CN104913925B - 一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置，包括机架和设于所述机架底板的驱动机构和固定机构；其中：所述驱动机构包括肩部驱动机构和肘部驱动机构，所述固定机构设于机架底板的中心，所述肩部驱动机构和所述肘部驱动机构分别置于所述固定机构的两侧；舱外航天服上肢安装于所述固定机构，所述舱外航天服上肢内置有关节臂。通过置于航天服上肢内部的关节臂使得对于航天服而言，力矩是通过内置臂传递给航天服上肢，更符合航天服使用的特征进而使航天服的寿命试验结果更接近于真实情况。

Description

一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置

技术领域

本发明涉及一种航天服的检测技术领域，具体涉及一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置。

背景技术

作为航天员在舱外活动中的最重要生命保护装备，舱外航天服在其使用过程中，其失效的基本表现形式是“手臂的活动使上肢弯曲，多次弯曲致使材料疲劳，材料疲劳达到一定程度时最终造成漏气”。所以对于航天服的研制，预先知道航天服上肢的弯曲相关部件的寿命是尤为重要的。

目前的研究在普遍采用的较为可靠的办法是通过试验的方法获取能表征其寿命的数据。由于航天服上肢的活动寿命都在数十万次的级别，所以用人工试验的方法获取航天服寿命数据显然是不可取的。目前对于获取数据的实验装置的研究包括：

论文“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，其中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。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运动寿命测试。

航天服上肢包括肩关节与肘关节两个重要部位，都是由高抗拉强度，但不可弯曲和压缩的材料制作，通过多片材料构成平褶式、波纹式或者橘瓣式结构使其可以弯曲。在进行舱外航天服上肢运动寿命测试时，用外力驱动弯曲关节，模拟人的上肢运动，但是由于服装上肢内部没有手臂，肩关节及肘关节被弯曲或伸展时，其运动的中心会发生随机变化，与人穿戴航天服时手臂带动航天服上肢运动时情形不一致，造成试验结果不可靠。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置，旨在使得对舱外航天服上肢运动的寿命试验过程中，其力矩传递更加接近实际使用状态。

本发明采用的技术方案具体为：

一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置，包括机架和设于所述机架底板的驱动机构和固定机构；其中：

