王君堯，戴躍洪，李照陽(yáng)，唐 鵬

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院， 成都611731)

1 引言

隨著月表探索活動(dòng)的展開(kāi)，艙外作業(yè)范圍不斷擴(kuò)大，作業(yè)復(fù)雜度不斷提高，作業(yè)數(shù)量也不斷增加。 諸多工作(如設(shè)備維修、貨物運(yùn)輸和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等)需航天員到高輻射、高真空的艙外環(huán)境開(kāi)展[1]。 航天服為航天員艙外活動(dòng)提供生命保障，但服內(nèi)氣壓對(duì)人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的阻礙成為航天員必須克服的困難[2-3]。 登月助力航天服是將助力外骨骼技術(shù)運(yùn)用到現(xiàn)有的航天服上，輔助航天員實(shí)現(xiàn)抓、舉、抬、拉等動(dòng)作，增強(qiáng)其負(fù)載能力及運(yùn)動(dòng)能力，以提高艙外作業(yè)效率、減少航天員的艙外能量消耗和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)了多款外骨骼結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了性能分析。 Judnick 等[6]提出的機(jī)械反壓方案對(duì)人體局部起到了抗壓防護(hù)作用，但造價(jià)較高；唐志勇等[7]設(shè)計(jì)了一種軍用的下肢外骨骼機(jī)器人，主要為行軍過(guò)程中的士兵提供負(fù)載能力；孫明艷等[8]設(shè)計(jì)了一種下肢外骨骼裝置，并驗(yàn)證該裝置與人體的行走姿態(tài)具有良好的跟隨性；張楠等[9]將設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人導(dǎo)入到Adams 中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并依次對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化；高羽翯等[10]對(duì)外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性；Li 等[11]針對(duì)外骨骼研究中的一些關(guān)鍵問(wèn)題，指出了控制外骨骼的難點(diǎn)所在。

本文結(jié)合人體關(guān)節(jié)模型，進(jìn)行二代登月助力航天服關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)；使用Pro-E繪制一代和二代登月助力航天服的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其在負(fù)載況下的應(yīng)力情況和變形情況；對(duì)兩代登月助力航天服進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率。 研究結(jié)果將對(duì)登月助力航天服的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、負(fù)載重力分配等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

2 二代登月助力航天服

登月助力航天服綜合運(yùn)用了機(jī)械、傳感、控制、能源和材料等技術(shù)，構(gòu)建航天員可穿戴的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)輔助系統(tǒng)，能夠主動(dòng)感知航天員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)，通過(guò)各關(guān)節(jié)執(zhí)行隨動(dòng)控制提供實(shí)時(shí)助力，提高航天員在月球表面的艙外活動(dòng)能力。 登月助力航天服的設(shè)計(jì)需考慮人機(jī)耦合問(wèn)題，不能使其對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用[12]；自身質(zhì)量也是評(píng)價(jià)登月助力航天服的重要指標(biāo)之一；更輕巧、更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將減輕電機(jī)助力的負(fù)擔(dān)，增加登月助力航天服的負(fù)載能力[13]，使負(fù)載分配更為合理[14-15]。

二代登月助力航天服的自由度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，包括：①肩關(guān)節(jié)。 根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)，肩關(guān)節(jié)呈球狀結(jié)構(gòu)，使肩關(guān)節(jié)可繞3 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸做內(nèi)收/外展、屈/伸、環(huán)轉(zhuǎn)/回旋的運(yùn)動(dòng)[16]。 二代登月助力航天服肩關(guān)節(jié)采用3 個(gè)相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)。 由于在行走過(guò)程中，手臂運(yùn)動(dòng)主要集中在矢狀面擺動(dòng)及抓、舉、抬、拉等動(dòng)作，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為矢狀軸和垂直軸3 個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副，并在屈/伸轉(zhuǎn)動(dòng)處添加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)；②髖關(guān)節(jié)。與肩關(guān)節(jié)相似，關(guān)節(jié)呈球狀結(jié)構(gòu)。 行走時(shí)髖關(guān)節(jié)僅會(huì)產(chǎn)生小幅度的內(nèi)旋和外旋的運(yùn)動(dòng)[16]，對(duì)步態(tài)行走影響甚小，運(yùn)動(dòng)主要集中在矢狀面，因此僅在髖關(guān)節(jié)屈/伸轉(zhuǎn)動(dòng)處添加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)；③踝關(guān)節(jié)。 使腳步繞額狀軸在矢狀面內(nèi)和繞額狀軸在冠狀面內(nèi)做轉(zhuǎn)動(dòng)[16]，因此踝關(guān)節(jié)由2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成。 正常踝關(guān)節(jié)背伸可達(dá)-20°，跖屈可達(dá)50°，約有70°的活動(dòng)范圍，為防止意外，避免失效情況下意外的發(fā)生，在踝關(guān)節(jié)處采用了機(jī)械限位；④膝關(guān)節(jié)。 小腿可繞膝關(guān)節(jié)的額狀軸在矢狀面內(nèi)作屈/伸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為-120°～5°。 在小腿屈曲后可繞垂直軸作微小的旋轉(zhuǎn)，但在一般情況下，僅認(rèn)為膝關(guān)節(jié)具有屈/伸自由度[16]。 二代登月助力航天服在膝關(guān)節(jié)處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)，并添加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在前側(cè)采用機(jī)械限位；⑤肘關(guān)節(jié)。 肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)相似，只有屈/伸自由度，為單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)[16]，運(yùn)動(dòng)范圍為0°～150°，為輔助航天員搬抬重物，將二代登月助力航天服肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副并添加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械限位。

