導(dǎo)語：航天員論文：航天員建模與仿真辦法探索一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：李昊李東旭陳善廣工作單位：中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

理論與方法基礎(chǔ)

雖然航天員艙外作業(yè)動力學(xué)具有特殊的物理背景，并且非常復(fù)雜，但究其本質(zhì)，仍然符合普遍意義下的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律，這些基本規(guī)律，構(gòu)成了本文的研究基礎(chǔ)。非慣性系中的相對動力學(xué)根據(jù)動坐標(biāo)系中對矢量求導(dǎo)的運(yùn)算，有：（3）其中，n=μ/R3S姨為航天器平均軌道角速度，Δax，Δay，Δaz分別為Δa在相對軌道坐標(biāo)系中的分量。式（3）描述了艙外航天員在與航天器固連的非慣性系中的動力學(xué)規(guī)律。多剛體動力學(xué)多剛體動力學(xué)研究中通常使用的方法包括：牛頓—?dú)W拉法、拉格朗日法和凱恩法。文獻(xiàn)[9]對這些方法進(jìn)行了比較。事實(shí)上，這些方法所建立方程中的運(yùn)動變量可以通過數(shù)學(xué)變換證明是等價(jià)的[10]。換句話說，從數(shù)學(xué)角度，這些方法只是表達(dá)形式的不同，沒有本質(zhì)區(qū)別；其主要不同在于方程在物理意義上的差異。由于著艙外航天服航天員多剛體模型的體段和關(guān)節(jié)較多，關(guān)節(jié)類型復(fù)雜，連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用復(fù)雜的動力學(xué)方法難以給出其運(yùn)動規(guī)律的直觀解釋，也不便用仿真實(shí)現(xiàn)，因此使用物理意義最為明確的牛頓—?dú)W拉法建模。牛頓—?dú)W拉法可以用如下方程組進(jìn)行描述（4）其中，下標(biāo)i表示體段編號，mi和Ii分別表示體段i的質(zhì)量和慣量張量；第一個(gè)方程為牛頓方程，描述了該體段的平動動力學(xué)，第二個(gè)方程為歐拉方程，描述了該體段的轉(zhuǎn)動動力學(xué)。通過對系統(tǒng)中每個(gè)剛體的平動和轉(zhuǎn)動的迭代或回歸計(jì)算，就可以描述整個(gè)多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)。對于式（4），若沿等號由左至右計(jì)算，則為正向動力學(xué)，若沿等號由右至左計(jì)算，則為逆向動力學(xué)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)已知條件和求解需要，選擇正向動力學(xué)或逆向動力學(xué)解算。

