CN113264204A

CN113264204A - 多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法

Info

Publication number: CN113264204A
Application number: CN202110713620.XA
Authority: CN
Inventors: 包佳仪; 范超; 王晶; 关怡宣; 毕研强; 刘守文; 苏新明; 洪辰伟; 鄂东梅
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2021-08-17

Abstract

本申请提供一种多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法，其中装置包括支撑架和恒张力悬吊组件；支撑架的顶部设有可任意移动的随动组件；恒张力悬吊组件安装在随动组件上，包括多根拉绳和匹配的恒拉力电机；随动组件包括位置偏移传感器，用于跟踪通过恒张力悬吊组件悬吊的航天员。根据本申请实施例提供的技术方案，通过恒张力悬吊组件对航天员进行多点悬吊，利用恒拉力电机对航天员进行动态悬吊，使航天员可处于设定重力值的状态；同时，由于将恒张力悬吊组件安装在了随动组件上，配合位置偏移传感器可对航天员进行跟踪，使恒张力悬吊组件始终位于航天员的正上方，从而确保航天员收到的拉力为竖直方向。

Description

多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法

技术领域

本申请涉及航空训练技术领域,具体涉及一种多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法。

背景技术

对于载人登月任务，航天员在月球表面的出舱、月面活动以及人机协同作业。由于月球的重力环境不同于地球的重力环境(重力加速度为1/6g)，航天员在月面作业时会造成“运动过冲”的现象，使航天员无法正常工作，最严重的会导致整个航天员受到伤害。因此，在载人登月任务实施之前，需要在地面模拟月面低重力环境下开展适应性训练，充分验证各种可能工况，以保证人员安全和任务的可靠性。

通过悬吊的方法模拟月球低重力环境，附加惯量小、时长和尺寸不受限，综合优势大，然而，目前的低重力模拟装置尚无法应用于模拟航天员在月面移动，主要体现在以下方面：

(1)现有的低重力模拟装置在常温常压环境下运行，无法满足模拟真空低温环境的需求；

(2)恒张力悬吊系统的行动轨迹多是按照提前设定的路线进行，使得航天员在训练过程中的运动自由度低；

(3)低重力模拟装置仅能实现单点悬吊，在搬运物品、人机协同等复杂运动中的体感模拟真实度低，同时尚无有效方法确定不同活动下需要的悬吊点的位置和数量。

针对着服航天员的模拟空间低重力环境的地面试验仿真方法尚无成熟的方案。因此，设计一种真空热环境下用于航天员月面移动的多体低重力模拟试验方法及系统具有积极的现实意义。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法。

第一方面，本申请提供一种多体低重力模拟装置，包括支撑架和恒张力悬吊组件；支撑架的顶部设有可任意移动的随动组件；恒张力悬吊组件安装在随动组件上，包括多根拉绳和匹配的恒拉力电机；随动组件包括位置偏移传感器，用于跟踪通过恒张力悬吊组件悬吊的航天员。

进一步的，随动组件包括跨接在支撑架顶部的横梁；横梁上对应恒张力悬吊组件设有可相对滑动的安装座；安装座的滑动方向与横梁的长度方向相同。

进一步的，支撑架的顶部对应横梁设有平行的滑轨；滑轨沿支撑架的长度方向设置。

进一步的，支撑架位于密封容器内；密封容器内的压力小于10^-3Pa。

进一步的，还包括热沉子系统；热沉子系统位于密封容器内，用于控制密封容器内的温度为100K±5K。

第二方面，本申请提供一种真空热环境下多体低重力模拟方法，包括以下步骤：

构建多刚体航天员初始模型，并修正多刚体航天员模型中各关节的转动惯量，得到多刚体航天员着服模型；

获取着服状态下航天员各运动状态下的关节运动轨迹数据；

将关节运动轨迹数据输入至多刚体航天员着服模型，模拟预设低重力环境下，计算各运动状态下的关节受力基准数据；

将关节运动轨迹数据输入至多刚体航天员着服模型，模拟地球重力环境下，采用如上权利要求1的模拟装置时，计算各运动状态下的关节受力仿真数据；

计算每一运动状态下关节受力基准数据和关节受力仿真数据之间的差值，优化吊点位置和数量，至二者之间差值符合误差要求。

进一步的，获取宇航服对航天员关节转动惯量的影响指标，并利用影响指标修正多刚体航天员模型中各关节的转动惯量。

本申请具有的优点和积极效果是：

本技术方案通过恒张力悬吊组件对航天员进行多点悬吊，利用恒拉力电机对航天员进行动态悬吊，使航天员可处于设定重力值的状态；同时，由于将恒张力悬吊组件安装在了随动组件上，配合位置偏移传感器可对航天员进行跟踪，使恒张力悬吊组件始终位于航天员的正上方，从而确保航天员收到的拉力为竖直方向。