圖1 二代登月助力航天服模型Fig.1 Model of the 2nd generation Lunar Assist Spacesuit

在使用過(guò)程中，一代登月助力航天服暴露出自身質(zhì)量重，載物臺(tái)(圖2⑥)與背部豎板的連接處應(yīng)力集中等問(wèn)題。 同時(shí)，僅靠骨骼服上的固定板與航天員相固定并不是很牢固，當(dāng)航天員穿著一代登月助力航天服負(fù)載過(guò)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)人機(jī)分離的情況，且當(dāng)航天員穿做出特定動(dòng)作如深蹲等時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心不穩(wěn)。 基于以上原因，二代登月助力航天服進(jìn)行了如下方面的改進(jìn)：①上、下肢結(jié)構(gòu)采用2 個(gè)帶有一定弧度的彎桿連接，使結(jié)構(gòu)與穿戴人員身體更加貼合，增加了穿戴舒適度；②優(yōu)化各桿件結(jié)構(gòu)，使航天服外骨骼自重更輕。 取消一代登月助力航天服載物臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，二代登月助力航天服將重物直接放在腰桿位置，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載功能。 此優(yōu)化大大降低了二代登月助力航天服的質(zhì)量，優(yōu)化后的航天服質(zhì)量?jī)H為13 kg，較一代登月助力航天服質(zhì)量降低了35%；③優(yōu)化桿件結(jié)構(gòu)，使得負(fù)載質(zhì)量更多地分配到大腿桿上，負(fù)載分配更為合理，進(jìn)而改善了一代登月助力航天服變形和應(yīng)力集中的情況；④增加肩部固定環(huán)，避免航天員下蹲或背負(fù)較大負(fù)載時(shí)，整體重心后移而摔倒，保證了登月助力航天服在工作時(shí)的穩(wěn)定性；⑤增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度到手腕與扶手結(jié)構(gòu)處，使得航天員的手部可以更靈活地活動(dòng)。

圖2 一代登月助力航天服穿戴示意圖Fig.2 Schematic diagram of the 1st generation Lunar Assist Spacesuit Donning

3 性能分析

以登月助力航天服桿件及關(guān)節(jié)處的變形量及無(wú)約束狀態(tài)下的固有頻率為準(zhǔn)側(cè)，比較兩代登月助力航天服的性能，判斷分析結(jié)果是否在其材質(zhì)鋁合金的極限范圍內(nèi)。 登月助力航天服要求：自身質(zhì)量≤25 kg，承載能力≥90 kg，本文先使用ANSYS Workbench 中的Static Structural 模塊對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)分別施加從15 kg到105 kg的負(fù)載以模擬登月助力航天服負(fù)重情況，以檢驗(yàn)登月助力航天服的負(fù)載能力及應(yīng)力應(yīng)變集中情況。 再使用Modal 模塊對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，分析對(duì)比兩代登月助力航天服的固有頻率及振型。