動力學(xué)建模

非慣性動力學(xué)環(huán)境建模根據(jù)節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在以航天器為非慣r咬•圖1著艙外航天服航天員的幾何模型在該模型性動力學(xué)環(huán)境中，艙外作業(yè)航天員作為研究對象，時(shí)時(shí)受到非慣性環(huán)境的影響，因此，需要對一般在慣性環(huán)境中適用的動力學(xué)方程進(jìn)行修改。修改后的牛頓—?dú)W拉法所用的動力學(xué)方程變?yōu)椋海?）其中，F(xiàn)軋t，C表示非慣性環(huán)境產(chǎn)生的牽連慣性力和科氏慣性力之和，h軋為該體段其質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的矢量。按上述模型，將非慣性環(huán)境對艙外航天員的影響進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為一組時(shí)變的外力和外力矩的作用，能夠大大簡化整個(gè)系統(tǒng)動力學(xué)模型的復(fù)雜程度。著艙外航天服航天員動力學(xué)建模首先建立著艙外航天服航天員體段-關(guān)節(jié)的幾何模型。在傳統(tǒng)Hanavan人體模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合著艙外航天服航天員的運(yùn)動特點(diǎn)，建立幾何模型如圖1所示。圖中，小圓圈表示各體段之間的關(guān)節(jié)，小圓圈內(nèi)的數(shù)字表示該關(guān)節(jié)的自由度數(shù)，該模型是一個(gè)具有16個(gè)體段、37個(gè)自由度的多剛體模型。在上述基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分析，可建立如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。這是一個(gè)有向無環(huán)圖，能夠支持文獻(xiàn)所提出的動力學(xué)分析方法。任一體段的物理模型L定義為如下8元式：L=<ID,CG,m,IT,shape,scale,NoJ,PoJ>（6）其中：ID是該體段的編號；CG是該體段的質(zhì)心坐標(biāo)；m是該體段的質(zhì)量；IT是該體段的慣量張量，用一個(gè)3×3矩陣表示，研究中為了簡化，一般只取其慣量主軸方向的值，即轉(zhuǎn)動慣量，因此這里的IT為一對角陣；shape表示該體段的形狀；scale表示該體段的大小；NoJ表示與該體段連接的關(guān)節(jié)的數(shù)目；PoJ表示與該體段連接關(guān)節(jié)的位置。根據(jù)對L的形式化表示，就可在仿真模型中為著艙外航天服的航天員各體段的物理參數(shù)。任一關(guān)節(jié)的物理模型J定義為如下7元式：J=<ID,DOF,B,F,position,orientation,range>（7）其中，ID是該關(guān)節(jié)的編號；DOF是該關(guān)節(jié)的自由度數(shù)；B是該關(guān)節(jié)所連接的基準(zhǔn)體段；F是該關(guān)節(jié)連接的從屬體段；position是該關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)，可以靈活地選取局部基準(zhǔn)坐標(biāo)系或B的體段坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系；orientation是該關(guān)節(jié)的方向表示，通常以B的體段坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系；range表示該關(guān)節(jié)每個(gè)自由度的取值范圍。根據(jù)對J的形式化表示，就可在仿真模型中為著艙外航天服的航天員各關(guān)節(jié)的物理參數(shù)。航天服約束力建模艙外航天服除了對航天員的質(zhì)量和運(yùn)動屬性影響外，由于艙外航天服織物的作用，以及航天服工作狀態(tài)下內(nèi)外壓強(qiáng)差的存在，導(dǎo)致航天服對航天員各關(guān)節(jié)的力/力矩表現(xiàn)出一種“遲滯”現(xiàn)象[11]，如圖3所示。針對這種“遲滯”現(xiàn)象，目前有許多模型可供使用，如表1。在上述模型的基礎(chǔ)上，深入分析艙外航天服的約束力特性，提出一種基于歷史信息的加權(quán)模型[4]，表示為：其中，τ表示艙外航天服的約束力矩，α表示與約束力矩相對應(yīng)方向的自由度的關(guān)節(jié)角，集合｛αi｝表示α的歷史信息，集合｛βj｝表示其它自由度方向的關(guān)節(jié)角信息，qa，b為權(quán)值，通過物理實(shí)驗(yàn)，參數(shù)分析等途徑獲得。使用此模型，能夠充分描述艙外航天服的“遲滯”效應(yīng)，并適用于關(guān)節(jié)具有2個(gè)以上自由度的情況。圖4給出本文模型與美國EMU航天服肘關(guān)節(jié)的約束力測量曲線[12]的對比，可以看出二者曲線變化趨勢基本一致。

