空間艙外服下肢柔性助力關(guān)鍵技術(shù)研究

空間艙外服下肢柔性助力關(guān)鍵技術(shù)研究摘要：本文研究基于柔性助力技術(shù)的空間艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制，提出并搭建了一個基于慣性觸發(fā)的柔性驅(qū)動模型，用于模擬航天員的肌肉運(yùn)動特征。在此基礎(chǔ)上，采用控制策略對艙外服下肢運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對不同步態(tài)下艙外服下肢關(guān)節(jié)角度的精確控制。研究結(jié)果表明，柔性助力技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，在未來的航天任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：空間艙外服、柔性助力、關(guān)節(jié)運(yùn)動、控制策略、步態(tài)分析

一、引言

艙外服是航天員在執(zhí)行宇航員艙外活動（EVA）任務(wù)時最基本的保護(hù)設(shè)備之一。它能夠?yàn)楹教靻T提供完善的保護(hù)和支持，使得航天員能夠在苛刻的太空環(huán)境下完成各種任務(wù)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，越來越多的航天任務(wù)需要航天員在艙外進(jìn)行操作，因此，對于艙外服的研究成為了目前的一個熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

相對于傳統(tǒng)的艙外服，具有柔性驅(qū)動裝置的艙外服更加輕量化、柔軟，并能夠提供更加精確、自然的動力輸出。因此，基于柔性助力技術(shù)的空間艙外服得到了廣泛的關(guān)注。其中，艙外服下肢部分的關(guān)節(jié)控制是研究的重點(diǎn)之一。

在航天員進(jìn)行EVA任務(wù)時，不同的步態(tài)會對艙外服下肢的關(guān)節(jié)運(yùn)動造成不同程度的影響。在傳統(tǒng)的艙外服中，因?yàn)闆]有柔性驅(qū)動裝置，它的運(yùn)動特性往往比較機(jī)械、呆板，且難以適應(yīng)不同的步態(tài)。為了提高航天員的EVA效率，需要對艙外服下肢的運(yùn)動特性進(jìn)行精確控制，并實(shí)現(xiàn)對不同步態(tài)的適應(yīng)。因此，基于柔性助力技術(shù)的艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制研究，具有重要的理論和實(shí)際意義。

二、艙外服下肢柔性助力關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制一直是艙外服研究的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的航天服大多采用機(jī)電一體化控制方式，無法精確地控制艙外服下肢的運(yùn)動。近年來，隨著智能控制理論和柔性助力技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些具有柔性驅(qū)動、自適應(yīng)特性的艙外服下肢關(guān)節(jié)控制方案。

目前，艙外服下肢柔性助力關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括以下方面：

1、柔性助力控制模型的研究。目前，常用的柔性助力控制模型包括基于人體動力學(xué)模型的助力控制模型、基于電機(jī)模型的助力控制模型以及基于慣性觸發(fā)的助力控制模型等。其中，基于慣性觸發(fā)的控制模型具有較好的性能和實(shí)用性。

2、艙外服下肢關(guān)節(jié)軌跡控制的研究。艙外服下肢關(guān)節(jié)軌跡控制是艙外服控制的重要內(nèi)容。目前，常用的軌跡控制方法包括PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其中，模糊控制方法具有較好的適應(yīng)性和魯棒性。

3、艙外服下肢步態(tài)分析的研究。步態(tài)分析是艙外服下肢控制的基礎(chǔ)。通過對步態(tài)的分析，可以得到艙外服下肢的關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律和特征，為下一步的控制提供重要參考。

三、柔性助力控制模型

基于慣性觸發(fā)的柔性助力控制模型是目前應(yīng)用比較廣泛的一種控制模型。其基本思路是，在人體肌肉運(yùn)動過程中產(chǎn)生的慣性力作用下，采用柔性驅(qū)動裝置來輔助肌肉的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)精確控制。

該模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：


圖1基于慣性觸發(fā)的柔性助力控制模型

其中，m為質(zhì)量塊，k為彈簧常數(shù)，b為阻尼常數(shù)，f為外力或慣性力，x為偏移位移，y為輸出位移，u為柔性驅(qū)動力輸出。

四、艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制

基于柔性助力技術(shù)的艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制主要包括關(guān)節(jié)軌跡分析和控制策略設(shè)計(jì)兩個方面。

1、關(guān)節(jié)軌跡分析

關(guān)節(jié)軌跡分析是艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制的基礎(chǔ)。通過對步態(tài)的分析，可以得到艙外服下肢運(yùn)動的幾何特性和運(yùn)動規(guī)律，為下一步的控制提供重要參考。目前，步態(tài)分析主要采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過建立復(fù)雜的人體生物力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)運(yùn)動的模擬和分析。

2、控制策略設(shè)計(jì)

控制策略是艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制的核心。其中，基于PID控制的控制策略是目前應(yīng)用比較廣泛的一種方法。通過對關(guān)節(jié)角度誤差進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)角度的精確調(diào)節(jié)。此外，還可以采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法來實(shí)現(xiàn)艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制。

