王 煒，陶建國，孫 浩

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，哈爾濱150001；3.空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100094)

一種航天員艙外活動用腳限位器的設(shè)計與分析

王 煒1，3，陶建國2，孫 浩2

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，哈爾濱150001；3.空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100094)

針對航天員開展艙外活動時與艙體的可靠連接和工作位姿的調(diào)節(jié)與固定這兩個亟待解決的問題，提出了一種艙外活動用新型三關(guān)節(jié)便攜式腳限位器的設(shè)計，闡述了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，確定了其系統(tǒng)方案和技術(shù)參數(shù)；基于靜力學(xué)和有限元分析，對設(shè)計進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用ADAMS軟件對該裝置進行了運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，驗證了該裝置通過三個關(guān)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)折疊狀態(tài)和調(diào)節(jié)位姿的有效性，獲得了主要關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)的運動學(xué)和動力學(xué)特性，為該裝置的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

航天員；艙外活動；腳限位器；結(jié)構(gòu)設(shè)計；仿真分析

1 引言

腳限位器是航天員開展在軌活動必不可少的輔助設(shè)備，分為艙內(nèi)活動用腳限位器以及艙外活動用腳限位器兩種。其中，艙外活動用腳限位器是航天員完成艙外工作的重要輔助設(shè)備，其作用是確保航天員在開展艙外活動時的可靠連接，并能夠?qū)教靻T的位姿進行調(diào)節(jié)，在空間站以及航天飛機的艙外工作系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

美國ESSEX公司于1986年為NASA設(shè)計的末端執(zhí)行器腳限位器[1](Manipulator Foot Restraint，MFR)，是最早用于航天員艙外活動的限位裝置之一，它作為空間站遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，安裝在遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的末端執(zhí)行器上，在進行哈勃望遠(yuǎn)鏡在軌維修時發(fā)揮了關(guān)鍵作用[2-3]。F.D.Riel和L.P.Morata于1992年首次提出了功能更強的多關(guān)節(jié)便攜式腳限位器(Articulating Portable Foot Restraint，APFR)的設(shè)想[4-5]，1994年Kevin Enders等人給出了一種APFR的設(shè)計方案，并對腳限位器的強度、受力變形等進行了計算[6]。1995年洛克希德·馬丁公司對APFR進行了研發(fā)，研制出具有橫滾、俯仰、偏航三個關(guān)節(jié)的便攜腳限位器[7]，該裝置與加拿大臂末端執(zhí)行器相聯(lián)，用以輔助航天員艙外作業(yè)。以后NASA、馬里蘭大學(xué)等又對APFR進行了深入的研發(fā)，使其更靈活、更輕便[8]。

上述腳限位器中橫滾和俯仰都是被動關(guān)節(jié)，航天員需要把持作業(yè)區(qū)的其它設(shè)備或部件，借助外力作用來調(diào)控這兩個關(guān)節(jié)的姿態(tài)[9-10]，存在一定的不便性。本文提出并設(shè)計了一種新型三關(guān)節(jié)腳限制器，航天員不需借助其它設(shè)備或部件就可以自主調(diào)節(jié)橫滾和俯仰關(guān)節(jié)，較大地提高了調(diào)控的便捷性。

2 AFPR的組成與工作原理

2.1 APFR的組成

三關(guān)節(jié)便攜式腳限位器主要由腳限位踏板，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與控制機構(gòu)，快速安裝接口和載荷限制器四個部分組成，如圖1所示。其中，腳限位踏板用以支撐航天員身體部分并約束宇航靴的靴尖和靴跟，以保證航天員的艙外作業(yè)安全；轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與控制機構(gòu)包括繞X軸的俯仰、繞Y軸的橫滾與Z軸的偏航三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和三個相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制子機構(gòu)，用以輔助航天員實時地調(diào)整工作位姿并鎖定；快速安裝接口包含一個帶解鎖手柄、棘爪和齒牙的柱狀探頭，用以將腳限位器連接并鎖緊在艙外工作點上?？焖侔惭b接口前部的載荷限制器用于緩沖和減振，并防止接口過載或?qū)δ_限位器支撐設(shè)備造成過大的沖擊，是腳限位器重要組成部件之一。

另外，腳限位踏板和橫滾關(guān)節(jié)支架處還有一些輔助接口可以用于安裝放置工具箱、在軌可換元件或照明等小型設(shè)備的輔助支架，系安全繩以及腳限位器處于收攏狀態(tài)時的鎖定。

