航天员舱内虚拟训练体验质量评价试验研究

针对虚拟训练系统的体验质量问题,采用用户主观评价的方法,从多个维度设计指标,选取典型的虚拟训练任务,设计了用户体验试验,对航天员舱内导航与操作虚拟训练系统的体验质量展开了评价。结果表明,用户总体体验满意度较高,系统能够模拟逼真的环境,带给用户身临其境的感觉,且用户自觉虚拟训练有实效;但也存在诱发生理不适,交互设备使用不自然的问题,需要进一步完善。

航天员舱外作业动力学建模与仿真方法研究

航天员舱外作业是建造和维护空间站等载人航天任务的重要基础,计算机仿真支持下的动力学研究则是航天员舱外作业能力分析的关键。从航天员舱外太空作业的物理背景入手,讨论其研究难点,在深入分析现有研究的基础上,提出一套支持航天员舱外作业动力学建模与仿真的方法,并通过一个航天员搬运载荷的例子验证了其可行性。

模拟航天任务的操作者功能状态研究

为研究情绪状态、疲劳状态下模拟航天任务的操作者功能状态变化规律,使用MATB模拟航天任务平台,设计包含了任务负荷、情绪视频刺激和疲劳积累因素的实验。招募15名参试者,通过行为学绩效和脑力负荷评价来研究操作者任务过程中的功能状态变化。发现在同一任务负荷状态下,负性情绪刺激下的脑力负荷评分上升、任务正确率下降和任务反应时上升,积极情绪刺激下的脑力负荷评分和任务绩效较中性情绪刺激有改善。高疲劳刺激下的任务绩效和脑力负荷评分均较低疲劳状态恶化,负性情绪恶化程度远高于积极情绪。表明航天任务需尽量避免航天员陷入负性情绪状态,防止功能状态下降;积极情绪状态和适宜任务负荷状态下的操作者易于实现较高绩效和中等脑力负荷水平,通过施加积极情绪刺激,能够改善高疲劳状态下脑力负荷和任务绩效的恶化程度。

带力反馈的星球探测机器人遥操作虚拟训练系统

针对星球探测机器人操作难度大、控制流程复杂的问题,开发了具有力觉反馈的遥操作虚拟训练系统,包括力反馈手控器和虚拟现实系统,用于训练操作,改善控制策略。虚拟场景使用Unity3D开发,以重构机器人、控制箱及环境。引入力觉反馈以增强了临场感。通过操控反馈力实验及遥操作任务实验来评估本系统,结果表明:虚拟场景计算的反馈力准确,误差小于±0.4 N;设计的地面爬坡、翻越楼梯、避障入库及机械臂抓取等遥操作任务均可有效完成。

苯甲酸钠浓度对乙二醇-水溶液中3A21铝合金电化学行为的影响

目的研究乙二醇-水溶液中苯甲酸钠(SB)含量对3A21铝合金腐蚀的影响,为预测长期服役且含苯甲酸钠的乙二醇-水溶液体系的腐蚀变化规律提供数据支撑。方法以乙二醇质量分数为36%的乙二醇-水溶液为基础体系,通过SEM表征3A21铝合金腐蚀前后的微观组织结构,利用开路电位(OCP)、交流阻抗谱(EIS)和动电位极化技术,研究3A21铝合金在苯甲酸钠质量分数为0~1.80%的溶液中的电化学腐蚀行为。结果当苯甲酸钠质量分数为0~1.80%时,随体系中苯甲酸钠含量的增加,3A21铝合金的自腐蚀电流密度逐渐减小,当苯甲酸钠质量分数大于1.40%后,自腐蚀电流密度不再显著降低。当苯甲酸钠质量分数为0~1.40%时,自腐蚀电流密度由0时的409.89 nA/cm^(2)减小至1.40%时的220.92 nA/cm^(2);电荷转移电阻逐渐增大,由0时的112.45 kΩ/cm^(2)增加至1.40%时的204.82 kΩ/cm^(2)。对3A21铝合金表面形貌SEM测试,苯甲酸钠的加入能有效抑制3A21铝合金的腐蚀,苯甲酸钠质量分数为1.40%时,对3A21铝合金的腐蚀抑制效果较好。结论苯甲酸钠的引入能够降低3A21铝合金在乙二醇-水溶液中的腐蚀速率,在0~1.40%范围内,随着乙二醇-水溶液中苯甲酸钠浓度的增大,其对3A21铝合金的腐蚀抑制效果呈现增强的趋势。