五、結(jié)論與展望

本文研究了基于柔性助力技術(shù)的空間艙外服下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動控制。通過建立基于慣性觸發(fā)的柔性驅(qū)動模型，設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)現(xiàn)了對艙外服下肢關(guān)節(jié)角度的精確控制。結(jié)果表明，柔性助力技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

未來，將進(jìn)一步改進(jìn)艙外服下肢柔性助力控制模型，優(yōu)化控制策略，進(jìn)一步提高艙外服下肢的控制精度和穩(wěn)定性。同時，還需要進(jìn)一步研究艙外服下肢的步態(tài)分析和運(yùn)動規(guī)律，為航天員的EVA任務(wù)提供更加精確的支持和保護(hù)為了進(jìn)一步提高艙外服下肢的控制精度和穩(wěn)定性，未來可以采用更為先進(jìn)的控制策略，如深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遺傳算法等。通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，建立關(guān)節(jié)運(yùn)動的動態(tài)模型，并優(yōu)化控制策略，可以進(jìn)一步提高艙外服下肢的控制精度和適應(yīng)性。此外，還可以將多傳感器數(shù)據(jù)融合，優(yōu)化關(guān)節(jié)角度估計(jì)，提高艙外服下肢控制的實(shí)時性和可靠性。

隨著空間站建設(shè)和空間探索的不斷深入，航天任務(wù)對艙外服下肢控制的需求也將不斷增加。未來，艙外服下肢控制技術(shù)將繼續(xù)向智能化、高效化的方向發(fā)展，為航天員的安全和任務(wù)順利執(zhí)行提供更加可靠的技術(shù)支持除了采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)控制策略，還可以通過改善支持環(huán)境來提高艙外服下肢的控制精度和適應(yīng)性。目前常見的空間支持環(huán)境有空氣浮力支持和機(jī)械支持兩種。其中，空氣浮力支持是指在水中使用水下浮力裝置模擬真空環(huán)境下的自由浮空，而機(jī)械支持則是指在艙外空間利用機(jī)械臂等外部設(shè)備為航天員進(jìn)行支撐和穩(wěn)定。

盡管現(xiàn)有的支持環(huán)境能夠滿足艙外任務(wù)的需求，但它們?nèi)源嬖谝恍┎蛔阒?。例如，空氣浮力支持對艙外服下肢的控制精度要求較高，需要專業(yè)的訓(xùn)練和技能，而機(jī)械支持又存在操作繁瑣、占用資源等問題。因此，新的支持環(huán)境也成為了艙外服下肢控制技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

一種新的支持環(huán)境是基于磁懸浮技術(shù)的磁場支持環(huán)境。磁懸浮技術(shù)在軌道交通、高速列車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其在模擬艙外環(huán)境方面也具有優(yōu)勢。通過磁懸浮技術(shù)，可以將航天員置于磁場中，利用磁力產(chǎn)生支撐力和阻尼力，使航天員的運(yùn)動更加平穩(wěn)和可控。此外，磁場中的摩擦力很小，這可以減少航天員的摩擦損失和磨損，提高空間任務(wù)的效率和可靠性。

另外，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型柔性材料的研究也為艙外服下肢控制技術(shù)提供了新的思路。柔性材料的特性是具有一定的柔韌性和變形性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的姿態(tài)變化和外部干擾，降低控制難度和實(shí)現(xiàn)全向控制。因此，柔性材料可以應(yīng)用于艙外服下肢的設(shè)計(jì)和制造中，提高下肢控制的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，并進(jìn)一步促進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，未來的艙外服下肢控制技術(shù)將會不斷地從傳統(tǒng)的機(jī)械控制向智能化、高效化、柔性化的方向發(fā)展。新的支持環(huán)境和材料技術(shù)將會在提高下肢控制精度、適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用，并為航天任務(wù)的順利執(zhí)行提供可靠技術(shù)支持同時，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將會有越來越多的智能控制方法應(yīng)用于艙外服下肢控制中。人工智能技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，不斷提高下肢控制的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低空間任務(wù)失敗的風(fēng)險。

其中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)是一種非常有前景的智能控制方法。深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，從而自動獲取特征和優(yōu)化算法，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。在艙外服下肢控制中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過大量的數(shù)據(jù)和標(biāo)記，自動挖掘出下肢的運(yùn)動規(guī)律和特點(diǎn)，并提高控制精度和適應(yīng)性。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以為艙外服下肢控制技術(shù)提供新的思路和方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過建立虛擬環(huán)境和模型，模擬艙外環(huán)境和下肢運(yùn)動過程，并實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的交互。在虛擬環(huán)境中，可以進(jìn)行不同情境和姿態(tài)的模擬和預(yù)演，從而提高下肢控制的靈活性和反應(yīng)速度。同時，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)和協(xié)同控制，為航天任務(wù)的執(zhí)行提供更好的支持。

總之，未來的艙外服下肢控制技術(shù)將會面臨更大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著支持環(huán)境、材料技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，下肢控制技術(shù)將會實(shí)現(xiàn)智能化、高效化