3.1 網(wǎng)格劃分

使用Pro-E 軟件繪制一代、二代登月助力航天服外骨骼結(jié)構(gòu)，將繪制好的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分是建立登月助力航天服有限元模型的關(guān)鍵步驟。 由于登月助力航天服結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，劃分網(wǎng)格前對(duì)不影響結(jié)果的結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理，可以在保證精度的同時(shí)提高模型的計(jì)算速度。 具體簡(jiǎn)化如下：肘、肩、髖、膝、踝關(guān)節(jié)桿件的螺栓孔簡(jiǎn)化為圓通孔；刪除其余螺栓孔及固定螺釘；修改各桿件連接方式為剛性連接；刪除圓角、倒角等結(jié)構(gòu)。

對(duì)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 兩代登月助力航天服的材料均為鋁合金，材料屬性如表1 所示。

表1 登月助力航天服用鋁合金材料屬性Table 1 Aluminium Alloy Properties of Lunar Assist Spacesuit

考慮到結(jié)構(gòu)不規(guī)則的幾何外形，劃分盡可能均勻且合理，對(duì)結(jié)構(gòu)采取整體自動(dòng)劃分。 一代登月助力航天服節(jié)點(diǎn)數(shù)為274 982，單元數(shù)為145 630。 二代登月助力航天服節(jié)點(diǎn)數(shù)174 236，單元數(shù)為88 771。 網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 一代登月助力航天服網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of the 1st generation Lunar Assist Spacesuit

圖4 二代登月助力航天服網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh of the 2nd generation Lunar Assist Spacesuit

3.2 靜力學(xué)分析

有限元法以微分單元體為媒介，分析了單元體的變形、平衡和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[15-16]，校核單元體是否具有所需要的強(qiáng)度和剛度，為結(jié)構(gòu)力學(xué)的問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)[17]。

對(duì)一代、二代登月助力航天服腳底施加固定約束，模擬其站立工況。 對(duì)其整體施加垂直向下，加速度為1g的重力，模擬其自重。 在一代登月助力航天服載物臺(tái)位置，二代登月助力航天服腰桿位置分別施加方向?yàn)榇怪毕蛳拢笮?5 kg 到105 kg 的均布載荷以模擬不同負(fù)載情況下登月助力航天服的靜力學(xué)特性。

圖5、圖6 為負(fù)載為90 kg 情況下，兩代登月助力航天服的總體變形分布云圖。 一代登月助力航天服的變形主要發(fā)生在載物臺(tái)上，載物臺(tái)端部附近形變最大達(dá)到1.72 mm，后背豎板及腰部連接處也有不同程度的變形；二代登月助力航天服的變形發(fā)生在髖關(guān)節(jié)附近，最大變形位置發(fā)生在腰部連桿，變形量?jī)H為0.22 mm，大腿桿也有小幅度變形。 在負(fù)載為90 kg 時(shí)，二代登月助力航天服的最大變形量?jī)H為一代登月助力航天服最大變形量的12.8%。

圖7、圖8 為負(fù)載為90 kg 的情況下，兩代登月助力航天服的應(yīng)力分布云圖。 一代登月助力航天服最大應(yīng)力為265.49 MPa，在載物臺(tái)與背部豎板連接處發(fā)生應(yīng)力集中分布；二代登月助力航天服最大應(yīng)力為37.932 MPa，分布在腰桿及大腿桿，并無(wú)應(yīng)力集中的情況。 二代登月助力航天服的最大應(yīng)力僅為一代登月助力航天服的14.3%。

圖5 一代登月助力航天服位移云圖Fig.5 Total Deformation of the 1st generation Lunar Assist Spacesuit

圖7 一代登月助力航天服應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent Stress of the 1st generation Lunar Assist Spacesuit

圖9 表示兩代登月助力航天服隨著負(fù)載變化的最大變形。 可以看出，隨著負(fù)載增加，兩代登月助力航天服的最大變形都隨之增加。 但相同負(fù)載情況下，二代登月助力航天服的最大變形量遠(yuǎn)低于一代登月助力航天服。

圖8 二代登月助力航天服應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent Stress of the 2nd generation Lunar Assist Spacesuit

圖9 負(fù)載對(duì)登月助力航天服總變形的影響Fig.9 Effect of Load on Total Deformation of Lunar Assist Spacesuit

圖10 負(fù)載對(duì)登月助力航天服最大應(yīng)力的影響Fig.10 Effect of Load on Equivalent Stress of Lunar Assist Spacesuit