基于fNIRS技术的脑机接口研究

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)作为一种无损光学脑成像技术,可用于构建脑机接口(brain-computer interface,BCI)以识别操作者肢体控制意图.利用fNIRS技术测量11位参试者的手臂伸展、腿部伸展和手指敲击的前额皮层(prefrontal cortex,PFC)和运动功能皮层(motor cortex,MC)的血氧变化信号,并利用fNIRS的生理特征和支持向量机建立fNIRS-BCI分类器.结果表明手臂伸展、手指敲击和腿部伸展的四分类fNIRS-BCI平均正确率分别为89.32%,、88.66%,和91.35%,;fNIRS-BCI的运动想象动作的分类正确率不低于运动执行动作;3种任务范式的混淆矩阵分析结果表明:运动想象诱发的脑功能活动与同侧肢体的运动执行、对侧肢体的运动想象活动产生混淆,3种任务范式的同侧运动想象和运动执行的血氧数据检验结果存在显著差异.因此,fNIRS-BCI能有效识别运动想象和运动执行活动,且运动想象和运动执行活动的血氧数据变化具有可分性.

骶髂融合治疗下腰痛的生物力学效应

目的基于有限元方法,建立骶髂关节融合和接触的模型,比较两模型的生物力学差异,探究骶髂融合治疗下腰痛的生物力学机理。方法构建包含骨盆环、骶骨、部分股骨、关节软骨和关节连接的骨盆有限元模型两例,分别设定骶髂关节连接为接触和融合,探究在500 N载荷下,两例模型中骨盆环特别是骶髂关节处力学传导的差异。结果在融合条件下骶髂软骨承受的应力及位移明显低于接触条件,在双侧骶髂软骨处尤为明显,其中左骶骨关节处,位移由0.83 mm减低为0.23 mm,减低幅度达约261%,等效应力由6.6 MPa减低至5.0 MPa,减低约32%。但融合条件下,骨盆环应力的传递相对更集中。结论骶髂融合可能提供较好的疼痛治疗效果,但同时必须谨慎评估伴发骨盆损伤和股骨头损伤的危险性。

H_2O对空间站5A分子筛CO_2去除性能影响

为进一步研究分子筛CO2去除系统应用于空间站的工作可靠性和鲁棒性,针对空间站4床分子筛(4-BMS)系统中可能出现的湿度失效保护问题展开了实验研究.测试了两种载人航天分子筛材料TC-5A与PSA-5A,研究了不同相对湿度对CO2吸附性能的影响;比较了相同湿度条件下,进口气体CO2浓度、粒径及吸附温度的变化对分子筛吸附CO2性能的影响,采用不同实验方法探究了H2O和CO2在两种分子筛材料中的竞争吸附关系.结果表明:PSA-5A吸附CO2性能优于TC-5A,但对H2O的吸附率略低于TC-5A.H2O的存在对分子筛吸附CO2影响非常大,空气中相对湿度达到60%时,分子筛基本失去了吸附CO2的能力.此外,温度升高会造成CO2的吸附量显著下降,但对H2O的吸附量影响相对较小,尤其是当相对湿度较高时.这对中国未来长期运行的空间站分子筛CO2去除系统工作有效性与工作鲁棒性的评价具有指导意义.

手控交会对接任务认知行为建模

载人航天器的手控交会对接因为有航天员的参与而显得十分复杂,须开展交会对接过程中人的认知行为建模,以确保任务的成功率和控制的灵活性。通过对手控交会对接任务认知行为和操作绩效的分析,基于一种QN-ACTR认知体系框架,提出了将认知行为融入于人机交互的建模方法;建立了符合手控交会对接操作的认知行为模型;进行了模型进行有效性仿真验证;表明了此建模方法可以将人的行为绩效视为人机系统绩效的补充并进行交互的整体分析。

基于显示器特性的彩色对比敏感度测试

为了获得人眼视觉特性并直接指导工程设计和工效学评价等应用,基于显示器广泛使用的RGB颜色空间,提出了一种彩色对比敏感度定义。首先,生成了彩色对比敏感度阈值测量方法,然后,采集了12名被测试者先后两次每次3个颜色变量10个空间频率的彩色对比敏感度阈值。最后,通过Pearson检验分析先后两次测量结果的相关性,同时绘制出该人群R、G、B三种颜色变量彩色对比敏感度曲线。先后两次测量结果显著相关,R、G、B三种颜色变量对比敏感度曲线变化趋势相似,在空间频率为0.1和0.2cycle/degree时,分辨阈限显著升高,且R变量分辨阈值整体高于G变量和B变量分辨阈值。测量方法稳定可靠,在极低空间频率时,被测试者分辨阈限较高,对红色核心颜色差异分辨力较弱。

