关节式便携脚限位器的设计与分析

发布时间：2017-08-20 16:09

  本文关键词：关节式便携脚限位器的设计与分析

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【摘要】：舱外活动是载人航天工程的一项关键技术,可用于完成观测地面目标、在轨维修和组装各种航天器及大型空间设施等任务。宇航员在太空微重力的环境下执行舱外活动需要一种可靠的固定方式,也需要能够实时调节自身的位姿以适应工作需要。本文针对此需求,设计了一款实用的关节式便携脚限位装置,它能够为宇航员提供有效的脚部约束,并且能借助脚的动作实现位姿的在轨调节,结构紧凑便于携带,操作简单灵活。本文将关节式便携脚限位器分为四个单元进行设计,包括脚限位踏板、位姿调节单元、载荷限制单元和安装接口。从功能实现上进行总体方案的设计:首先提出了脚限位踏板和安装接口的实现方案,实现宇航员、脚限位器以及舱外工作站接口的连接;之后设计由偏航、回转和俯仰三个串联关节组成的位姿调节单元,针对偏航和回转关节在轨脚动调节方式及自锁功能,提出了两种设计方案并详细阐述了功能实现原理和操控实现方式,确定分度斜齿传动方案作为较优方案,对于俯仰关节提出可单手操作的锁紧-解锁方案;最后为了防止装置过载时对工作站接口产生冲击和破坏,根据承受任意方向载荷的需求,提出载荷限制单元的支撑方案和承载机构,对其弹性元件和支撑组件进行了设计选型。由此对各单元的结构方案进行整合,形成最终的设计方案。根据各关节的设计目标参数和力学性能等指标,对脚限位器各部分进行详细的结构设计。根据脚限位器受力情况及承载能力要求,对脚限位器关键零部件进行强度和刚度校核。对脚限位器中关键运动机构如偏航机构及踏板连杆机构进行仿真,验证其转角和受力情况。对载荷限制单元的卸载性能进行仿真,模拟脚限位器受到恒定载荷或瞬时冲击时支撑件的运动情况以及接口的受力情况。分析脚限位器的调姿范围和角度对应情况,为宇航员的使用控制提供参考,并对整体结构进行稳定性及运动干涉性分析。实验中通过部分结构悬空及横置的方法模拟微重力环境,根据脚限位器的运动范围、运动精度和锁紧性能等关键指标,验证方案的可行性并评价其操作性能。搭建光学测试平台进行偏航关节角度的测量及运动的实时监测,检验其运动性能。测量俯仰关节的按压力,检验其操作性能。
【关键词】：脚限位器 位姿调节 载荷限制 舱外活动
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V441
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及综述10-16
• 1.2.1 国外研究现状10-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.2.3 国内外文献综述16
• 1.3 主要研究内容16-18
• 第2章 关节式便携脚限位器总体方案设计18-29
• 2.1 引言18
• 2.2 设计约束条件18-19
• 2.2.1 主要功能18
• 2.2.2 设计要求18-19
• 2.2.3 设计要求分析19
• 2.3 脚限位器的组成19-20
• 2.4 脚限位踏板的方案设计20-21
• 2.5 位姿调节单元的方案设计21-26
• 2.5.1 偏航和回转关节及其控制机构方案设计21-25
• 2.5.2 俯仰关节及其锁止机构方案设计25-26
• 2.6 载荷限制单元和安装接口的方案设计26-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第3章 关节式便携脚限位器的结构设计和分析29-40
• 3.1 引言29
• 3.2 脚限位踏板的结构设计29-31
• 3.2.1 脚限位踏板结构设计29-30
• 3.2.2 脚限位踏板人机工效学评价30-31
• 3.3 偏航和回转关节结构设计31-33
• 3.3.1 踏板连杆机构设计31
• 3.3.2 偏航和回转关节操作力分析31-33
• 3.4 俯仰关节结构设计和分析33-35
• 3.4.1 俯仰关节及锁止机构设计33-34
• 3.4.2 俯仰关节的操作力分析34-35
• 3.5 载荷限制单元和安装接口结构设计35-39
• 3.5.1 安装接口结构设计35-36
• 3.5.2 安装接口的操作力分析36-37
• 3.5.3 载荷限制单元受力分析37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 关节式便携脚限位器的仿真及实验验证40-58
• 4.1 引言40
• 4.2 关键零部件的强度、刚度校核40-43
• 4.3 关键机构的仿真分析43-48
• 4.3.1 偏航机构运动仿真43-44
• 4.3.2 踏板连杆机构运动仿真44-45
• 4.3.3 载荷限制单元动力学仿真45-48
• 4.4 调姿范围及运动干涉性分析48-53
• 4.4.1 调姿范围及角度对应分析48-51
• 4.4.2 运动干涉性分析51-52
• 4.4.3 稳定性分析52-53
• 4.5 关节式便携脚限位器的实验验证53-57
• 4.5.1 各关节运动范围及增量验证53-56
• 4.5.2 俯仰关节操作性能验证56
• 4.5.3 安装接口操作性能验证56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 结论58-59
• 参考文献59-63
• 致谢63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 武研;;航天员出舱活动作业技巧[J];国际太空;2008年03期

2 朱仁璋;王鸿芳;王晓光;;舱外活动系统述评[J];航天器工程;2008年06期

3 周前祥;;人机整合出舱活动的模拟失重试验技术研究进展[J];中国航天;2006年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王晓波;碟形弹簧的力学性能研究[D];郑州大学;2007年

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本文编号：707565