CN104677628A - 一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，包括机架、驱动单元和旋转部，所述驱动单元设于所述机架，所述机架上连接有航天服上肢，所述航天服上肢通过法兰单元与所述旋转部连接，所述旋转部与所述驱动单元相连接。本发明的测试装置通过物理方法模拟人的上肢运动，实现了对舱外航天服上肢的快速的寿命周期的测试。

Description

一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置

技术领域

本发明涉及舱外航天服的寿命实验装置，具体涉及一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置。

背景技术

舱外航天服是航天员舱外活动中的最重要生命保护装备。在航天服的使用周期中，航天服上肢包括肩关节与肘关节两个重要部位，都是用多层织物采用叠褶或平褶波纹结构使其可以弯曲，同时，在肘关节附近设置了轴承提供一定角度旋转的自由度。在保证自由度的同时还要通过织物实现密封。因此手臂部分的活动往往使上肢多次弯曲致使材料疲劳最终造成漏气而失效。所以在航天服研制中，对上述关键部位的部件进行寿命试验是非常必要的。

由于航天服上肢的活动寿命都在数十万次以上，所以人工试验的方法获取航天服寿命数据显然是不可取的。如何能够更快速、准确地获得对舱外航天服的关节运动部位的寿命试验结果，目前主要有以下几种方式：

文献“航天服柔性单关节测试系统的研究”，机械制造，2008(3)，设计了航天服柔性单关节测试系统，系统采用外置式直接测量方法，具有两个移动和一个转动自由度。两个移动自由度由导轨-滑块机构来实现，转动自由度处安装有光电码盘测量关节的转动角度，末端安装有力矩传感器测量关节阻尼力矩。该装置采用导轨-滑块机构驱动航天服上肢单关节驱动，用于柔性关节阻尼力矩的检测。这种装置也能驱动航天服的一个关节运动，但是速度缓慢，结构复杂，其本身的寿命低于航天服的运动寿命，显然不能用于航天服运动寿命的检测试验。

发明专利(CN102303315B)公开了一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法，该装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分。柔性机械臂本体一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置安装在摆动气缸的摆动法兰盘上。摆动气缸的转动角度由光电编码器检测，无杆移动气缸的位移由线性光栅尺检测。在柔性机械臂固定端粘贴有多片压电陶瓷片分别作为压电片传感器和压电驱动器，自由端安装一只加速度传感器。压电传感器或加速度传感器可检测柔性机械臂的振动。但是该装置涉及直线运动与平面移动，不能直接应用于舱外航天服上肢肩关节和肘关节运动寿命测试。

因此，目前的测试装置普遍存在通用性不强的缺陷，且安全性亟待改善，而且试验过程易对宇航服上肢产生损坏。并且测试难度普遍较大、操作较费事，而且对不同种类不同尺寸的舱外航天服上肢进行测试时，往往需人工进行调整测试，准确性亟待提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，旨在实现对舱外航天服上肢的肩关节和肘关节运动寿命的快速试验。

本发明采用的技术方案具体为：

一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，包括机架、驱动单元和旋转部，所述驱动单元设于所述机架，所述机架上连接有航天服上肢，所述航天服上肢通过法兰单元与所述旋转部连接，所述旋转部与所述驱动单元相连接。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述机架包括机架主体、底板和上肢固定架，所述底板固定于所述机架主体，所述驱动单元和所述上肢固定架设于所述底板。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述驱动单元为气动驱动机构，所述气动驱动机构通过转动圆盘与所述旋转部相连接。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述旋转部包括第一旋转单元和第二旋转单元，所述法兰单元包括第一法兰和第二法兰，所述第一旋转单元、第二旋转单元分别通过所述第一法兰、所述第二法兰与所述航天服上肢的第一关节部和第二关节部相连接，所述第一关节部和所述第二关节部分别置于所述上肢固定架的第一侧和第二侧。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述第一旋转单元包括第一连接杆件、第二连接杆件和第一直线轴承组件，所述第一连接杆件的第一端与所述驱动单元相连接，所述第一直线轴承组件包括第一带座直线轴承和第一带法兰直线轴承，所述第一连接杆件的第二端与所述第一带法兰直线轴承相连接，所述第一带法兰直线轴承通过所述第二连接杆件与所述第一带座直线轴承相连接，所述第一带座直线轴承通过第一法兰连接至所述第一关节部。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述第一带座直线轴承中贯穿有第一驱动杆，所述第一驱动杆通过所述第一法兰与所述第一关节部相连接,所述第一关节部通过轴承夹紧环与所述上肢固定架相连接。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述第二旋转单元包括第三连接杆件、第四连接杆件和第二直线轴承组件，所述第三连接杆件的第一端与所述驱动单元相连接，所述第二直线轴承组件包括第二带法兰直线轴承和第二带座直线轴承，所述第三连接杆件的第二端与所述第二带法兰直线轴承相连接，所述第二带法兰直线轴承通过所述第四连接杆件与所述第二带座直线轴承相连接，所述第二带座直线轴承通过第二法兰连接至所述第二关节部。