仿真實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)以前述研究為基礎(chǔ)，建立一個(gè)支持航天員艙外作業(yè)動力學(xué)仿真的軟件平臺：EVASIM。該平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，模型庫和算法庫是軟件的核心。模型庫分為靜態(tài)模型庫和動態(tài)模型庫，靜態(tài)模型庫包含著艙外航天服航天員的幾何信息、物理信息、仿真模型的拓?fù)錁?gòu)型等，動態(tài)模型庫包含了航天員艙外作業(yè)的過程模型、非慣性環(huán)境模型等；算法庫中則包含了基于牛頓—?dú)W拉法的算法庫，以及非慣性環(huán)境與航天員多剛體模型的接口等。此外，該軟件還具備可視化功能，通過驅(qū)動接口驅(qū)動動畫模型實(shí)現(xiàn)，動畫模型與動力學(xué)模型具有對應(yīng)關(guān)系[13，14]。應(yīng)用舉例給出一個(gè)具體的工程應(yīng)用案例來演示前述方法和所建立軟件平臺的可用性。為了便于與地面試驗(yàn)的結(jié)果相互驗(yàn)證，根據(jù)目前著艙外航天服航天員地面試驗(yàn)的條件設(shè)置，選擇著艙外航天服航天員上軀干與約束裝置相連的作業(yè)條件，航天員左手抓住把手，使用其上臂對一作業(yè)載荷施加向后拉的作用力，從而實(shí)現(xiàn)對載荷的向后搬運(yùn)。為了簡化：假設(shè)作業(yè)載荷受約束，只能沿與航天員身體冠狀面相垂直的直線軌跡運(yùn)動；初始時(shí)刻，航天員和載荷都保持靜止。通過對案例進(jìn)一步分析，確定系統(tǒng)中所需建模的體段有：上軀干、左上臂、左前臂、左手；關(guān)節(jié)有：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)。在EVASIM中應(yīng)用模型庫建立仿真模型。最后，通過運(yùn)行仿真模型，就可得到著艙外航天服航天員上述每個(gè)體段和每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動和力矩變化情況。作為代表，圖6中給出航天員左肘關(guān)節(jié)的受力情況：x方向力矩為零，表示前臂在冠狀面外沒有力矩作用；y方向力矩基本保持不變，表示前臂彎曲時(shí)受到持續(xù)的力矩作用；z方向力矩在零值兩側(cè)變化，表示前臂還受到其慣量主軸方向的滾轉(zhuǎn)力矩作用。在圖7中還給出這一動力學(xué)過程的動畫。

航天員艙外作業(yè)能力是空間站任務(wù)的重要支持和保障，但由于航天員著艙外航天服在太空特殊力學(xué)環(huán)境中的作業(yè)情況非常復(fù)雜，其動力學(xué)規(guī)律難以通過傳統(tǒng)試驗(yàn)方法和理論方法進(jìn)行分析，在有效模型支持下的計(jì)算機(jī)仿真成為其設(shè)計(jì)論證階段研究的重要支持手段。本文在總結(jié)已有各類模型和方法的基礎(chǔ)上，提出一套完備的建模與仿真方法，建立了一個(gè)仿真平臺作為支持。工程應(yīng)用表明，該方法具備了支持著艙外航天服航天員動力學(xué)研究的基本功能，具有可行性。在未來的工作中，除了對該方法作進(jìn)一步完善以外，還應(yīng)著重從如下幾個(gè)方面開展研究：（1）與工程實(shí)踐和物理試驗(yàn)之間相互驗(yàn)證。由于載人航天是一個(gè)工程性很強(qiáng)的領(lǐng)域，所有理論方法和仿真分析的結(jié)果，都需要通過實(shí)踐檢驗(yàn)才能確定為可信，進(jìn)而付諸工程實(shí)施。因此，本文所建立的方法，需要與載人航天任務(wù)的工程數(shù)據(jù)和在地面物理仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，才能具有更高的工程參考價(jià)值。（2）配合空間站任務(wù)開展專項(xiàng)作業(yè)任務(wù)研究。支持空間站建造和維護(hù)的各類艙外作業(yè)任務(wù)，具有復(fù)雜的動力學(xué)過程和操作流程，在本文所建立方法基礎(chǔ)上，可以對這些復(fù)雜過程和流程進(jìn)行分析，為空間站任務(wù)的實(shí)施提供更為科學(xué)的工程建議。（3）支持艙外作業(yè)所應(yīng)用的設(shè)備、設(shè)施和工具的研究。在航天員艙外作業(yè)動力學(xué)定量分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以對各種支持艙外作業(yè)的設(shè)備、設(shè)施和工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，例如，安全系鎖的強(qiáng)度問題，空間機(jī)動裝置的動力學(xué)設(shè)計(jì)，以及艙外作業(yè)用扳手的設(shè)計(jì)。（4）作為出艙活動其它領(lǐng)域研究的支持基礎(chǔ)。航天員的動力學(xué)規(guī)律是其他各種研究的基礎(chǔ)，例如，工效學(xué)，生理學(xué)，心理學(xué)等等。航天員艙外作業(yè)動力學(xué)研究的定量結(jié)果能夠?yàn)榕撏庾鳂I(yè)空間設(shè)計(jì)，作業(yè)疲勞分析等提供支持。