所述驱动机构包括肩部驱动机构和肘部驱动机构，所述固定机构设于机架底板的中心，所述肩部驱动机构和所述肘部驱动机构分别置于所述固定机构的两侧；

舱外航天服上肢安装于所述固定机构，所述舱外航天服上肢内置有关节臂。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述关节臂包括依次相连的肩部固定臂、上臂轴套、上臂轴和小臂，两端的肩部固定臂和小臂分别通过肩部驱动轴和腕部驱动轴插入所述肩部驱动机构和所述肘部驱动机构的直线轴承内。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述肩部固定臂通过第一连接单元与肩部驱动轴相连接，所述第一连接单元包括肩部驱动盘和肩部法兰，所述肩部驱动轴焊接于所述肩部驱动盘的第一侧的圆心处，所述肩部驱动盘沿圆周方向分布有若干通孔，所述肩部法兰的第一侧分布有位置和尺寸均与所述通孔相对应的螺纹孔，螺钉一穿过与其匹配的通孔、螺纹孔结构，将所述肩部驱动盘和所述肩部法兰相连接。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述肩部法兰的第二侧中心设有凹槽，在凹槽内沿圆周方向分布有用于与肩部固定臂相连接阶梯状沉孔。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述肩部固定臂为阶梯状圆柱一，所述阶梯状圆柱一的大端圆柱的端面上沿圆周方向分布于若干个螺纹孔m，螺纹孔m的位置和尺寸均与所述肩部法兰阶梯状沉孔相对应，沉头内六角螺钉一穿过与其匹配的螺纹孔m、阶梯状沉孔结构，将所述肩部法兰与所述肩部固定臂相连接，所述阶梯状圆柱一的小端端头设有用于和上臂轴套相连接的径向通孔a。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述上臂轴套为一端为叉状结构的圆筒，所述叉状结构的两个支叉之间的尺寸与所述肩部固定臂的小端圆柱的底面直径相匹配，所述两个支叉沿圆筒径向分别设有通孔b，所述通孔b与所述径向通孔a的位置、尺寸均相对应，销轴一插入与其匹配的径向通孔b、通孔a中，将所述上臂轴套和所述肩部固定臂相连接，所述销轴一通过开口销二固定，所述圆筒端设有用于和所述上臂轴实现相连接的径向通孔c。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述上臂轴为一端带开口叉的阶梯状圆柱二，所述阶梯状圆柱二的小端圆柱段的直径与所述上臂轴套的圆筒内径相匹配，所述小端圆柱段沿轴向开有长条通孔d，所述小端圆柱段以间隙配合的方式插入上臂轴套的圆筒内，固定销沿径向插于上臂轴套的径向通孔c以及上臂轴的长条通孔d中，使上臂轴的小圆柱段在上臂轴套的圆筒中伸缩，阶梯状圆柱二的大端为开口叉结构，开口叉结构的两个开口端分别设有用于和所述小臂实现连接的通孔e。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述小臂为阶梯状圆柱三，所述阶梯状圆柱三的小端圆柱的末端沿轴向铣有一个具有一定长度的平面，该平面上设有径向通孔f，所述径向通孔f的位置、尺寸均与所述上臂轴上的通孔e相对应，将所述阶梯状圆柱三的小端圆柱的小端圆柱以间隙配合的方式插入所述上臂轴的开口叉内，将销轴二插入与其匹配的通孔e、径向通孔f，将所述小臂与所述上臂轴相连接，所述销轴二通过开口销一固定。

在上述舱外航天服上肢关节寿命试验装置中，所述阶梯状圆柱三的大端圆柱通过第二连接单元与腕部驱动轴相连接；具体地：

所述第二连接单元包括腕部驱动盘和腕部法兰，所述腕部驱动轴焊接于所述腕部驱动盘的第一侧的圆心处，所述腕部驱动盘沿圆周方向分布有若干通孔，所述腕部法兰的第二侧分布有位置和尺寸均与通孔相对应的螺纹孔，螺钉二穿过与其匹配的通孔、螺纹孔结构，将所述腕部驱动盘和所述腕部法兰相连接。

所述阶梯状圆柱三的大端圆柱的端面沿圆周方向分布有若干个螺纹孔n，所述螺纹孔n的位置和尺寸与所述腕部法兰的阶梯状沉孔相对应；

所述腕部法兰的第一侧设有凹槽，凹槽内沿圆周设有阶梯形沉孔，阶梯形沉孔的位置和尺寸与大端圆柱上的螺纹孔n相对应，将沉头内六角螺钉二拧入与其匹配的螺纹孔n、阶梯形沉孔，将所述腕部法兰和所述小臂相连接。

本发明产生的有益效果是：

本发明的试验装置通过引入一个置于航天服上肢内部的关节臂，设计出包含的内置臂的骨架机构，通过将航天服上肢的肩部、腕部分别与肩部法兰、腕部法兰固定，当从外力驱动系统驱动关节运动时，对于航天服而言，力矩是通过其内置的关节臂传递给航天服上肢，更符合航天服使用的特征从而使得使航天服的寿命试验结果更贴近实际。

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是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的结构示意图；

图2是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的关节臂的结构示意图；

图3是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的结构示意图；

图4-1是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的肩部固定臂的结构示意图；

图4-2是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的上臂套的结构示意图；

图5-1是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的上臂轴的结构示意图；

图5-2是本发明一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的小臂结构示意图。

图中：

100、机架 200、肩部驱动机构 300、肘部驱动机构 400、关节臂 500、固定机构600、航天服上肢；

1、沉头内六角螺钉一 2、肩部驱动轴 3、肩部驱动盘 4、螺钉一 5、肩部法兰 6、肩部固定臂 7、销轴一 8、上臂轴套 9、固定销 10、上臂轴 11、销轴二 12、小臂 13、螺钉二14、腕部驱动盘 15、腕部驱动轴 16、腕部法兰 17、沉头内六角螺钉二 18、开口销一 19、开口销二；

