登月助力航天服機械結構優(yōu)化設計及有限元分析

王君堯，戴躍洪，李照陽，唐 鵬

(電子科技大學航空航天學院， 成都611731)

1 引言

隨著月表探索活動的展開，艙外作業(yè)范圍不斷擴大，作業(yè)復雜度不斷提高，作業(yè)數量也不斷增加。 諸多工作(如設備維修、貨物運輸和科學實驗等)需航天員到高輻射、高真空的艙外環(huán)境開展[1]。 航天服為航天員艙外活動提供生命保障，但服內氣壓對人體各關節(jié)運動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運用到現有的航天服上，輔助航天員實現抓、舉、抬、拉等動作，增強其負載能力及運動能力，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)風險[4-5]。

目前，國內外設計了多款外骨骼結構并對其進行了性能分析。 Judnick 等[6]提出的機械反壓方案對人體局部起到了抗壓防護作用，但造價較高；唐志勇等[7]設計了一種軍用的下肢外骨骼機器人，主要為行軍過程中的士兵提供負載能力；孫明艷等[8]設計了一種下肢外骨骼裝置，并驗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]將設計的外骨骼機器人導入到Adams 中進行動力學仿真，得到外骨骼機器人關節(jié)的動力學參數，并依次對該結構進行了改進和優(yōu)化；高羽翯等[10]對外骨骼機械結構進行優(yōu)化設計，驗證了驅動布置和結構優(yōu)化的合理性；Li 等[11]針對外骨骼研究中的一些關鍵問題，指出了控制外骨骼的難點所在。

本文結合人體關節(jié)模型，進行二代登月助力航天服關節(jié)自由度設計，優(yōu)化其結構；使用Pro-E繪制一代和二代登月助力航天服的三維模型，并對其進行靜力學分析，得到其在負載況下的應力情況和變形情況；對兩代登月助力航天服進行模態(tài)分析，得到其固有頻率。 研究結果將對登月助力航天服的機械結構設計及優(yōu)化、負載重力分配等問題提供理論依據。

2 二代登月助力航天服

登月助力航天服綜合運用了機械、傳感、控制、能源和材料等技術，構建航天員可穿戴的運動和作業(yè)輔助系統(tǒng)，能夠主動感知航天員的運動狀態(tài)和趨勢，通過各關節(jié)執(zhí)行隨動控制提供實時助力，提高航天員在月球表面的艙外活動能力。 登月助力航天服的設計需考慮人機耦合問題，不能使其對人體的運動產生阻礙作用[12]；自身質量也是評價登月助力航天服的重要指標之一；更輕巧、更合理的結構設計將減輕電機助力的負擔，增加登月助力航天服的負載能力[13]，使負載分配更為合理[14-15]。

二代登月助力航天服的自由度及結構設計如圖1 所示，包括：①肩關節(jié)。 根據仿生學設計，肩關節(jié)呈球狀結構，使肩關節(jié)可繞3 個運動軸做內收/外展、屈/伸、環(huán)轉/回旋的運動[16]。 二代登月助力航天服肩關節(jié)采用3 個相互獨立的轉動副設計。 由于在行走過程中，手臂運動主要集中在矢狀面擺動及抓、舉、抬、拉等動作，為簡化結構，將肩部結構設計為矢狀軸和垂直軸3 個方向的轉動副，并在屈/伸轉動處添加主動驅動；②髖關節(jié)。與肩關節(jié)相似，關節(jié)呈球狀結構。 行走時髖關節(jié)僅會產生小幅度的內旋和外旋的運動[16]，對步態(tài)行走影響甚小，運動主要集中在矢狀面，因此僅在髖關節(jié)屈/伸轉動處添加主動驅動；③踝關節(jié)。 使腳步繞額狀軸在矢狀面內和繞額狀軸在冠狀面內做轉動[16]，因此踝關節(jié)由2 個轉動副組成。 正常踝關節(jié)背伸可達-20°，跖屈可達50°，約有70°的活動范圍，為防止意外，避免失效情況下意外的發(fā)生，在踝關節(jié)處采用了機械限位；④膝關節(jié)。 小腿可繞膝關節(jié)的額狀軸在矢狀面內作屈/伸運動，運動范圍為-120°～5°。 在小腿屈曲后可繞垂直軸作微小的旋轉，但在一般情況下，僅認為膝關節(jié)具有屈/伸自由度[16]。 二代登月助力航天服在膝關節(jié)處添加轉動副設計，并添加主動驅動，同時在前側采用機械限位；⑤肘關節(jié)。 肘關節(jié)與膝關節(jié)相似，只有屈/伸自由度，為單自由度轉動[16]，運動范圍為0°～150°，為輔助航天員搬抬重物，將二代登月助力航天服肘關節(jié)設計成一個轉動副并添加主動驅動和機械限位。

