模型,并验证了此模型。应用此模型计算戴有不同尺寸手套情况下的肌肉力,结果表明,在手套余压的影响下,要达到裸手正常抓握时手指对物体的压力,手指肌肉应力需增大到正常情况的5.4倍,手指抓握力大部分被用于克服手套余压的影响。且手套与手指的间隙越小,余压对手指肌肉的力学影响就越小。本文的研究结果对航天员手套设计提供了一定的理论依据。