載人航天器在軌維修地面仿真驗證技術(shù)

李 濤，魏傳鋒，李 偉，張 偉

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

載人航天器在軌維修地面仿真驗證技術(shù)

李 濤，魏傳鋒，李 偉，張 偉

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

為滿足載人航天器型號對微重力和真空環(huán)境下的維修性仿真驗證需求,文章提出并實現(xiàn)了一種混合式仿真驗證平臺。闡述了在軌維修仿真驗證平臺整體構(gòu)架，建立了航天員模型、航天服模型及艙體維修模型，給出了在軌微重力和真空環(huán)境下進行維修的可視性、可達性及維修操作時間的仿真驗證方法。利用該平臺對在軌維修任務(wù)進行仿真驗證，結(jié)果表明，該平臺可以有效仿真和驗證在軌維修，為維修性設(shè)計和優(yōu)化提供了手段。

載人航天器；仿真驗證；在軌維修

0 引言

在軌維修是保障載人航天器壽命期間高可靠性的必要手段[1-2]。航天器在軌維修分艙內(nèi)維修和艙外維修。在軌維修時，人員、設(shè)備、工具受微重力環(huán)境影響，其運動特性與在地面不同；艙外維修時，航天員穿著艙外航天服移動和操作，受真空環(huán)境影響，其運動能力和可視、可達范圍受到限制。因此有必要對航天員在軌維修全流程操作的可視、可達、可操作進行驗證。以往驗證方法主要是艙體環(huán)境下的地面維修試驗和中性浮力地面模擬試驗：地面維修試驗可驗證設(shè)備的安裝和拆卸操作，但無法模擬微重力環(huán)境下的人員和設(shè)備轉(zhuǎn)移[3]；中性浮力地面模擬試驗允許人員直接參與試驗，試驗件與真實設(shè)備接口相同，參試人員可獲得直觀感受，并且試驗時間長，但水槽試驗需要專門設(shè)計適用于水下且耐腐蝕的試驗設(shè)備和工具，代價大，且水對人體和設(shè)備移動存在阻力，無法模擬艙內(nèi)維修時的人體移動和操作[4-5]。

針對以上問題，本文提出并實現(xiàn)了一種混合式的載人航天器在軌維修仿真驗證平臺，將地面試驗數(shù)據(jù)、水槽試驗數(shù)據(jù)和在軌數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)，對維修操作的可視、可達、可操作進行仿真驗證，同時使用運動捕捉設(shè)備進行人在回路仿真，以及對載人航天器在軌維修的全流程進行仿真驗證，對維修操作進行精細化仿真。

1 航天器在軌維修特點

1.1 微重力環(huán)境

1）安裝限位裝置

微重力環(huán)境下在軌艙內(nèi)維修時，一般在故障設(shè)備附近設(shè)計軟質(zhì)腳限制器固定操作者身體，才能使航天員騰出雙手進行維修操作；艙外維修則必須在艙體表面安裝機械腳限位裝置來固定航天員。

2）人員和工具移動方式

航天員在艙內(nèi)移動和搬運維修設(shè)備大多采用漂移的方式，速度比在地面步行、爬行快1～2倍。航天員之間傳遞工具和維修備件時，大多是輕輕推出，使其漂到另一航天員附近，工具傳遞速度一般為1～1.5 m/s，備件一般為0.3～1 m/s，工具或備件體積越大傳遞速度越慢。

3）維修可視域

微重力環(huán)境下，航天員身體體液上升，眼壓變化，其視錐體中心線會下降約14.7°[6]。

1.2 真空環(huán)境

1）維修時間約束

艙外維修時航天員需穿著艙外航天服，艙外航天服提供的氧氣、水、氣壓、電等資源有限，因此單次出艙維修須滿足時間約束[7]。

2）維修操作能力

艙外航天服存在內(nèi)外壓差，航天員移動和操作需要克服壓差阻力，各關(guān)節(jié)活動能力降低，可達范圍變小，同時受航天服頭盔限制，可視范圍縮小。

2 在軌維修仿真驗證方法

2.1 在軌維修仿真平臺

2.1.1 仿真平臺整體架構(gòu)

在軌維修仿真驗證平臺包括航天員三維人體模型庫管理模塊、維修工具庫管理模塊、仿真模塊和維修評價模塊，整體構(gòu)架如圖1所示。平臺采用Jack作為基礎(chǔ)軟件，通過Pro/E和Maya等三維建模軟件建立航天員、艙體、工具、機械臂和設(shè)備等的模型，轉(zhuǎn)換為JT格式，然后將模型導(dǎo)入Jack環(huán)境組裝成維修仿真場景；通過仿真模塊控制航天員移動和機械臂大范圍轉(zhuǎn)移，到達維修工作點后，通過運動捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實設(shè)備驅(qū)動人體數(shù)字模型進行維修操作仿真；仿真過程中通過維修時間庫、姿態(tài)庫對維修過程進行時間估算和姿態(tài)分析，并采用Phython語言編寫程序模塊從仿真環(huán)境中實時提取維修分析和評價的數(shù)據(jù)，再利用 socket通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到維修評價模塊進行評估。