光质对钝顶螺旋藻放氧效率及抗氧化剂含量影响的研究

为探究光质对螺旋藻放氧效率及抗氧化剂含量的影响规律,从而为CELSS中螺旋藻高效培养光照系统的建立提供理论基础,开展了钝顶螺旋藻在红、蓝、绿、黄、白五种LED光质处理下的培养实验,分析了不同光质对其生长速率、放氧效率和SOD、黄酮、VE、藻蓝素和类胡萝卜素五种抗氧化剂含量的影响规律。实验结果如下:1)红光处理下螺旋藻放氧效率可达161.7 mg·L^(-1)·k W^(-1)·h^(-1),较白光处理提高了32.64%,而黄光、绿光和蓝光处理下均低于70 mg·L^(-1)·k W^(-1)·h^(-1);2)蓝光处理下SOD活性、黄酮和VE含量最高,比白光处理分别提高了24.20%、57.45%和35.45%;绿光处理下藻蓝素含量最高,可达74.50 mg·g^(-1)。因此,红光最有利于螺旋藻放氧,可以作为螺旋藻培养光源的主要光质。蓝光有利于SOD、黄酮和VE合成,绿光有利于藻蓝素合成,可以作为光源的补充光质。

我国月球基地受控生态生保系统物质流调控分析研究

针对载人深空探测和月球火星等地外星球定居与开发对生保物资持续再生供应的需求,基于国内外多年的载人航天受控生态生保技术研究经验和我国的载人航天发展形势,提出未来我国月球基地环控生保系统的基本规模、驻留人员和时间等边界约束条件设想(乘组规模约为6人,大气、水、食物及废物循环闭合度分别为100%、100%、95%和95%),以此为基础进行了其中大气、水、食物和废物等物质流配置的分析与计算,并提出其动态平衡调控方案。该工作以期为将来在我国的月球基地等环控生保系统中实现物质流的长期高效与安全可靠调控发挥参考作用。

机械臂遥操作任务过程脑力负荷研究

脑力负荷是影响机械臂遥操作绩效的重要因素,通过提取机械臂遥操作过程的自发脑电功率谱特征以及非线性动力学特征,结合机械臂遥操作的三阶段操作理论,分析了操作过程脑力负荷变化规律,以及各阶段的主要认知负荷来源。实验表明:自发脑电功率谱指标能有效评估遥操作过程被试的脑力负荷水平,非线性指标能有效评估思维活动水平。在遥操作中,脑电功率谱能量逐渐向高频段转移,脑力负荷水平逐渐升高;前两阶段的非线性动力学特征值显著高于最后阶段,在第二阶段达到最大,与被试的思维活动强度变化规律相同。前两阶段被试脑力负荷主要来源于空间认知,第三阶段负荷主要来源于距离和角度偏差认知及任务压力。根据遥操作任务过程的脑力负荷变化规律及负荷的主要来源针对性提供信息补偿,完善任务设计,可降低航天员在各个阶段的脑力负荷水平,对保障遥操作任务的完成有一定指导意义。

脑力疲劳对视觉选择性注意影响的研究

为探究人的脑力疲劳对其视觉选择性注意的影响,开展监控作业系统人机工效设计试验。以32名男性为被试,采用140 min记忆刷新试验任务(2-back任务)模拟监控作业诱发脑力疲劳,然后采用2×3因素设计的中心线索提示范式模拟自动告警测量选择性注意能力,通过分析行为学及脑电(EEG)数据,研究脑力疲劳对视觉选择性注意的影响。结果表明:140 min 2-back任务诱发了脑力疲劳,脑力疲劳状态下,中心线索提示范式中的无效线索和目标刺激的疲劳效应最强,有效线索和干扰刺激的疲劳效应最弱,被试的选择性注意任务绩效下降、P300潜伏期显著延长、幅值显著减小,脑力疲劳对视觉选择性注意能力有负性影响。

小型高速离心风机气动噪声数值模拟方法研究

针对载人航天飞行任务中环控生保系统对于空间噪声控制的要求,以某型号小型高速离心风机为研究对象,分析气动噪声产生机理,构建三维模型,运用ANSYS Fluent软件,采用RNGκ-ε模型、DES模型、LES模型进行瞬态数值仿真计算。对离心风机进行噪声试验研究,根据离心风机在轨实际工况,得到不同含氧率下的气动噪声分布情况。研究结果表明:气动噪声的噪声源主要位于风机蜗壳及蜗舌处。LES模型与试验结果吻合最好。工作在纯氧下的离心风机比空气下噪声高约1.81%。文中所得结果可以用于载人航天上行风机设备的噪声仿真及地面试验,为小型高速离心风机降噪设计提供参考依据。

