航天員論文：航天員建模與仿真辦法探索

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本文作者：李昊李東旭陳善廣工作單位：中國航天員科研訓練中心人因工程國防科技重點實驗室

理論與方法基礎

雖然航天員艙外作業動力學具有特殊的物理背景，并且非常復雜，但究其本質，仍然符合普遍意義下的運動學和動力學規律，這些基本規律，構成了本文的研究基礎。非慣性系中的相對動力學根據動坐標系中對矢量求導的運算，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規律。多剛體動力學多剛體動力學研究中通常使用的方法包括：牛頓—歐拉法、拉格朗日法和凱恩法。文獻[9]對這些方法進行了比較。事實上，這些方法所建立方程中的運動變量可以通過數學變換證明是等價的[10]。換句話說，從數學角度，這些方法只是表達形式的不同，沒有本質區別；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節較多，關節類型復雜，連接結構復雜，使用復雜的動力學方法難以給出其運動規律的直觀解釋，也不便用仿真實現，因此使用物理意義最為明確的牛頓—歐拉法建模。牛頓—歐拉法可以用如下方程組進行描述（4）其中，下標i表示體段編號，mi和Ii分別表示體段i的質量和慣量張量；第一個方程為牛頓方程，描述了該體段的平動動力學，第二個方程為歐拉方程，描述了該體段的轉動動力學。通過對系統中每個剛體的平動和轉動的迭代或回歸計算，就可以描述整個多剛體系統的動力學。對于式（4），若沿等號由左至右計算，則為正向動力學，若沿等號由右至左計算，則為逆向動力學。在實際應用中，通常根據已知條件和求解需要，選擇正向動力學或逆向動力學解算。

動力學建模

非慣性動力學環境建模根據節的分析可以發現，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環境中，艙外作業航天員作為研究對象，時時受到非慣性環境的影響，因此，需要對一般在慣性環境中適用的動力學方程進行修改。修改后的牛頓—歐拉法所用的動力學方程變為：（5）其中，F軋t，C表示非慣性環境產生的牽連慣性力和科氏慣性力之和，h軋為該體段其質心到轉軸的矢量。按上述模型，將非慣性環境對艙外航天員的影響進一步轉化為一組時變的外力和外力矩的作用，能夠大大簡化整個系統動力學模型的復雜程度。著艙外航天服航天員動力學建模首先建立著艙外航天服航天員體段-關節的幾何模型。在傳統Hanavan人體模型的基礎上，結合著艙外航天服航天員的運動特點，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節，小圓圈內的數字表示該關節的自由度數，該模型是一個具有16個體段、37個自由度的多剛體模型。在上述基礎上做進一步分析，可建立如圖2所示的拓撲結構模型。這是一個有向無環圖，能夠支持文獻所提出的動力學分析方法。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是該體段的質心坐標；m是該體段的質量；IT是該體段的慣量張量，用一個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節的數目；PoJ表示與該體段連接關節的位置。根據對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。任一關節的物理模型J定義為如下7元式：J=<ID,DOF,B,F,position,orientation,range>（7）其中，ID是該關節的編號；DOF是該關節的自由度數；B是該關節所連接的基準體段；F是該關節連接的從屬體段；position是該關節的位置坐標，可以靈活地選取局部基準坐標系或B的體段坐標系作為參考坐標系；orientation是該關節的方向表示，通常以B的體段坐標系為參考坐標系；range表示該關節每個自由度的取值范圍。根據對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節的物理參數。航天服約束力建模艙外航天服除了對航天員的質量和運動屬性影響外，由于艙外航天服織物的作用，以及航天服工作狀態下內外壓強差的存在，導致航天服對航天員各關節的力/力矩表現出一種“遲滯”現象[11]，如圖3所示。針對這種“遲滯”現象，目前有許多模型可供使用，如表1。在上述模型的基礎上，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方向的自由度的關節角，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節角信息，qa，b為權值，通過物理實驗，參數分析等途徑獲得。使用此模型，能夠充分描述艙外航天服的“遲滯”效應，并適用于關節具有2個以上自由度的情況。圖4給出本文模型與美國EMU航天服肘關節的約束力測量曲線[12]的對比，可以看出二者曲線變化趨勢基本一致。