圖1 仿真驗證平臺架構(gòu)圖Fig.1 Framework of the simulation system

2.1.2 仿真建模

1）航天員建模

航天員在艙內(nèi)維修時，大氣環(huán)境和航天員活動能力與地面相同；在艙外維修時，受艙外航天服限制，活動能力不同，因此需要對艙內(nèi)、艙外航天員模型分別建模。

① 艙內(nèi)航天員模型

依據(jù)中國成年人人體尺寸建模，以Jack中95%分位的中國人體模型為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)。首先測量航天員身高、臂展等，根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立人體骨骼模型，并在骨骼關(guān)節(jié)點施加關(guān)節(jié)自由度約束（圖2(a)）；然后根據(jù)腰圍、臀圍等數(shù)據(jù)建立人體肌肉和表面模型，最終得到人體模型，見圖2(b)。

圖2 航天員模型Fig.2 Astronaut model

② 艙外航天員模型

艙外維修時航天員穿著的艙外航天服內(nèi)外壓差為30～50 kPa，航天員活動能力受航天服影響，因此艙外航天員模型建模時需與航天服合并建模。本文采用三維建模軟件建立航天服幾何模型；然后用該幾何模型替換Jack中原有人體模型數(shù)據(jù)，并保留人體頭頸部模型；同時利用TCL語言對Jack人體模型的關(guān)節(jié)自由度進行限制和修改，使其自由度與航天服關(guān)節(jié)自由度一致。

2）航天器平臺建模

航天器平臺包括艙體、維修設(shè)備、機械臂、工具等，均采用自底向上的方法進行建模，本文以機械臂為例進行闡述。以關(guān)節(jié)自由度基準坐標系為局部坐標系，建立關(guān)節(jié)幾何模型，局部坐標系z軸為機械臂關(guān)節(jié)自由度旋轉(zhuǎn)中軸，原點O為z軸與兩關(guān)節(jié)接觸面的交點，xy面為關(guān)節(jié)接觸面，如圖3(a)所示；如果關(guān)節(jié)是中間關(guān)節(jié)，則在關(guān)節(jié)自由度中心分別建立局部坐標，如圖3(b)所示。

圖3 機械臂關(guān)節(jié)模型Fig.3 Robot joint model

關(guān)節(jié)建模完成后，將模型導(dǎo)入Jack環(huán)境，從終端固定關(guān)節(jié)開始組裝機械臂，利用Jack在關(guān)節(jié)1的O點和關(guān)節(jié)2的O1點之間創(chuàng)建Joint旋轉(zhuǎn)自由度并設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度范圍，保存為Figure模型，即完成機械臂的建模，結(jié)果如圖4所示。

圖4 機械臂組裝模型Fig.4 Robot arm model

2.2 在軌維修可視性驗證方法

可視性驗證采用視錐體驗證法[8-10]，首先建立航天員視錐體，然后在維修操作中利用視錐體與維修操作接口的相對位置進行可視性驗證。

2.2.1 航天員視錐體

艙內(nèi)航天員視錐體定義為肢體以及環(huán)境保持不變的情況下，僅眼球運動就能觀察清楚的區(qū)域；艙外航天員可視區(qū)域受艙外航天服頭盔影響，其視錐體定義為航天員頸部運動情況下透過頭盔能夠看到的區(qū)域。視錐體范圍內(nèi)的可視區(qū)域分為最大可視范圍和最佳可視范圍。視錐體數(shù)據(jù)通過地面試驗，從水平和垂直2個方向獲取。圖5為美國航天員視錐體[11]。

圖5 航天員視錐體Fig.5 View frustrum of astronaut

2.2.2 可視性驗證方法

將視錐體建成三維模型，導(dǎo)入虛擬仿真平臺，利用視錐體與機械接口的相對位置進行可視性評價，評價方法分為沉浸式和非沉浸式。

1）非沉浸式驗證方法

設(shè)計人員參考常用維修姿態(tài)庫對數(shù)字人體姿態(tài)進行設(shè)置，然后在人眼處生成視錐體，對維修操作對象是否在視錐體內(nèi)進行驗證。由于航天員在軌微重力環(huán)境下視錐體中心線會下降約14.7°[6]，所以評價時視錐體做相應(yīng)下調(diào)，如圖6所示。