径向通孔：a、c、f；

通孔：b、e、；

长条通孔：d；

螺纹孔：m、n。

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所示的一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置，主要包括机架100、肩部驱动机构200、肘部驱动机构300、舱外航天服的固定机构500、航天服上肢600以及置于其内的关节臂400以及；其中：

机架100是由水平方向的底板和垂直方向的立板构成的L型框架结构，固定机构500固定于底板的中部，肩部驱动机构200和肘部驱动机构300位于舱外航天服固定机构500的两侧，也固定于底板，关节臂400两端的肩部驱动轴2和腕部驱动轴15(参照图2)分别插入肩部驱动机构200和肘部驱动机构300的直线轴承内，即完成了一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置的安装。

如图2所示，关节臂400主要包括依次相连的肩部固定臂6、上臂轴套8、上臂轴10和小臂12，其中：

肩部驱动盘3和肩部法兰5为外径不同的圆形法兰盘(肩部法兰5的外径大于肩部驱动盘3)，光轴结构的肩部驱动轴2焊接于肩部驱动盘3的外侧圆心处，肩部驱动盘3沿圆周方向分布有若干通孔；肩部法兰5的外侧沿圆周设有与通孔位置和尺寸相对应的若干个螺纹孔，通孔螺纹孔结构通过与其匹配的螺钉一4将肩部驱动盘3和肩部法兰5相连接。

肩部法兰5的内侧中心设有圆形的凹槽，凹槽内并沿圆周分布着若干个通孔，在肩部法兰5中心附近的圆周分布有阶梯状沉孔，用于与肩部固定臂6相连接；具体地：

进一步参照图4-1，肩部固定臂6为阶梯状圆柱，阶梯状圆柱的大端端面上沿圆周设置四个螺纹孔m，螺纹孔m的位置与沿肩部法兰5的中心附近的圆周分布的阶梯状沉孔的位置相对应，螺纹孔阶梯状沉孔结构通过与其匹配的沉头内六角螺钉1将肩部法兰5与肩部固定臂6连接，肩部固定臂6的小端端头设有用于和上臂轴套相连接的径向通孔a；

进一步参照图4-2，上臂轴套8为一端带叉状结构的圆筒，叉端开口的尺寸与肩部固定臂6的小端匹配，在两个支叉的垂直方向分布设置有通孔b，通孔b与径向通孔a的位置对应，将肩部固定臂6的小端圆柱插入上臂轴套8叉状开口中，通过与(径向通孔a、通孔b结构)相匹配的销轴一7将上臂轴套8和肩部固定臂6相连接，销轴一7则通过开口销二19固定(参照图2)，即完成了肩部固定臂6与上臂轴套8的连接；圆筒端设有用于和上臂轴实现连接的径向通孔c。

进一步参照图5-1，上臂轴10为一端带开口叉的阶梯状圆柱，阶梯状圆柱的小端直径与上臂轴套8的圆筒内径相匹配，并在小端开有长条通孔d，将上臂轴10的小端圆柱插入上臂轴套8圆筒内形成间隙配合，将固定销9沿径向插于上臂轴套8的径向通孔c以及上臂轴10的长条通孔d中，使上臂轴10的小圆柱端在上臂轴套8的圆筒中可以伸缩，同时受到固定销9的限制，不会脱出圆筒也不能绕其旋转；阶梯状圆柱的大端为开口叉结构，开口叉的两个开口端分别设有通孔e，用于和小臂12实现连接；

进一步参照图5-2，小臂12为阶梯状圆柱，阶梯状圆柱的大端圆柱端面圆周上分布有若干个螺纹孔n，其位置和尺寸与肩部法兰5的阶梯状沉孔相对应；阶梯状圆柱的小端圆柱的末端沿轴向铣出一个具有一定长度的平面，并在该平面上设有径向通孔f，平面与上臂轴10的开口叉间隙配合；