在上述用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置中，所述第二带座直线轴承中贯穿有第二驱动杆，所述第二驱动杆通过所述第二法兰与所述第二关节部相连接,所述第二关节部通过轴承夹紧环与所述上肢固定架相连接。

本发明产生的有益效果是：

本发明的航天服关节运动寿命测试装置通过物理方法模拟人的上肢运动，通过航天服上肢代替人体上肢对舱外航天服的肩关节和肘关节进行寿命试验，真实地模拟出肩关节和肘关节的运动，快速地完成高强度的寿命试验，而且试验数据还可以为后续技术的研发和应用获得检测的数据；

本发明实现了舱外航天服的上肢与测试装置的连接，上肢固定架使其不会产生脱落，因此试验对舱外航天服的上肢组件不会产生机械损伤，且本发明可对不同臂长的舱外航天服上肢进行测试，通用性强，具控制阀的控制易于实现，在无损伤且试验成本小的前提下，获得了对舱外航天服的肩关节和肘关节的寿命试验数据。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置的结构示意图；

图2为本发明一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置的机架主体的结构示意图；

图3为本发明一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置的底座的结构示意图；

图4为本发明一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置的旋转部(第一或第二旋转单元)的结构示意图；

图5为航天服的上肢固定架的结构示意图；

图6为航天服的第一法兰的结构示意图；

图7是航天服的第二法兰的结构示意图；

图8是航天服的轴承夹紧环的结构示意图；

图9是图8的A-A视图。

图中：

机架主体100、第一旋转单元200、第二旋转单元300、航天服上肢600；

空气压缩机1、气管2、(摆动缸固定螺栓)螺栓一3、腕部卡箍4、螺钉一5、上肢固定螺栓6、上肢固定架7、轴承夹紧环8、螺钉二9、肩部连接螺栓10、肩部连接环11、螺栓二12、底板13、摆动气缸14、旋转方管15、第一带法兰直线轴承16、立杆17、立杆盘18、螺钉三19、螺钉四20、第一带座直线轴承21；第一驱动杆22、第一法兰23；第二法兰24、第二驱动杆25。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，包括机架、设于机架的驱动单元和旋转部，机架上连接有航天服上肢，航天服上肢通过驱动法兰单元与旋转部连接，旋转部与驱动单元相连接。

图3所示，机架主要包括机架主体100、底板13和上肢固定架7；其中：机架主体100为L型框架结构，机架主体100上固定有底板13，底板13中间设有若干个(4个)用于连接上肢固定架7的通孔a，通孔a的两侧各设有若干个(2个)用于连接摆动气缸14的长条形孔b，并且，长形孔b的横向有一定的长度，用于调节摆动气缸14与上肢固定架7之间的距离。

如图2所示，上肢固定架7通过螺栓二12固定在底板13的中部，作为驱动单元的气动驱动机构的两个摆动气缸14分别通过螺栓一3及螺母固定于底板13两侧的长条形孔b上。

第一旋转单元200和第二旋转单元300结构类似，以第一旋转单元200为例，如图4所示，包括由摆动气缸14提供驱动力的驱动单元、作为第一连接杆件的立杆17、作为第二连接杆件的旋转方管15(优选为矩形钢管)以及第一直线轴承组；其中：