圖1 腳限位器的組成Fig·1 Com position of the APFR

2.2 APFR的工作原理

在執(zhí)行艙外任務(wù)時，APFR由航天員攜帶出艙，到達工作地點后，將快速安裝接口的探頭插入到機械臂末端執(zhí)行器或艙外其它工作點的插槽中，棘爪會自動伸出并與齒牙協(xié)同將APFR鎖定在工作點。若要解鎖APFR，則按壓解鎖手柄并往外拔即可快速卸下。初步調(diào)整好三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的角度，使腳限位踏板應(yīng)略微向前傾斜。航天員雙腳站在腳限位踏板上，腳限位踏板上有兩個腳鐙供宇航靴腳尖部分套入；還有兩個靴根卡與兩個腳鐙對應(yīng)，用于在航天員站定后卡住靴根，從而可靠地限制其靴尖、靴跟的移動；每套腳鐙與靴根卡之間另有一個靴底引導(dǎo)條用于宇航靴根進入或脫出靴根卡時的側(cè)向滑轉(zhuǎn)導(dǎo)向。

如圖1所示，航天員還可以根據(jù)需要，分別通過兩個控制踏板實時調(diào)整腳限位踏板的橫滾與偏航關(guān)節(jié)角，當(dāng)航天員分別用腳壓下或用繩索拉抬兩個相應(yīng)踏板時，橫滾關(guān)節(jié)或偏航關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)正向或反向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)；俯仰角度則需要航天員在站上腳限位踏板前手動調(diào)節(jié)好，其步驟是先旋擰鎖緊鈕到解鎖狀態(tài)，扳動俯仰關(guān)節(jié)至合適角度后，再反向旋擰鎖緊鈕到鎖緊狀態(tài)。每次調(diào)整后各關(guān)節(jié)均能實時、可靠地鎖定。

3 APFR的設(shè)計

3.1 腳限位踏板

腳限位踏板是供航天員站立并對其腳部位置進行約束的工作平臺，同時安裝橫滾與偏航的關(guān)節(jié)控制踏板，并設(shè)置有輔助連接接口以供安裝放置工具或照明等小型設(shè)備的輔助支架，以及用于AFPR在艙內(nèi)的鎖定。

如圖1所示，腳限位踏板底部設(shè)計為一呈梯形的支撐底板1，其長度尺寸能夠完全容納航天員兩腳分開站立(與人體臀寬相近)，寬度尺寸要能夠容納宇航靴腳掌至腳跟的長度。支撐底板1上面固定有由兩個腳鐙2，供宇航靴腳尖部分套入，腳鐙的形狀要與各型宇航靴腳面部基本吻合，并留出約10 mm間隙。支撐底板1上面還固定有兩個與腳蹬對應(yīng)的靴跟卡條3，卡條的形狀與宇航靴跟部相吻合，并帶有凸緣，用于在航天員站定后卡住靴根，約束其靴跟的向后竄動和抬起。每對腳鐙與靴跟卡之間另有一個靴底引導(dǎo)條4，用于宇航靴的靴跟部進入或脫出靴根卡條3時的側(cè)移導(dǎo)向，其形狀應(yīng)大致沿以宇航靴腳掌中心的圓弧，并使其與靴根卡條間的間距在宇航靴進入就位時剛好容納下靴根部，從而可靠地約束宇航靴的前、后竄動和抬起，防止宇航靴意外滑脫，保證航天員的艙外作業(yè)安全。輔助接口5用于安裝輔助支架和AFPR在艙內(nèi)的鎖定。支撐底板1下面設(shè)有接口，用于安裝轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的控制踏板6。

圖2 腳踏板結(jié)構(gòu)圖Fig·2 Boot plate

3.2 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與驅(qū)動機構(gòu)

3.2.1 俯仰關(guān)節(jié)及鎖止機構(gòu)

如圖3所示，俯仰關(guān)節(jié)設(shè)計為由支承圓盤1、鎖止球2、彈簧3、移動銷4、鎖緊凸輪5、手柄6和轉(zhuǎn)動架7組成。

轉(zhuǎn)動架7可以繞支承圓盤1的中心軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)俯仰轉(zhuǎn)動，由裝于轉(zhuǎn)動架7內(nèi)、被彈簧3壓迫的移動銷4所含的鎖止球2嵌入到支承圓盤1圓周面上均布的球孔中進行轉(zhuǎn)動角的分度和定位。定位時，旋轉(zhuǎn)帶鎖緊銷的手柄6，通過其連接的鎖緊凸輪5壓緊移動銷4，使鎖止球進入支承圓盤1的球孔進行鎖緊定位，并能實現(xiàn)機械自鎖。調(diào)整關(guān)節(jié)角度時，要先反向旋擰手柄帶動鎖緊凸輪5轉(zhuǎn)動而解鎖，然后鎖止球2在扳動轉(zhuǎn)動架的外力作用下推動移動銷4回縮，使鎖止球自支承圓盤1上的球孔中脫出，轉(zhuǎn)動架7沿扳動力方向進行實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，當(dāng)達到預(yù)定轉(zhuǎn)角、鎖止球進入目標(biāo)孔后，再轉(zhuǎn)動手柄鎖緊該關(guān)節(jié)。