附图说明

图1为本申请实施例提供的多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多体低重力模拟装置及真空热环境下多体低重力模拟方法的随动组件的结构示意图。

图中所述文字标注表示为：100-支撑架；200-恒张力悬吊组件；210-拉绳；220-恒拉力电机；300-随动组件；310-横梁；320-安装座；330-纵向电机。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

请参考图1-2，第一方面，本实施例提供一种多体低重力模拟装置，包括支撑架100和恒张力悬吊组件200；支撑架100为工字钢结构，顶部呈矩形；恒张力悬吊组件200可移动安装在支撑架100的顶部，用于对航天员进行悬吊，从而对航天员模拟出低重力状态。

优选的，恒张力悬吊组件200包括多根拉绳210和与拉绳210匹配的恒拉力电机220；拉绳210上安装有拉力传感器，拉力传感器的监测信号通过变送器转换为数字信号并传输至控制器；控制器根据采集的数据调整恒拉力电机220的拉力值，动态调整该拉力值，使航天员可处于设定重力值的状态。

在一优选实施例中，恒张力悬吊组件200通过随动组件300安装在支撑架100的顶部；随动组件300包括跨接在支撑架100顶部的横梁310；横梁310上对应恒张力悬吊组件200设有匹配的安装座320。

优选的，安装座320可滑动安装在横梁310上，通过横向电机驱动，滑动方向与横梁310的长度方向相同。

优选的，横梁310可滑动安装在支撑架100上，通过纵向电机330驱动，滑动方向与横梁310的长度方向垂直；支撑架100的顶部对应横梁310设有平行的滑轨，滑轨沿支撑架100的长度方向设置。

优选的，随动组件300还包括偏移传感器；偏移传感器为二维红外位置偏移传感器，位于恒张力悬吊组件200的正下方，当拉绳210发生偏离时，随动组件300会做出响应，保持拉绳210处于垂直状态。

在一优选实施例中，支撑架100位于密封容器内，密封容器用于模拟真空环境，其内部压力小于10^-3Pa。

优选的，密封容器内还设有热沉子系统；热沉子系统通过液氮将热沉温度控制在通过液氮将热沉温度控制在100K±5K，配合压力的设置，可有效模拟出真空冷黑环境。

第二方面，本实施例提供一种真空热环境下多体低重力模拟方法，包括以下步骤：

构建多刚体航天员初始模型，依据运动生物力学，构成具有头颈、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足共14个节段的多刚体航天员初始模型；各节段通过关节相连接，关节自由度为实际人体关节结构自由度；

修正多刚体航天员模型中各关节的转动惯量，依据航天服的质量、惯量以及航天服对航天员运动性能的影响，对多刚体航天员模型各关节进行转动惯量修正，得到多刚体航天员着服模型；

获取着服状态下航天员各运动状态下的关节运动轨迹数据；如直线行走、行走上坡、行走下坡、下蹲、推拉、搬起搬运等；

将关节运动轨迹数据输入至多刚体航天员着服模型，模拟地球重力环境下，采用多体低重力模拟装置时，计算各运动状态下的关节受力仿真数据；

计算每一运动状态下关节受力基准数据和关节受力仿真数据之间的差值，优化吊点位置和数量至二者之间差值符合误差要求。

优在一优选实施例中，构建多刚体航天员初始模型，根据调查，中国男性航天员的选拔条件为身高不超过1.75m，体重在55kg-70kg之间，故航天员模型尺寸选择参考国家军用标准GJB 4856-2003中国男性飞行员混合机种飞行员基础项目中身高为170.8cm的对应第50百分位数据，质量为68kg，其各节段的质量及质心位置可根据式(1)的二元回归方程计算：

Y＝B₀+B₁X₁+B₂X₂ (1)

其中Y为质量或质心，X₁为体重，单位kg，X₂为身高，单位mm，B₀为回归方程的常数项，B₁为体重的回归系数，B₂为身高的回归系数。B₀、B₁、B₂参数在GB-T 17245-2004成年人人体惯性参数得到，质心位置结果是从测量起点至体段质心的距离，结果如表1所示(质心位置是从足底至体段质心的距离)。