旋转方管15的一端设有若干个(4个)通孔，通过螺钉三19与摆动气缸14上的转动圆盘连接，旋转方管15的另一端也设有若干个(4个)通孔，通过螺栓与带法兰的直线轴承16底部连接。立杆17优选为圆轴，其上端焊接有方形立杆盘18，立杆盘18上设有通孔(四角设有4个通孔)，立杆17的一端插入第一带法兰直线轴承16中，另一通过螺钉四20将第一带座直线轴承21固定于立杆盘18上。

进一步如图2、图5所示，上肢固定架7为一L形支架，其底部为宽度方向较窄的长方形平板，平板其上设有若干个(4个)通孔，用于通过螺栓二12与底板13相连接；支架的垂直方向为立板，立板上部为圆环的凸字形板，立板下部则与底部的长方形平板焊接，长方形平板与立板的连接处可以优选用筋板加固；立板上部的圆环上沿圆周设有若干个(4个)通孔，各个通孔的分布圆直径及其位置与轴承夹紧环8上的通孔相匹配，具体如图8-9所示，轴承夹紧环8的结构为两个半圆环，每个半圆环径向外侧设有两个开有通孔的凸台，通孔的大小和位置与立板上部圆环上的通孔相匹配，便于和上肢固定架7连接；轴承夹紧环8的半圆环的两端处也留有凸台，在该凸台上沿分界面垂直方向上两侧可以各设有一个通孔d和螺孔e，便于通过螺钉二9将两个半圆结构连接在一起。

轴承夹紧环8的径向内侧设置了凹槽圆环，凹槽圆环的直径以及宽度与航天服上肢600的肘部轴承的直径和宽度相匹配，从而使得轴承夹紧环8卡在航天服上肢600的肘部轴承外圆面上并夹紧。

航天服上肢600的第一关节部(对应于航天员的肩部关节)和第二关节部(对应于航天员的肘部关节)的内端通过轴承夹紧环8与上肢固定架相连接，外端分别通过第一法兰23和第二法兰24连接至第一驱动杆22和第二驱动杆25；其中：

第一法兰23的结构如图6所示，法兰的主体为圆盘，沿圆周分布有若干通孔，圆盘的外侧中心焊接有第一驱动杆22，内侧设置凹槽，用于将第一法兰23卡于肩部；肩部连接环11为一圆环，圆环上沿圆周也布置有通孔，通孔的位置与尺寸与第一法兰23的通孔相匹配，将肩部连接环11套在航天服上肢600上的第一关节部，然后通过肩部连接螺栓10及螺母将第一法兰23和肩部连接环11固定在一起。

第二法兰24的结构如图7，所示，法兰主体也为圆盘，沿圆周分布有若干通孔，圆盘的外侧中心焊接有光轴做成的第二驱动杆25，圆盘的外圆上设置环形凹槽，首先将航天服上肢600的腕部织物套于第二法兰24的外圆上，然后将腕部卡箍4套至环形凹槽的部位，用螺钉一5将其拧紧，从而使航天服上肢600的第二关节部与第二法兰24固定在一起。

如图1所示，航天服上肢600的肘部轴承上安装轴承夹紧环8，并通过螺钉二9夹紧，再用上肢固定螺栓6将其固定于上肢固定架7上，从而航天服上肢600被固定在机架100的中间位置。航天服上肢600的第二关节部连接于第二法兰24上，与第二法兰24连接的第二驱动杆25插入到第二旋转单元300的第一带座直线轴承21中。航天服上肢600的第一关节部套有肩部连接环11，并与第一法兰23通过肩部连接螺栓10及螺母固定，第一驱动杆22插入到第一旋转单元200的第一带座直线轴承21中。

航天服上肢600的两部分(即第一关节部和第二关节部)分别连接有驱动机构，本发明中，驱动机构优选为气动驱动机构，气动驱动机构包括空气压缩机1和两个摆动气缸14，空气压缩机1通过两个电磁换向阀分别与两个摆动气缸14相连接，分别使航天服上肢600的肩关节和肘关节做弯曲和伸展运动，从而实现多次运动试验其寿命的目的。如图1所示，空气压缩机1通过通气软管2提供气源，在电磁换向阀的控制下，通过肩关节肘关节的摆动气缸交替工作，从而模拟人上肢的动作，具体地：