圖3 俯仰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖Fig·3 Sketch map of the pitch joint

3.2.2 橫滾關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)

如圖4所示，橫滾關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計為由支承架1、蝸輪2、轉(zhuǎn)動支架3、蝸桿4、凸輪5、連桿6、連接件7、踏板支架8、移動桿9、腳限位踏板10、驅(qū)動踏板11、復(fù)位彈簧12、導(dǎo)塊13、雙聯(lián)棘爪14、擺桿15和棘輪16組成。驅(qū)動踏板11安裝在腳限位踏板10的下面，每踩壓驅(qū)動踏板11，則通過導(dǎo)塊13提拉移動桿9及連桿6，從而帶動擺桿15繞其下端軸線轉(zhuǎn)動；同時，與擺桿15上端鉸接的雙聯(lián)棘爪14在隨擺桿15擺動時，推動棘輪16與擺桿15同向轉(zhuǎn)動，并帶動與棘輪16固聯(lián)的蝸桿4與蝸輪2嚙合轉(zhuǎn)動；因為蝸輪2與支承架1固聯(lián)，于是，與由軸承支承在轉(zhuǎn)動支架3上的蝸桿4就帶動轉(zhuǎn)動支架3繞蝸輪2軸線轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動支架3相對支承架1的橫滾轉(zhuǎn)動；而通過連接件7和踏板支架8與轉(zhuǎn)動支架3連接的腳限位踏板10也隨之相對支承架1做橫滾轉(zhuǎn)動，支承架1與俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動架固聯(lián)。

圖4 橫滾關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖Fig·4 Sketch map of the roll joint

當(dāng)從初始位置提拉驅(qū)動踏板11時，驅(qū)動機構(gòu)與踩壓驅(qū)動踏板11時的運動方向相反，而雙聯(lián)棘爪14位于擺桿15兩側(cè)的棘爪則在凸輪5的作用下交換與棘輪的嚙合，實現(xiàn)棘輪的轉(zhuǎn)動換向，從而實現(xiàn)腳限位踏板10換向轉(zhuǎn)位。松開驅(qū)動踏板11，腳限位踏板10也會保留在當(dāng)前轉(zhuǎn)位。因此，通過踩壓或提拉驅(qū)動踏板11可以實現(xiàn)腳限位踏板10兩個不同方向的橫滾轉(zhuǎn)位。

3.2.3 偏航關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)

如圖5所示，設(shè)計的偏航關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與橫滾關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似，由腳限位踏板1、踏板支架2、蝸輪3、軸承4、連接支架5、棘輪6、蝸桿7、凸輪8、連桿9、復(fù)位彈簧10、驅(qū)動踏板11、雙聯(lián)棘爪12和擺桿13組成。驅(qū)動踏板11安裝在腳限位踏板1的下面，每踩壓驅(qū)動踏板11，則通過其與連桿9和擺桿13組成的連桿機構(gòu)、擺桿13與棘輪6及雙聯(lián)棘爪12組成的棘輪機構(gòu)帶動與棘輪6固聯(lián)的蝸桿7與蝸輪3嚙合轉(zhuǎn)動；因為蝸輪3與連接支架5固聯(lián)，因此與由軸承支承在踏板支架2上的蝸桿7就帶動踏板支架2繞蝸輪3軸線轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)踏板支架2及其固聯(lián)的腳限位踏板1相對連接支架5的偏航轉(zhuǎn)動；連接支架5與橫滾關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動支架固聯(lián)。

圖5 偏航滾關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖Fig·5 Sketch map of the yaw joint

如果松開驅(qū)動踏板11，則它在復(fù)位彈簧10的作用下回到初始位置，連桿9、雙聯(lián)棘爪12和擺桿13也隨之回到初始位置，而蝸輪3和蝸桿7由于機械自鎖停留在當(dāng)前位置，從而使腳限位踏板1也保留在當(dāng)前轉(zhuǎn)位。與橫滾關(guān)節(jié)相似，當(dāng)從初始位置提拉驅(qū)動踏板11時，借助雙聯(lián)棘爪12和凸輪8，偏航關(guān)節(jié)也可以實現(xiàn)腳限位踏板1的換向轉(zhuǎn)位。