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

在使用過程中，一代登月助力航天服暴露出自身質量重，載物臺(圖2⑥)與背部豎板的連接處應力集中等問題。 同時，僅靠骨骼服上的固定板與航天員相固定并不是很牢固，當航天員穿著一代登月助力航天服負載過重時，會出現人機分離的情況，且當航天員穿做出特定動作如深蹲等時會出現重心不穩(wěn)。 基于以上原因，二代登月助力航天服進行了如下方面的改進：①上、下肢結構采用2 個帶有一定弧度的彎桿連接，使結構與穿戴人員身體更加貼合，增加了穿戴舒適度；②優(yōu)化各桿件結構，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設計，實際應用過程中發(fā)現，二代登月助力航天服將重物直接放在腰桿位置，即可實現負載功能。 此優(yōu)化大大降低了二代登月助力航天服的質量，優(yōu)化后的航天服質量僅為13 kg，較一代登月助力航天服質量降低了35%；③優(yōu)化桿件結構，使得負載質量更多地分配到大腿桿上，負載分配更為合理，進而改善了一代登月助力航天服變形和應力集中的情況；④增加肩部固定環(huán)，避免航天員下蹲或背負較大負載時，整體重心后移而摔倒，保證了登月助力航天服在工作時的穩(wěn)定性；⑤增加一個轉動自由度到手腕與扶手結構處，使得航天員的手部可以更靈活地活動。

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節(jié)處的變形量及無約束狀態(tài)下的固有頻率為準側，比較兩代登月助力航天服的性能，判斷分析結果是否在其材質鋁合金的極限范圍內。 登月助力航天服要求：自身質量≤25 kg，承載能力≥90 kg，本文先使用ANSYS Workbench 中的Static Structural 模塊對結構進行靜力學分析，對結構分別施加從15 kg到105 kg的負載以模擬登月助力航天服負重情況，以檢驗登月助力航天服的負載能力及應力應變集中情況。 再使用Modal 模塊對結構進行模態(tài)分析，分析對比兩代登月助力航天服的固有頻率及振型。

3.1 網格劃分

使用Pro-E 軟件繪制一代、二代登月助力航天服外骨骼結構，將繪制好的模型導入到ANSYS Workbench 中，進行網格劃分。 對結構進行網格劃分是建立登月助力航天服有限元模型的關鍵步驟。 由于登月助力航天服結構較為復雜，劃分網格前對不影響結果的結構進行前處理，可以在保證精度的同時提高模型的計算速度。 具體簡化如下：肘、肩、髖、膝、踝關節(jié)桿件的螺栓孔簡化為圓通孔；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、倒角等結構。

對結構的材料進行參數設置。 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

考慮到結構不規(guī)則的幾何外形，劃分盡可能均勻且合理，對結構采取整體自動劃分。 一代登月助力航天服節(jié)點數為274 982，單元數為145 630。 二代登月助力航天服節(jié)點數174 236，單元數為88 771。 網格劃分結果如圖3、圖4 所示。