当三位五通气动换向电磁阀F1、三位五通气动换向电磁阀F2在中位时，舱外航天服上肢处于自然伸展状态；

当三位五通气动换向电磁阀F1的电磁铁1D通电时，与第一旋转单元200连接的摆动气缸14的转动圆盘顺时针转动，通过相连接的旋转方管15，带动第一带法兰直线轴承16、立杆17、第一带座直线轴承21一起摆动，从而驱动第一驱动杆22跟随摆动，使航天服上肢600的肩关节伸直，在此过程中，立杆17可以在第一带法兰直线轴承16中转动，第一驱动杆22可以在第一带座直线轴承21中滑动，从而避免了运动的卡阻；

当三位五通气动换向电磁阀F1的电磁铁2D通电时，与第一旋转单元200连接的摆动气缸14逆时针摆动，使舱外航天服上肢600的肩关节弯曲；

同样地，当三位五通气动换向电磁阀F2的电磁铁3D通电时，与第二旋转单元300连接的摆动气缸14顺时针转动，使舱外服上肢600的肘关节弯曲；

当三位五通气动换向电磁阀F2的电磁铁4D通电时，与第二旋转单元300连接的摆动气缸14逆时针转动，使舱外航天服上肢600的肘关节伸直。

这样一来，通过电控系统控制四个电磁铁交替通电、断电，就能实现航天服上肢600的肩关节和肘关节交替弯曲、伸直，从而实现航天服上肢关节寿命试验的机械驱动。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，包括机架、驱动单元和旋转部，所述驱动单元设于所述机架，所述机架上连接有航天服上肢，所述航天服上肢通过法兰单元与所述旋转部连接，所述旋转部与所述驱动单元相连接。

2.根据权利要求1所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述机架包括机架主体、底板和上肢固定架，所述底板固定于所述机架主体，所述驱动单元和所述上肢固定架设于所述底板。

3.根据权利要求1所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述驱动单元为气动驱动机构，所述气动驱动机构通过转动圆盘与所述旋转部相连接。

4.根据权利要求2所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述旋转部包括第一旋转单元和第二旋转单元，所述法兰单元包括第一法兰和第二法兰，所述第一旋转单元、第二旋转单元分别通过所述第一法兰、所述第二法兰与所述航天服上肢的第一关节部和第二关节部相连接，所述第一关节部和所述第二关节部分别置于所述上肢固定架的第一侧和第二侧。

5.根据权利要求4所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述第一旋转单元包括第一连接杆件、第二连接杆件和第一直线轴承组件，所述第一连接杆件的第一端与所述驱动单元相连接，所述第一直线轴承组件包括第一带座直线轴承和第一带法兰直线轴承， 所述第一连接杆件的第二端与所述第一带法兰直线轴承相连接，所述第一带法兰直线轴承通过所述第二连接杆件与所述第一带座直线轴承相连接，所述第一带座直线轴承通过第一法兰连接至所述第一关节部。

6.根据权利要求5所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述第一带座直线轴承中贯穿有第一驱动杆，所述第一驱动杆通过所述第一法兰与所述第一关节部相连接,所述第一关节部通过轴承夹紧环与所述上肢固定架相连接。

7.根据权利要求4所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述第二旋转单元包括第三连接杆件、第四连接杆件和第二直线轴承组件，所述第三连接杆件的第一端与所述驱动单元相连接，所述第二直线轴承组件包括第二带法兰直线轴承和第二带座直线轴承，所述第三连接杆件的第二端与所述第二带法兰直线轴承相连接，所述第二带法兰直线轴承通过所述第四连接杆件与所述第二带座直线轴承相连接，所述第二带座直线轴承通过第二法兰连接至所述第二关节部。

8.根据权利要求7所述的用于舱外航天服的关节运动寿命测试装置，其特征在于，所述第二带座直线轴承中贯穿有第二驱动杆，所述第二驱动杆通过所述第二法兰与所述第二关节部相连接,所述第二关节部通过轴承夹紧环与所述上肢固定架相连接。