3.3 APFR的快速安裝接口

如圖6所示，快速安裝接口的右側(cè)裝配端部設(shè)計為帶錐端的圓柱探頭2，與機械臂末端執(zhí)行器或艙外工作點的接口配合定位，并承受作業(yè)時的彎矩和剪切力作用。

圖6 快速安裝接口結(jié)構(gòu)示意圖Fig·6 Sketch map of the active worksite interface

圓柱探頭2的圓錐端為了便于安裝時的就位，與其相連的圓柱部分均布有三個突出的反向制動棘爪1，常態(tài)下制動棘爪在彈簧作用下突出于圓柱探頭外，對接安裝后將進入機械臂末端執(zhí)行器或艙外工作點接口的凹槽內(nèi)，起到軸向鎖緊定位作用；圓柱探頭2的軸肩與柱體根部相鄰處沿圓周均布有齒牙，起到圓周方向的鎖緊定位作用。拆卸時，航天員雙手壓下安裝在左側(cè)把持端空心圓柱體5上的三個的解鎖手柄6，可以迫使空心圓柱體的內(nèi)部帶錐端的移動長銷4向右移動，進而推動滑塊3向右移動，于是滑塊3的斜面通過滾珠7壓下制動棘爪1，使制動棘爪1收進圓柱探頭內(nèi)實現(xiàn)解鎖；此時，圓柱探頭2可以從對接的接口中向左拔出。松開解鎖手柄6，該手柄、移動長銷4和制動棘爪1的將在壓縮彈簧的作用下復(fù)位。

3.4 載荷限制器

由于航天員在出艙作業(yè)時依賴于腳限位踏板提供腳部約束，所有的操作力與力矩直接通過航天員的足底傳遞至與之相連的接口及裝置，如機械臂的末端。若不加以控制，操作力/力矩過大則有可能會對腳限位器及其接口，甚至機械臂造成一定的破壞。載荷限制器正是為了緩沖和減振，并防止接口過載或?qū)χ卧O(shè)備造成過大的力沖擊而設(shè)計的。

如圖7(a)所示，設(shè)計的載荷限制器由基座1、彈性元件2、支架3、鎖緊桿4、導(dǎo)向柱5、壓縮彈簧6、鎖緊螺母7及外殼9構(gòu)成。其中，鎖緊螺母7、壓縮彈簧6、導(dǎo)向柱5和帶有球端的鎖緊桿4將支架3壓緊在置于基座1嵌槽內(nèi)的彈性元件2上，形成支撐力；8個導(dǎo)向柱5嵌入在基座1的8個U形槽內(nèi)，在對支架3進行圓周方向的轉(zhuǎn)動限位的同時，允許支架3在任意軸剖面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。支架3與支撐俯仰關(guān)節(jié)的空心圓柱體8連接，基座1與快速安裝接口的圓柱探頭連接。如圖7b所示，航天員在腳限位踏板上操作時的作用力與力矩將傳遞作用于載荷限制器上，當(dāng)作用力與力矩超過一定限度時，載荷限制器中的彈性元件會發(fā)生較大彈性變形使腳限位踏板產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)位移，從而產(chǎn)生卸載效果，保護腳限位器、安裝接口及支撐設(shè)備免受破壞。最大允許偏轉(zhuǎn)位移量可以由外殼9的開口限定。

圖7 載荷限制器結(jié)構(gòu)及作用原理示意圖Fig·7 Sketch map of the structure and working principle of the load limiter

3.5 相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，并考慮到航天員在艙外操作的方便性和安全性，經(jīng)計算確定APFR的主要相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 APFR主要參數(shù)Table 1 Main parameters of APFR

4 APFR的仿真分析

首先把三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中，然后模型上施加約束、力或者力矩以及運動激勵；對整個系統(tǒng)進行交互式的動力學(xué)仿真分析。圖8為導(dǎo)入ADAMS并且施加約束和載荷后的模型。

4.1 橫滾關(guān)節(jié)