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

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

3.2 靜力學分析

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

對一代、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位置，二代登月助力航天服腰桿位置分別施加方向為垂直向下，大小為15 kg 到105 kg 的均布載荷以模擬不同負載情況下登月助力航天服的靜力學特性。

圖5、圖6 為負載為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)生在載物臺上，載物臺端部附近形變最大達到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)生在髖關節(jié)附近，最大變形位置發(fā)生在腰部連桿，變形量僅為0.22 mm，大腿桿也有小幅度變形。 在負載為90 kg 時，二代登月助力航天服的最大變形量僅為一代登月助力航天服最大變形量的12.8%。

圖7、圖8 為負載為90 kg 的情況下，兩代登月助力航天服的應力分布云圖。 一代登月助力航天服最大應力為265.49 MPa，在載物臺與背部豎板連接處發(fā)生應力集中分布；二代登月助力航天服最大應力為37.932 MPa，分布在腰桿及大腿桿，并無應力集中的情況。 二代登月助力航天服的最大應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載變化的最大變形。 可以看出，隨著負載增加，兩代登月助力航天服的最大變形都隨之增加。 但相同負載情況下，二代登月助力航天服的最大變形量遠低于一代登月助力航天服。

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

圖9 負載對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 負載對登月助力航天服最大應力的影響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載變化的最大應力。 可以看出，隨著負載增加，兩代登月助力航天服的最大應力都隨之增加。 當負載達到105 kg 時，一代登月助力航天服的最大應力達到了308.38 MPa，已經接近鋁合金的許用應力。而此時二代登月助力航天服的最大應力僅為43.39 MPa。 相同負載情況下，二代登月助力航天服的最大應力遠低于一代登月助力航天服。

二代登月助力航天服外骨骼結構的桿件更細，但是承力能力要優(yōu)于一代登月助力航天服，這是因為一代登月助力航天服的載物臺可近似看作懸臂梁結構，應力集中在載物臺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支梁，其所受的載荷可等效到2 個支座上，即2個大腿桿上，由大腿桿軸向方向受力，進而將載荷傳到地面。 從變形和應力云圖可以看出，二代登月助力航天服的大腿桿分擔了腰部負載的質量，并產生了一定的變形，如此設計使得負載分配更加合理。

3.3 模態(tài)分析

根據機械結構的模態(tài)分析方法[18]，登月助力航天服在使用過程中可以簡化為振動系統(tǒng)。 在忽略自身的阻尼并采用自由振動方式建立模型時，可根據式(1)計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 模塊對兩代登月助力航天服進行模態(tài)分析。 采用自由模態(tài)分析方式，其計算結果在理論上可以通過數學建模的方法獲得其任何有約束的特性，而使用約束模態(tài)分析則無法得到自由狀態(tài)模態(tài)分析的特性[18]。 因此，在無約束狀態(tài)下使用有限元模態(tài)分析方法計算登月助力航天服的固有頻率具有一定的理論指導作用。

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，可忽略不計。 在第5、6、7、9、13 階兩者振型出現差異。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。 將來擬在肘、肩、髖、膝關節(jié)處添加盤式電機，以實現對航天員的關節(jié)運動助力。 因此，在滿足關節(jié)轉動功率的情況下，所選電機的頻率應避開航天服的固有頻率。所得結果對航天服的關節(jié)控制電機的選取提供了一定依據。

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 結論

1)對二代登月助力航天服進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后的二代登月助力航天服質量降低了35%，并在肘關節(jié)、膝關節(jié)及踝關節(jié)進行機械限位。

2)在負載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力僅為一代登月助力航天服的12.8%和14.3%；當負載質量達到105 kg時，一代登月助力航天服載物臺處接近鋁合金材料的應力極限308.38 MPa，二代登月助力航天服的最大應力僅為43.39 MPa，且無應力集中情況。

3)相同階數下，二代登月助力航天服具有更低的固有頻率，所得結果對航天服的關節(jié)控制電機的選取提供了一定依據。