航天员论文：航天员建模与仿真办法探索

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本文作者：李昊李东旭陈善广工作单位：中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室

理论与方法基础

虽然航天员舱外作业动力学具有特殊的物理背景，并且非常复杂，但究其本质，仍然符合普遍意义下的运动学和动力学规律，这些基本规律，构成了本文的研究基础。非惯性系中的相对动力学根据动坐标系中对矢量求导的运算，有：（3）其中，n=μ/R3S姨为航天器平均轨道角速度，Δax，Δay，Δaz分别为Δa在相对轨道坐标系中的分量。式（3）描述了舱外航天员在与航天器固连的非惯性系中的动力学规律。多刚体动力学多刚体动力学研究中通常使用的方法包括：牛顿—欧拉法、拉格朗日法和凯恩法。文献[9]对这些方法进行了比较。事实上，这些方法所建立方程中的运动变量可以通过数学变换证明是等价的[10]。换句话说，从数学角度，这些方法只是表达形式的不同，没有本质区别；其主要不同在于方程在物理意义上的差异。由于着舱外航天服航天员多刚体模型的体段和关节较多，关节类型复杂，连接结构复杂，使用复杂的动力学方法难以给出其运动规律的直观解释，也不便用仿真实现，因此使用物理意义最为明确的牛顿—欧拉法建模。牛顿—欧拉法可以用如下方程组进行描述（4）其中，下标i表示体段编号，mi和Ii分别表示体段i的质量和惯量张量；第一个方程为牛顿方程，描述了该体段的平动动力学，第二个方程为欧拉方程，描述了该体段的转动动力学。通过对系统中每个刚体的平动和转动的迭代或回归计算，就可以描述整个多刚体系统的动力学。对于式（4），若沿等号由左至右计算，则为正向动力学，若沿等号由右至左计算，则为逆向动力学。在实际应用中，通常根据已知条件和求解需要，选择正向动力学或逆向动力学解算。

动力学建模

非惯性动力学环境建模根据节的分析可以发现，在以航天器为非惯r咬•图1着舱外航天服航天员的几何模型在该模型性动力学环境中，舱外作业航天员作为研究对象，时时受到非惯性环境的影响，因此，需要对一般在惯性环境中适用的动力学方程进行修改。修改后的牛顿—欧拉法所用的动力学方程变为：（5）其中，F軋t，C表示非惯性环境产生的牵连惯性力和科氏惯性力之和，h軋为该体段其质心到转轴的矢量。按上述模型，将非惯性环境对舱外航天员的影响进一步转化为一组时变的外力和外力矩的作用，能够大大简化整个系统动力学模型的复杂程度。着舱外航天服航天员动力学建模首先建立着舱外航天服航天员体段-关节的几何模型。在传统Hanavan人体模型的基础上，结合着舱外航天服航天员的运动特点，建立几何模型如图1所示。图中，小圆圈表示各体段之间的关节，小圆圈内的数字表示该关节的自由度数，该模型是一个具有16个体段、37个自由度的多刚体模型。在上述基础上做进一步分析，可建立如图2所示的拓扑结构模型。这是一个有向无环图，能够支持文献所提出的动力学分析方法。任一体段的物理模型L定义为如下8元式：L=<ID,CG,m,IT,shape,scale,NoJ,PoJ>（6）其中：ID是该体段的编号；CG是该体段的质心坐标；m是该体段的质量；IT是该体段的惯量张量，用一个3×3矩阵表示，研究中为了简化，一般只取其惯量主轴方向的值，即转动惯量，因此这里的IT为一对角阵；shape表示该体段的形状；scale表示该体段的大小；NoJ表示与该体段连接的关节的数目；PoJ表示与该体段连接关节的位置。根据对L的形式化表示，就可在仿真模型中为着舱外航天服的航天员各体段的物理参数。任一关节的物理模型J定义为如下7元式：J=<ID,DOF,B,F,position,orientation,range>（7）其中，ID是该关节的编号；DOF是该关节的自由度数；B是该关节所连接的基准体段；F是该关节连接的从属体段；position是该关节的位置坐标，可以灵活地选取局部基准坐标系或B的体段坐标系作为参考坐标系；orientation是该关节的方向表示，通常以B的体段坐标系为参考坐标系；range表示该关节每个自由度的取值范围。根据对J的形式化表示，就可在仿真模型中为着舱外航天服的航天员各关节的物理参数。航天服约束力建模舱外航天服除了对航天员的质量和运动属性影响外，由于舱外航天服织物的作用，以及航天服工作状态下内外压强差的存在，导致航天服对航天员各关节的力/力矩表现出一种“迟滞”现象[11]，如图3所示。针对这种“迟滞”现象，目前有许多模型可供使用，如表1。在上述模型的基础上，深入分析舱外航天服的约束力特性，提出一种基于历史信息的加权模型[4]，表示为：其中，τ表示舱外航天服的约束力矩，α表示与约束力矩相对应方向的自由度的关节角，集合｛αi｝表示α的历史信息，集合｛βj｝表示其它自由度方向的关节角信息，qa，b为权值，通过物理实验，参数分析等途径获得。使用此模型，能够充分描述舱外航天服的“迟滞”效应，并适用于关节具有2个以上自由度的情况。图4给出本文模型与美国EMU航天服肘关节的约束力测量曲线[12]的对比，可以看出二者曲线变化趋势基本一致。