高速冲击问题的SPH粒子接触算法三维数值计算

光滑粒子流体动力学方法模拟高速冲击问题时通常采用连续速度算法来计算子弹和靶板的接触,但当子弹和靶板分离时,该算法存在缺陷;为解决高速冲击中的接触问题,基于SPH粒子接触算法,分别对球头钢弹斜冲击钢板和平头钢弹正冲击钢板的过程进行了三维数值计算;通过在SPH粒子上施加接触力的方式计算子弹和靶板发生接触时的接触作用;将SPH粒子接触算法、LS-DYNA970算法、SPH连续速度算法的计算结果和实验结果进行了对比,表明SPH粒子接触算法能够适用于正冲击、斜冲击、复杂接触面的问题。

基于小波变换共空间模式的脑电信号解码

针对运动想象脑电信号实现任务少、识别准确率低等问题,提出了一种基于小波包分解的共空间模式脑电信号特征提取方法。该方法通过长短期记忆网络进行脑电信号解码,采用独立成分分析的方法将运动想象信号进行盲源分离,采用小波包分解方法将每个通道脑电信号按频率分为8组。计算每组信号的功率值,采用递归特性消除方法去除对分类不重要的10个节点特征,将被选择的节点信号采用1对1共空间模式提取空域特征,将特征矩阵输入长短期记忆网络进行脑电信号解码,得到4类运动想象信号分类结果。采用本文方法对公开的脑机接口竞赛数据集(包括左手想象信号、右手想象信号、舌头想象信号、双脚想象信号)前3位受试者数据进行验证,结果表明:本文方法的识别准确率分别为90.28%、94.25%、96.55%,平均识别准确率达到93.69%。与其他方法对比,本文方法识别准确率较高。用识别的脑电信号作为解码控制信号,控制虚拟太空环境中的空间机械臂顺时针或逆时针运动,达到抓取空间中目标物体的目的。

多生理信号信息融合技术的情绪识别发展

近年来,焦虑、抑郁症的发生率大幅增加,有效识别情绪并对负面情绪进行及时干预和排解显得尤为必要。现阶段情绪识别的研究主要有针对非生理信号和生理信号的识别。其中,生理信号采集的数据更为客观。随着便携式、可穿戴设备的快速发展,基于生理信号的情绪识别显示出广阔的应用前景。由于利用单一生理信号对情绪分类准确率的提升陷入了瓶颈,不少学者开始研究融合多种生理信号进行情绪识别。本文从基于生理信号的情绪识别、信息融合、分类等方面,梳理了近年来多生理信号在情绪识别领域的发展进程和研究现状,并归纳总结了目前存在的主要问题和挑战。

影响机械臂遥操作的认知功能分析

研究遥操作过程涉及到的认知行为,识别影响遥操作任务绩效的认知功能,有助于建立空间遥操作的人因可靠性分析体系,并保障在轨遥操作任务顺利完成。结合国内外研究,着重分析遥操作与情境意识、空间转换、感知觉三者之间的关系,并结合具体遥操作任务剖析各项认知功能在操作过程各个阶段的影响作用;针对情境意识、空间转换、感知觉等认知功能对NASA的机械臂遥操作训练指标进行分类梳理;最后提出了未来从认知层面开展空间遥操作研究时应该注意的问题,并从视觉信息呈现、认知功能变化和人为失误预测等方向对未来遥操作研究进行展望。

基于模仿学习的变刚度人机协作搬运控制

针对人-机器人协作搬运,现有的控制策略难以同时保证搬运过程的柔顺性和搬运终点位置的精确性,而且对不同搬运任务适应性不够.基于模仿学习提出变刚度协作搬运控制策略.使用任务参数化的高斯混合模型(TP-GMM)对多次搬运示教数据进行编码,学习不同搬运工况下的搬运轨迹概率模型;结合导纳控制建立机械臂末端变刚度交互模型,实现柔性搬运操作,并基于交互力阈值实现不同搬运任务的切换;搭建协作搬运平台进行实验验证.实验结果表明,提出的策略在实现柔性协作搬运的同时将特定搬运任务的终点位置精度提高到1.9 mm,且保证了特定搬运任务中机械臂末端在期望区域内运动以及搬运任务的切换.