航天服充气压状态下的关节阻力矩特性研究

随着人类对太空探索的不断深入，人类在太空和其他星球的作业任务也越来越多。由于太空环境复杂、恶劣，航天员在开展空间作业任务时需要穿着特定的航天服，因此，航天服的活动性能对航天员的作业效率至关重要。通常航天员在穿上航天服之后，人体与航天服之间的封闭空间充入一定压力的气体以构成真空防护，导致航天服内外形成余压。对于舱外作业而言，当航天员在作业过程中完成上肢和下肢弯曲运动时，余压会导致航天服关节处产生相当大的阻力矩，从而降低了航天员肢体运动的灵活度、准确性及平衡性，增加体能消耗，严重制约了航天员的舱外作业能力与活动范围。因此，如何减少航天服对人操作能力的约束，提高航天员舱外任务执行能力是一个非常重要的课题。

近年来，外骨骼机器人技术被用于增强拓展人类的能力，这与对穿戴舱外航天服作业的航天员进行助力增强的目的不谋而合。NASA在航天员外骨骼方面的研究走在世界前列，并先后开发出系列样机，如图1所示。为了能够在未来更好地实现太空资源开发与利用，开展航天服外骨骼技术的研究具有重要意义。

本研究通过实验测试获得了舱外航天服在充气压状态下的运动力学特性，并基于实验数据建立了理论模型，为外骨骼驱动系统设计提供依据。研制了航天服外骨骼系统试验样机，通过合理的结构设计与先进的控制策略达到航天员舱外作业行走助力目的，并开展了模拟行走试验，为太空环境下外骨骼系统设计提供了参考。

图1  NASA研制的行星表面执行任务外骨骼

为了进行航天服性能测试，建立了一种通过简易的龙门模组滑台机构拟合航天服关节运动的测试平台。该平台通过拟合航天服关节弯曲运动轨迹，并由力传感器采集运动过程的驱动力信息，得到航天服关节阻力矩，具有设备操作和维护较为简单，可测量不同种类、尺寸的航天服的优点。如图2所示。

图2 航天服测试平台模型

测试过程采用了一种可以精确确定转动角度、精确施加牵引轨迹的测试方法，如图3所示。测试现场如图4所示。

图3 实验原理示意图

图 4 现场实验图

本研究采用经典的Preisach模型进行建模，并在其基础上提出了通过结合改进的Preisach数值实现方法与线性插值来实现该模型的方法。通过MATLAB /Simulink建立航天服关节模型。将关节的活动范围输入到模型中，将得到各关节的仿真力矩与实验测得的关节力矩进行比较，结果如图5所示。仿真模型对肘关节、膝关节、髋关节活动中的关节阻力矩预测值基本与实验数据吻合，力矩变化趋势基本一致，因此，该仿真模型能有效预测航天服关节活动阻力矩。

a) 肘关节

b) 膝关节

c) 髋关节

图 5 各关节仿真力矩与实验力矩对比

1） 控制系统

根据航天服特性，为了方便控制系统集成，选用STM32作为主控芯片，采用C语言进行控制程序和算法的编写。对于驱动部分，上肢的手指和肘关节活动力矩相对较小，主要功能是要保证上肢关节的活动性和随动助力，因此结合服装特性选用电机驱动拉线机构；下肢部分功能上需要满足服装负重要求，对于活动性的要求不是很高，髋关节由于不承担主要负载，该关节仍以活动性为主，选用电机驱动拉线机构，但拉线机构由于不适合大负载环境，因此在膝关节处的驱动结构上选用电推杆的结构，在控制驱动的基础上满足承重性要求。其控制系统基本组成如图6所示。

图6 整体控制系统框图

2） 传感模块

本研究中手指、肘关节和膝关节的运动意图识别是通过弯曲传感器实现的，而髋关节采用IMU惯性传感器进行识别，为了服装外骨骼整体采集系统的集成化处理，研制了一套服装采集数据服。数据服整体如下图7所示，服装手套五指、两臂肘关节和双腿膝关节上各有一条弯曲传感器，用于感知手指、肘关节和膝关节的弯曲运动。服装下肢两大腿处，各设置一个IMU惯性传感器用于测试大腿运动姿态角，实现髋关节运动数据采集。综上，最终传感器布局图如图8所示。整体图如图9所示。

图7 数据服外观图

（a）数据手套

(b) 数据服装

图8 数据服装传感器布局图

3） 整体试验

根据上述成果，搭建了航天服助力外骨骼实物平台，通过在跑步机上行走试验验证了外骨骼的助力效果。

图9 整体图