将小臂12的小端圆柱插入上臂轴10的开口叉内，通过销轴二11连接小臂12的径向通孔f以及位置、尺寸均与其对应的上臂轴10的通孔e，将开口销一18插入销轴11下端的圆孔内，完成小臂12和上臂轴10的连接。

腕部法兰16为一圆形法兰盘，其外侧沿圆周设有若干个螺孔，内侧设有圆形凹槽，凹槽内沿圆周设有阶梯形沉孔，阶梯形沉孔的位置和尺寸与小臂12的大端圆柱上的螺纹孔n相匹配，通过沉头内六角螺钉二17连接腕部法兰16和小臂12；腕部驱动盘14为一圆形法兰盘，沿圆周设有通孔，其位置和尺寸与腕部法兰16的螺纹孔相匹配，通过螺钉13将腕部法兰16与腕部驱动盘14连接，腕部驱动盘14的外侧中心处焊接有光轴结构的腕部驱动轴15。

参照图3，试验装置的工作过程为：

肩部驱动机构200带动关节臂400的肩部驱动轴2，使肩部固定臂6以销轴7为旋转中心，使其相对于肩部法兰5的位置不变，而相对于上臂轴套8转动一定角度，即保证了在进行寿命试验时，航天服上肢肩关节弯曲伸展运动的位置保持不变；

肘部驱动机构300带动关节臂400的腕部驱动轴15，使小臂12以销轴7为旋转中心，使其相对于腕部法兰16的位置不变，而相对于上臂轴10转动一定角度，即保证了在进行寿命试验时，航天服上肢肘关节弯曲伸展运动的位置保持不变；

上臂轴10的小端圆柱插入结构匹配的上臂轴套8的圆筒内，为保证上臂轴10能够相对于上臂轴套8自由滑动，二者之间优选为间隙配合，通过滑动改变肩关节旋转中心(销轴一7)和肘关节旋转中心销轴(销轴二11)之间的距离，以使得实验装置适应不同尺寸的航天服上肢。

在本发明的试验装置中，航天服上肢600的肩部、腕口分别与肩部法兰5、腕部法兰16连接后，通过固定机构400固定于机架100的中部，两端则分别通过肩部驱动机构200和肘部驱动机构300的摆动气缸交替工作模拟出人上肢的动作，使航天服上肢600的肩关节和肘关节做弯曲和伸展运动，从而实现了对于舱外航天服上肢关节的多次运动，实现对于航天服上肢的寿命试验。

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 (5)

1.一种舱外航天服上肢关节寿命试验装置，其特征在于，包括机架和设于机架底板的驱动机构和固定机构；其中：

驱动机构包括肩部驱动机构和肘部驱动机构，固定机构设于机架底板的中心，肩部驱动机构和肘部驱动机构分别置于固定机构的两侧；

舱外航天服上肢安装于固定机构，舱外航天服上肢内置有关节臂；

关节臂包括依次相连的肩部固定臂、上臂轴套、上臂轴和小臂，两端的肩部固定臂和小臂分别通过肩部驱动轴和腕部驱动轴插入肩部驱动机构和肘部驱动机构的直线轴承内；

机架是由水平方向的底板和垂直方向的立板构成的L型框架结构，固定机构固定于底板的中部，肩部驱动机构固定于底板；

肩部固定臂通过第一连接单元与肩部驱动轴相连接，第一连接单元包括肩部驱动盘和肩部法兰，肩部驱动轴焊接于肩部驱动盘的第一侧的圆心处，肩部驱动盘沿圆周方向分布有若干通孔，肩部法兰的第一侧分布有位置和尺寸均与通孔相对应的螺纹孔，螺钉一穿过与其匹配的通孔、螺纹孔结构，将肩部驱动盘和肩部法兰相连接；肩部法兰的第二侧中心设有凹槽，在凹槽内沿圆周方向分布有用于与肩部固定臂相连接阶梯状沉孔；