表1航天员人体质量及质心位置

将各节段通过关节连接，根据运动姿势的需要设置关节自由度，在仿真时设置肩关节有两个自由度(屈伸和外展内收)，肘关节一个自由度(屈伸)，髋关节两个自由度(屈伸和外展内收)，膝关节有一个自由度(屈伸)，踝关节一个自由度(屈伸)。

在一优选实施例中，修正多刚体航天员模型中各关节的转动惯量，航天服对航天员的影响主要在于以下三个方面，航天服的质量、惯量以及航天服对航天员运动性能的影响。航天服的质量参数参考了1995年STS-63任务中的舱外航天服的参数，如表2所示，修正航天员的体段运动参数时假设各体段(除躯干外)质心位置不变。利用式(2)计算转动惯量：

J＝∫r²dm (2)

其中，dm为体段上某一微元体的质量，r为该微元体到转动轴的距离，J为该体段对该转动轴的转动惯量，各节段修正后的转动惯量计算结果如表2所示。

表2着航天服航天员质量参数

航天服在关节处采用的是刚性连接结构，而且会充有一定压力的气体，这会导致航天员在关节处的运动范围受到了限制，如表3所示。

表3着服航天员关节活动范围

此外，航天员在进行活动时航天服会在关节处的聚集，产生了反向力矩，由于航天服材料是一种软式的织物材料，这会使航天服在关节处挤压和舒展时具有一定的记忆效应，所以将航天服的服装装力矩的特性表现称为迟滞效应。可以利用经典的Preisach模型来建立航天服力矩的迟滞模型，数学表达式如下所示：

式中，μ(α，β)为迟滞曲线的一组权重；

是迟滞算子；α为迟滞算子在关节内收过程中开关量；β是迟滞算子在关节外展过程中开关量；f(t)代表服装力矩，单位为N·m；u(t)为输入量。以上各参数，μ和

通过对特定的舱外航天服进行测试而得到。α和β取值分别为各关节的内收/外展(或弯曲/伸展)的极限角度(°)，u为关节在某一时刻的运动角度(°)。通过积分式(3)得到f，其值可作为已知的航天服对航天员的约束条件输入。

在一优选实施例中，优化吊点位置和数量，由于选择了人体14节段模型，理论上每个节段的质心都可以作为悬吊点。实际模拟过程中需要根据航天员训练动作的不同选择合适的悬吊点数量以保证训练有效性。如：行走动作，应关注下肢与实际低重力情况的贴合程度；推拉动作，应关注全身各节段与实际低重力情况的贴合程度。

优选的，根据数值软件计算地面模拟情况与仿真数据之间的偏差，在试验精度要求范围内通过调整悬吊点的数量和位置，得到最少数量的悬吊点和最优位置，从而减少低重力模拟系统的复杂程度，从而提高工程适用性。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种多体低重力模拟装置，其特征在于，包括支撑架（100）和恒张力悬吊组件（200）；所述支撑架（100）的顶部设有可任意移动的随动组件（300）；所述恒张力悬吊组件（200）安装在所述随动组件（300）上，包括多根拉绳（210）和匹配的恒拉力电机（220）；所述随动组件（300）包括位置偏移传感器，用于跟踪通过所述恒张力悬吊组件（200）悬吊的航天员。

2.根据权利要求1所述的多体低重力模拟装置，其特征在于，所述随动组件（300）包括跨接在所述支撑架（100）顶部的横梁（310）；所述横梁（310）上对应所述恒张力悬吊组件（200）设有可相对滑动的安装座（320）；所述安装座（320）的滑动方向与所述横梁（310）的长度方向相同。

3.根据权利要求2所述的多体低重力模拟装置，其特征在于，所述支撑架（100）的顶部对应所述横梁（310）设有平行的滑轨；所述滑轨沿所述支撑架（100）的长度方向设置。

4.根据权利要求1所述的多体低重力模拟装置，其特征在于，所述支撑架（100）位于密封容器内；所述密封容器内的压力小于10^-3Pa。

5.根据权利要求4所述的多体低重力模拟装置，其特征在于，还包括热沉子系统；所述热沉子系统位于所述密封容器内，用于控制所述密封容器内的温度为100K±5K。

6.一种真空热环境下多体低重力模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取着服状态下航天员各运动状态下的关节运动轨迹数据；

将关节运动轨迹数据输入至多刚体航天员着服模型，模拟地球重力环境下，采用如上权利要求1所述的模拟装置时，计算各运动状态下的关节受力仿真数据；

7.根据权利要求6所述真空热环境下多体低重力模拟方法，其特征在于，获取宇航服对航天员关节转动惯量的影响指标，并利用影响指标修正多刚体航天员模型中各关节的转动惯量。