圖6 航天員非沉浸式視錐體驗證Fig.6 Non-immersive visibility analysis for astronaut

2）沉浸式驗證方法

在軌維修時航天員需要頻繁地調(diào)整身體姿勢，因此非沉浸式方法效率較低。為了提高維修操作全過程驗證效率，本文采用沉浸式方法[12]。沉浸式驗證方法采用人在回路方式，地面設(shè)計人員模擬航天員利用艙內(nèi)腳限位器固定身體后的維修操作，利用運動捕捉器、數(shù)據(jù)手套捕獲人體運動數(shù)據(jù)，輸入仿真平臺，驅(qū)動數(shù)字人體模型運動，同時將視錐體內(nèi)的圖像投影到數(shù)據(jù)頭盔中，進行可視性驗證，如圖7所示。

圖7 航天員沉浸式視錐體驗證Fig.7 Immersive visibility analysis for astronaut

2.3 在軌維修可達性驗證方法

采用可達區(qū)域法驗證航天員在維修操作過程中對機、電、液接口的接觸可達性。可達區(qū)域是指航天員身體軀干和環(huán)境保持靜止的情況下，手部能夠抓握到的區(qū)域。航天員在艙內(nèi)操作時，其肩、肘、腕關(guān)節(jié)自由度與地面相同，因此可對數(shù)字人體模型的肩、肘、腕關(guān)節(jié)角度范圍進行遍歷，通過運動學(xué)解算手部可達區(qū)域，如圖8所示。

圖8 艙內(nèi)航天員操作可達區(qū)域Fig.8 Cosmonaut reachability area

航天員進行艙外操作時受艙外航天服內(nèi)外壓差影響，航天員可達區(qū)域無法用運動學(xué)進行解算，因此需通過地面試驗獲取航天員著服情況下在水平和垂直方向能夠達到的區(qū)域，試驗方法如圖9所示[11]。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合艙外航天服可達區(qū)域的封閉三維模型，導(dǎo)入仿真驗證平臺進行仿真驗證，當維修操作接口位于模型內(nèi)部時，則表明可達。

圖9 艙外航天服可達區(qū)域模型Fig.9 Reachability area of extravehicular spacesuite

2.4 在軌維修時間的仿真方法

維修操作時間是影響維修實施方案的重要因素。利用仿真平臺對維修全流程進行過程仿真，建立維修任務(wù)模型，如圖10所示。

預(yù)計維修時間時需將維修全流程逐級分解至基本維修作業(yè)，然后利用在軌數(shù)據(jù)、地面模擬試驗數(shù)據(jù)和數(shù)字仿真數(shù)據(jù)對基本維修作業(yè)時間進行預(yù)計，最后通過加權(quán)推導(dǎo)出維修全流程的時間。艙內(nèi)基本維修作業(yè)時間包括拆卸螺釘、移動等。維修任務(wù)全流程時間采用時間累計法進行仿真驗證，串行作業(yè)的維修時間等于串聯(lián)的基本維修作業(yè)時間的累加值，并行作業(yè)維修時間為各項維修作業(yè)時間的最大值，即

其中：ti是該維修任務(wù)中第i項維修活動的時間；ki是第i項維修活動對整個維修任務(wù)的影響權(quán)重，通過專家打分法獲得；m是維修任務(wù)中維修活動的總數(shù)。

圖10 維修任務(wù)模型Fig.10 Maintenance task model

3 結(jié)束語

本文對載人航天器在軌維修仿真驗證方法進行研究，提出并實現(xiàn)了一種混合式仿真驗證平臺，綜合地面試驗數(shù)據(jù)、水槽試驗數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)對在軌維修全流程進行仿真驗證，可以對在軌維修的可視、可達、維修時間以及維修姿態(tài)進行仿真驗證。利用本平臺對實際任務(wù)進行了仿真驗證，仿真結(jié)果與實際操作結(jié)果在可視性、可達性和維修姿態(tài)方面基本一致；維修操作時間是仿真時間的1～2倍，其原因是目前在軌數(shù)據(jù)較少，平臺的基本維修作業(yè)時間大多從地面試驗得來，利用在軌數(shù)據(jù)對平臺的仿真模型進行修正是下一步研究的重點。

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（編輯：馮露漪）

Simulation and validation technology of manned spacecraft on-orbit maintenance

LI Tao, WEI Chuanfeng, LI Wei, ZHANG Wei
(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

According to the simulation requirements of on-orbit maintenance task for manned spacecraft mission, we propose a mixed validation method which can simulate the influence of microgravity and vacuum.Our proposal includes the framework of the simulation system, and the modeling method of the cosmonaut, the extravehicular activity pressure suite, the robot arm model, and others.An actual mission is simulated and the difference between the simulation and the real mission process is analyzed.The results indicate the method is reliable for the maintenance design and optimization.

manned spacecraft; simulation and validation; on orbit maintenance

V476.1

：B

：1673-1379(2016)05-0510-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.009

李 濤（1986—），男，碩士學(xué)位，從事載人航天器總體設(shè)計工作。E-mail: libitpeter@126.com。

2016-03-03；

：2016-09-18