圖10 表示兩代登月助力航天服隨著負(fù)載變化的最大應(yīng)力。 可以看出，隨著負(fù)載增加，兩代登月助力航天服的最大應(yīng)力都隨之增加。 當(dāng)負(fù)載達(dá)到105 kg 時(shí)，一代登月助力航天服的最大應(yīng)力達(dá)到了308.38 MPa，已經(jīng)接近鋁合金的許用應(yīng)力。而此時(shí)二代登月助力航天服的最大應(yīng)力僅為43.39 MPa。 相同負(fù)載情況下，二代登月助力航天服的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于一代登月助力航天服。

二代登月助力航天服外骨骼結(jié)構(gòu)的桿件更細(xì)，但是承力能力要優(yōu)于一代登月助力航天服，這是因?yàn)橐淮窃轮教旆妮d物臺(tái)可近似看作懸臂梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中在載物臺(tái)與背部豎板的連接處；二代登月助力航天服的腰桿可近似看作為簡(jiǎn)支梁，其所受的載荷可等效到2 個(gè)支座上，即2個(gè)大腿桿上，由大腿桿軸向方向受力，進(jìn)而將載荷傳到地面。 從變形和應(yīng)力云圖可以看出，二代登月助力航天服的大腿桿分擔(dān)了腰部負(fù)載的質(zhì)量，并產(chǎn)生了一定的變形，如此設(shè)計(jì)使得負(fù)載分配更加合理。

3.3 模態(tài)分析

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析方法[18]，登月助力航天服在使用過(guò)程中可以簡(jiǎn)化為振動(dòng)系統(tǒng)。 在忽略自身的阻尼并采用自由振動(dòng)方式建立模型時(shí)，可根據(jù)式(1)計(jì)算登月助力航天服的各階振型及固有頻率：

其中，K為剛度矩陣，M為質(zhì)量矩陣，ωi為登月助力航天服的第i階固有頻率。

為提高登月助力航天服的工作可靠性，本文借助ANSYS Workbench 軟件中的Modal 模塊對(duì)兩代登月助力航天服進(jìn)行模態(tài)分析。 采用自由模態(tài)分析方式，其計(jì)算結(jié)果在理論上可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法獲得其任何有約束的特性，而使用約束模態(tài)分析則無(wú)法得到自由狀態(tài)模態(tài)分析的特性[18]。 因此，在無(wú)約束狀態(tài)下使用有限元模態(tài)分析方法計(jì)算登月助力航天服的固有頻率具有一定的理論指導(dǎo)作用。

提取兩代登月助力航天服的前15 階模態(tài)頻率，各階固有頻率及振型如表2 所示。 兩代登月助力航天服剛體前三階振型為剛體平動(dòng)，可忽略不計(jì)。 在第5、6、7、9、13 階兩者振型出現(xiàn)差異。圖11、圖12 為兩代登月助力航天服第5、6、7、9、13 階的模態(tài)頻率及振型云圖。

圖13 為兩代登月助力航天服固有頻率的隨階次變化的情況。 階次相同情況下，二代登月助力航天服具有更低的固有頻率。 將來(lái)擬在肘、肩、髖、膝關(guān)節(jié)處添加盤(pán)式電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)助力。 因此，在滿足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)功率的情況下，所選電機(jī)的頻率應(yīng)避開(kāi)航天服的固有頻率。所得結(jié)果對(duì)航天服的關(guān)節(jié)控制電機(jī)的選取提供了一定依據(jù)。

表2 兩代登月助力航天服各階固有頻率及振型比較Table 2 Natural Frequency and Modal of the 1st and the 2nd generation Lunar Assist Spacesuits

圖11 一代登月助力航天服振型云圖Fig.11 Modal nephogram of the 1st generation Lunar Assist Spacesuit

4 結(jié)論

1)對(duì)二代登月助力航天服進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的二代登月助力航天服質(zhì)量降低了35%，并在肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)進(jìn)行機(jī)械限位。

2)在負(fù)載90 kg 的情況下，二代登月助力航天服的最大變形量和最大應(yīng)力僅為一代登月助力航天服的12.8%和14.3%；當(dāng)負(fù)載質(zhì)量達(dá)到105 kg時(shí)，一代登月助力航天服載物臺(tái)處接近鋁合金材料的應(yīng)力極限308.38 MPa，二代登月助力航天服的最大應(yīng)力僅為43.39 MPa，且無(wú)應(yīng)力集中情況。

3)相同階數(shù)下，二代登月助力航天服具有更低的固有頻率，所得結(jié)果對(duì)航天服的關(guān)節(jié)控制電機(jī)的選取提供了一定依據(jù)。