仿真實現

仿真系統以前述研究為基礎，建立一個支持航天員艙外作業動力學仿真的軟件平臺：EVASIM。該平臺的系統結構如圖5所示。其中，模型庫和算法庫是軟件的核心。模型庫分為靜態模型庫和動態模型庫，靜態模型庫包含著艙外航天服航天員的幾何信息、物理信息、仿真模型的拓撲構型等，動態模型庫包含了航天員艙外作業的過程模型、非慣性環境模型等；算法庫中則包含了基于牛頓—歐拉法的算法庫，以及非慣性環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，通過驅動接口驅動動畫模型實現，動畫模型與動力學模型具有對應關系[13，14]。應用舉例給出一個具體的工程應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的結果相互驗證，根據目前著艙外航天服航天員地面試驗的條件設置，選擇著艙外航天服航天員上軀干與約束裝置相連的作業條件，航天員左手抓住把手，使用其上臂對一作業載荷施加向后拉的作用力，從而實現對載荷的向后搬運。為了簡化：假設作業載荷受約束，只能沿與航天員身體冠狀面相垂直的直線軌跡運動；初始時刻，航天員和載荷都保持靜止。通過對案例進一步分析，確定系統中所需建模的體段有：上軀干、左上臂、左前臂、左手；關節有：肩關節、肘關節、腕關節。在EVASIM中應用模型庫建立仿真模型。最后，通過運行仿真模型，就可得到著艙外航天服航天員上述每個體段和每個關節的運動和力矩變化情況。作為代表，圖6中給出航天員左肘關節的受力情況：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，表示前臂彎曲時受到持續的力矩作用；z方向力矩在零值兩側變化，表示前臂還受到其慣量主軸方向的滾轉力矩作用。在圖7中還給出這一動力學過程的動畫。

航天員艙外作業能力是空間站任務的重要支持和保障，但由于航天員著艙外航天服在太空特殊力學環境中的作業情況非常復雜，其動力學規律難以通過傳統試驗方法和理論方法進行分析，在有效模型支持下的計算機仿真成為其設計論證階段研究的重要支持手段。本文在總結已有各類模型和方法的基礎上，提出一套完備的建模與仿真方法，建立了一個仿真平臺作為支持。工程應用表明，該方法具備了支持著艙外航天服航天員動力學研究的基本功能，具有可行性。在未來的工作中，除了對該方法作進一步完善以外，還應著重從如下幾個方面開展研究：（1）與工程實踐和物理試驗之間相互驗證。由于載人航天是一個工程性很強的領域，所有理論方法和仿真分析的結果，都需要通過實踐檢驗才能確定為可信，進而付諸工程實施。因此，本文所建立的方法，需要與載人航天任務的工程數據和在地面物理仿真系統的試驗數據相互驗證，才能具有更高的工程參考價值。（2）配合空間站任務開展專項作業任務研究。支持空間站建造和維護的各類艙外作業任務，具有復雜的動力學過程和操作流程，在本文所建立方法基礎上，可以對這些復雜過程和流程進行分析，為空間站任務的實施提供更為科學的工程建議。（3）支持艙外作業所應用的設備、設施和工具的研究。在航天員艙外作業動力學定量分析結果的基礎上，可以對各種支持艙外作業的設備、設施和工具進行設計和分析，例如，安全系鎖的強度問題，空間機動裝置的動力學設計，以及艙外作業用扳手的設計。（4）作為出艙活動其它領域研究的支持基礎。航天員的動力學規律是其他各種研究的基礎，例如，工效學，生理學，心理學等等。航天員艙外作業動力學研究的定量結果能夠為艙外作業空間設計，作業疲勞分析等提供支持。