主动航天服下肢关节电动伺服控制机构研究

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1、第19卷第5期2013年9月载人航天MannedSpaceflightV01．19No．5Sep．2013主动航天服下肢关节电动伺服控制机构研究郭庆，张向刚，秦开宇(电子科技大学航空航天学院，成都，611731)摘要：提出一种可应用于航天员太空机动作业、骨骼肌能恢复训练以及月面大范围活动的主动航天服概念。在分析航天员行走步态关节运动规律基础上，利用拉格朗日方程建立膝关节和髋关节的动力学模型，并将航天员下肢大小腿与主动航天服机械装置的大小腿进行运动属性参数耦合，从而得到关节动态负载扭矩变化规律，为控制执行机构设计与选型提供理论依据。设计膝关节和髋关节角度反馈PID控制规

2、律，满足航天员行走步态的随动跟踪控制。对膝关节和髋关节电机在抵抗动态负载扭矩情况下的角位移控制仿真表明，电动控制伺服机构方案能够满足航天员步态运动稳定跟踪控制需求，可扩展主动航天服系统的助力携行能力。关键词：主动航天服；电动伺服控制机构；关节负载扭矩；关节角度反馈控制中图分类号：V445．3；K852；TP242．4文献标识码：A文章编号：1674-5825(2013)05-0075-05ResearchonElectricServoControlMechanismofLowerExtremityJointinActiveSpacesuitGuoQing，ZhangX

3、ianggang，QinKaiyu(SchoolofAeronauticsandAstronautics，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731，China)Abstract：Anactivespacesuitconceptwaspresented，whichcanbeappliedtoastronautspacema。neuvertasks．astronaut’SskeletalmusclerecoverytrainingandEVAonthelunarsurface．Based

4、ontheanabrsisofthewalkinggaitlawoftheastronaut．thedynamicmathematicalmodelsofkneeandhipwereestablishedusingLagrangeequations．Also，bycombiningthethighandcalfofastro—nauts’limbwiththelegofmechanicaldevices．motionalattributeparameterswerecoupled．Thenthedynamicvariationsofjointloadtorqueswe

5、reobtainedasatheoreticalbasisforeontrolthedesignandselectionoftheimplementingagencies．ThekneeandhipjointanglesfeedbackPIDcontrollawsweredesignedtomeettheservotrackingcontrolinastronautwalkingphase．Thesimulationresultsoftheangulardisplacementeontrolofkneeandhipmotorsincaseofresistancetot

6、hedynamicloadtorquesshowedthattheelectricseINocontr01mechanismprogramcouldmeetthestabilizationandtrackingcontrolrequirementsofastronautgaitmotionandextendtheaid—forceportablerequirementsofactivespacesuitsystem．Keywords：activespacesuit；electricservocontrolmechanism；jointloadtorque；jointa

7、nglefeed—backcontml引言随着人类对太空未知领域的不断探索，航天员在太空的工作空间正在不断地扩大，诸多工作(如航天设施的装配维修、货物运输、察看其他航天器和进行科学试验等)因为其不确定性和复杂性，需要在舱外恶劣环境中进行，这些恶劣的环境包括高真空、高辐射、干燥、温差大等¨2I，而航天收稿日期：2013446—19；修回日期：2013448-28基金项目：国家自然科学基金(61305092)。作者简介：郭庆(1981一)，男，博士，副教授，研究方向为机电一体化、人机耦合技术、飞行器制导与控制。E—mail：guoqinguestc@16