航天員踩壓或提拉橫滾關(guān)節(jié)驅(qū)動踏板時，通過傳動機構(gòu)對腳限位踏板進行橫滾方位的調(diào)節(jié)。由分析棘爪撥動棘輪正向或反向轉(zhuǎn)動一個檔位時，橫滾關(guān)節(jié)角度隨時間的變化規(guī)律和驅(qū)動踏板所需的作用力隨時間的變化規(guī)律可以看出橫滾運動的角度調(diào)節(jié)為每踩踏或提拉一次轉(zhuǎn)動大約10°，最大所需力約為40 N。

圖8 在ADAMS中的導(dǎo)入模型Fig·8 The model in ADAMS

圖9 橫滾關(guān)節(jié)正向轉(zhuǎn)動角度變化和驅(qū)動力曲線Fig·9 The curve of roll angle and d riving force

4.2 偏航關(guān)節(jié)

航天員踩壓或提拉偏航關(guān)節(jié)驅(qū)動踏板時，通過傳動機構(gòu)對腳限位踏板進行偏航方位的調(diào)節(jié)。由分析棘爪撥動棘輪正向或反向轉(zhuǎn)動一個檔位時，偏航關(guān)節(jié)角度隨時間的變化規(guī)律和驅(qū)動踏板所需的作用力隨時間的變化規(guī)律可以看出偏航運動的角度調(diào)節(jié)為每踩踏或提拉一次轉(zhuǎn)動大約10°，所需力最大約為34 N。

圖10 偏航關(guān)節(jié)正向轉(zhuǎn)動角度變化和驅(qū)動力曲線Fig·10 The curve of yaw angle and driving force

4.3 載荷限制器

為便于仿真，載荷限制器中的彈性元件簡化為均布的12個并聯(lián)彈簧，分別對應(yīng)彈性元件中12個均布的齒爪。在工作時，每個彈簧的受力情況不同。根據(jù)理論模型，建立其彈性支撐模型如圖11所示。不計彈簧的質(zhì)量，并將其視為有阻尼彈性體；在ADAMS的仿真分析模型中，使用阻尼器、彈簧等連接，模擬載荷限制單元的彈性阻尼系統(tǒng)。彈簧勁度系數(shù)和阻尼分別為K和C，彈簧剛度為40 N/m，阻尼系數(shù)在0.03～0.065之間選取，阻尼比在0.1 N·s/mm左右。在支架與支承底座之間建立剛性接觸，以防止在仿真過程中，支架穿過底座。

圖11 載荷限制器受力分析模型Fig·11 The force analysis model of the load limiter

由于無論是作用力還是力矩的作用效果都是使載荷限制器的支承端發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以這里在進行ADAMS仿真時可將作用載荷均簡化為一個轉(zhuǎn)矩。分別為施加30 N·m和60 N·m載荷時，施加30 N·m載荷時的偏轉(zhuǎn)角約為5°；施加60 N·m載荷時的偏轉(zhuǎn)角約為13°。之后彈簧在阻尼的影響下振幅漸減至彈簧力與輸入力矩的平衡點。

5 結(jié)論

本文介紹了一種新型腳限位器APFR的系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對該腳限位器的調(diào)整范圍、關(guān)節(jié)驅(qū)動力、快速安裝接口的解鎖力和載荷限制器的承載特性進行了仿真分析。分析結(jié)果表明，各關(guān)節(jié)的調(diào)整范圍和關(guān)節(jié)驅(qū)動力能夠滿足航天員的操作需要和人體力學(xué)要求；載荷限制器對載荷的響應(yīng)合理，能夠達到緩沖效果。

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Design and Simulation Analysis of a Foot Restraint for Astronaut EVA

WANG Wei1，3，TAO Jianguo2，SUN Hao2
(1.Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.Research Center of Aerospace Mechanism and Control，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；3.Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing 100094，China)

Foot restraint is an important auxiliary equipment for astronaut extravehicular activities (EVA).In order to meet the needs of reliable connection and the adjustment of position during EVA，a new kind of articulating portable foot restraint(APFR)with three joints was put forward. Its composition and working principle were introduced and the systematic design and technical parameters of the APFR were determined.Based on static and finite element analysis，the APFR structure design was conducted，kinematics and dynamics simulation analysis of the APFR were performed with ADAMS software.Simulation results verified the effectiveness of the three joints during the folding state and position adjusting.The kinematics and dynamics characteristics to adjust position by joints of the APFR were obtained.It laid a foundation for the structure improvement and optimization of the APFR.

astronaut；EVA；foot restraint；structure design；simulation analysis

V476.3

A

1674-5825(2015)05-0492-06

2015-03-11；

2015-08-13

王 煒(1975-)，男，碩士，工程師，研究方向為航天器機構(gòu)設(shè)計。E-mail：forest-wang＠vip.sina.com