肩部驱动盘和肩部法兰为外径不同的圆形法兰盘,肩部法兰的外径大于肩部驱动盘；

肩部固定臂为阶梯状圆柱一，阶梯状圆柱一的大端圆柱的端面上沿圆周方向分布于若干个螺纹孔m，螺纹孔m的位置和尺寸均与肩部法兰阶梯状沉孔相对应，沉头内六角螺钉一穿过与其匹配的螺纹孔m、阶梯状沉孔结构，将肩部法兰与肩部固定臂相连接，阶梯状圆柱一的小端端头设有用于和上臂轴套相连接的径向通孔a。

2.根据权利要求1所述的舱外航天服上肢关节寿命试验装置，其特征在于，上臂轴套为一端为叉状结构的圆筒，叉状结构的两个支叉之间的尺寸与肩部固定臂的小端圆柱的底面直径相匹配，肩部固定臂的小端圆柱插入上臂轴套叉状开口中，两个支叉沿圆筒径向分别设有通孔b，通孔b与径向通孔a的位置、尺寸均相对应，销轴一插入与其匹配的径向通孔b、通孔a中，将上臂轴套和肩部固定臂相连接，销轴一通过开口销二固定，圆筒端设有用于和上臂轴实现相连接的径向通孔c。

3.根据权利要求2所述的舱外航天服上肢关节寿命试验装置，其特征在于，上臂轴为一端带开口叉的阶梯状圆柱二，阶梯状圆柱二的小端圆柱段的直径与上臂轴套的圆筒内径相匹配，小端圆柱段沿轴向开有长条通孔d，小端圆柱段以间隙配合的方式插入上臂轴套的圆筒内，固定销沿径向插于上臂轴套的径向通孔c以及上臂轴的长条通孔d中，使上臂轴的小圆柱段在上臂轴套的圆筒中伸缩，阶梯状圆柱二的大端为开口叉结构，开口叉结构的两个开口端分别设有用于和小臂实现连接的通孔e。

4.根据权利要求3所述的舱外航天服上肢关节寿命试验装置，其特征在于，小臂为阶梯状圆柱三，阶梯状圆柱的大端圆柱端面圆周上分布有若干个螺纹孔n，其位置和尺寸与肩部法兰的阶梯状沉孔相对应；阶梯状圆柱三的小端圆柱的末端沿轴向铣有一个具有一定长度的平面，该平面上设有径向通孔f，径向通孔f的位置、尺寸均与上臂轴上的通孔e相对应，将阶梯状圆柱三的小端圆柱的小端圆柱以间隙配合的方式插入上臂轴的开口叉内，将销轴二插入与其匹配的通孔e、径向通孔f，将小臂与上臂轴相连接，销轴二通过开口销一固定。

5.根据权利要求1所述的舱外航天服上肢关节寿命试验装置，其特征在于，阶梯状圆柱三的大端圆柱通过第二连接单元与腕部驱动轴相连接；具体地：

第二连接单元包括腕部驱动盘和腕部法兰，腕部驱动轴焊接于腕部驱动盘的第一侧的圆心处，腕部驱动盘沿圆周方向分布有若干通孔，腕部法兰的第二侧分布有位置和尺寸均与通孔相对应的螺纹孔，螺钉二穿过与其匹配的通孔、螺纹孔结构，将腕部驱动盘和腕部法兰相连接；

阶梯状圆柱三的大端圆柱的端面沿圆周方向分布有若干个螺纹孔n，螺纹孔n的位置和尺寸与腕部法兰的阶梯状沉孔相对应；

腕部法兰为一圆形法兰盘，其外侧沿圆周设有若干个螺孔，腕部法兰的第一侧设有凹槽，凹槽内沿圆周设有阶梯形沉孔，阶梯形沉孔的位置和尺寸与大端圆柱上的螺纹孔n相对应，将沉头内六角螺钉二拧入与其匹配的螺纹孔n、阶梯形沉孔，将腕部法兰和小臂相连接。