仿真实现

仿真系统以前述研究为基础，建立一个支持航天员舱外作业动力学仿真的软件平台：EVASIM。该平台的系统结构如图5所示。其中，模型库和算法库是软件的核心。模型库分为静态模型库和动态模型库，静态模型库包含着舱外航天服航天员的几何信息、物理信息、仿真模型的拓扑构型等，动态模型库包含了航天员舱外作业的过程模型、非惯性环境模型等；算法库中则包含了基于牛顿—欧拉法的算法库，以及非惯性环境与航天员多刚体模型的接口等。此外，该软件还具备可视化功能，通过驱动接口驱动动画模型实现，动画模型与动力学模型具有对应关系[13，14]。应用举例给出一个具体的工程应用案例来演示前述方法和所建立软件平台的可用性。为了便于与地面试验的结果相互验证，根据目前着舱外航天服航天员地面试验的条件设置，选择着舱外航天服航天员上躯干与约束装置相连的作业条件，航天员左手抓住把手，使用其上臂对一作业载荷施加向后拉的作用力，从而实现对载荷的向后搬运。为了简化：假设作业载荷受约束，只能沿与航天员身体冠状面相垂直的直线轨迹运动；初始时刻，航天员和载荷都保持静止。通过对案例进一步分析，确定系统中所需建模的体段有：上躯干、左上臂、左前臂、左手；关节有：肩关节、肘关节、腕关节。在EVASIM中应用模型库建立仿真模型。最后，通过运行仿真模型，就可得到着舱外航天服航天员上述每个体段和每个关节的运动和力矩变化情况。作为代表，图6中给出航天员左肘关节的受力情况：x方向力矩为零，表示前臂在冠状面外没有力矩作用；y方向力矩基本保持不变，表示前臂弯曲时受到持续的力矩作用；z方向力矩在零值两侧变化，表示前臂还受到其惯量主轴方向的滚转力矩作用。在图7中还给出这一动力学过程的动画。

航天员舱外作业能力是空间站任务的重要支持和保障，但由于航天员着舱外航天服在太空特殊力学环境中的作业情况非常复杂，其动力学规律难以通过传统试验方法和理论方法进行分析，在有效模型支持下的计算机仿真成为其设计论证阶段研究的重要支持手段。本文在总结已有各类模型和方法的基础上，提出一套完备的建模与仿真方法，建立了一个仿真平台作为支持。工程应用表明，该方法具备了支持着舱外航天服航天员动力学研究的基本功能，具有可行性。在未来的工作中，除了对该方法作进一步完善以外，还应着重从如下几个方面开展研究：（1）与工程实践和物理试验之间相互验证。由于载人航天是一个工程性很强的领域，所有理论方法和仿真分析的结果，都需要通过实践检验才能确定为可信，进而付诸工程实施。因此，本文所建立的方法，需要与载人航天任务的工程数据和在地面物理仿真系统的试验数据相互验证，才能具有更高的工程参考价值。（2）配合空间站任务开展专项作业任务研究。支持空间站建造和维护的各类舱外作业任务，具有复杂的动力学过程和操作流程，在本文所建立方法基础上，可以对这些复杂过程和流程进行分析，为空间站任务的实施提供更为科学的工程建议。（3）支持舱外作业所应用的设备、设施和工具的研究。在航天员舱外作业动力学定量分析结果的基础上，可以对各种支持舱外作业的设备、设施和工具进行设计和分析，例如，安全系锁的强度问题，空间机动装置的动力学设计，以及舱外作业用扳手的设计。（4）作为出舱活动其它领域研究的支持基础。航天员的动力学规律是其他各种研究的基础，例如，工效学，生理学，心理学等等。航天员舱外作业动力学研究的定量结果能够为舱外作业空间设计，作业疲劳分析等提供支持。