一种航天员用舱外工具的人机工效学设计.pdf
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1、:./.一种航天员用舱外工具的人机工效学设计冉江南朱 超高 奔陈 明徐春光杜 宇许江涛黄鹏浩(.天津航天机电设备研究所天津 .北京空间飞行器总体设计部北京 )摘 要:该文根据中国空间站建造阶段某项出舱活动任务需求设计了一种专用舱外工具 工具设计过程中充分考虑了功能需求、设备布局以及空间站舱外人机工效学设计要求并重点对防漂设计、操作尺寸分析、操作力分析、界面安全性、指示标识和到位反馈、单手操作适应性等方面进行了分析 该工具研制完成后顺利通过了航天员人机工效学评价关键词:空间站航天员出舱活动舱外工具人机工效学中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言出舱活动()一般指航天员在舱外空间
2、环境下独自进行的飞行试验或服务任务或在遥控自动操作装备与表面运输工具等协助下进行的运作 具体包括载人航天器的在轨装配与维修空间有效载荷的布放、收回与照料航天员营救以及在星体(月球及火星等行星)表面的探测与建站等 出舱活动技术是载人航天三大标志性技术之一也是保障载人航天器在寿命期间保持高可靠性的必要手段 出舱活动过程中需重点解决航天员在真空、微重力等空间环境下相关设备、工具及其操作的人机工效学问题 目前我国空间站已开始在轨建设且对出舱活动相关人机工效学问题已经开展了较广泛的研究 周前祥对舱外航天服的人机工效学问题进行了研究丁立等系统研究了舱外航天服手套的工效问题吴国兴对太空出舱活动的生理和工效问
3、题开展了研究周前祥等研究了出舱活动飞船人机界面中的人机工效学设计笔者根据我国空间站建造阶段某项出舱任务规划需求设计了一种航天员舱外专用工具并对工具防漂设计、操作尺寸、界面安全性、指示标识、到位反馈、单手操作适应性等舱外人机工效学设计约束进行了针对性的设计和分析对相关工具的研制具有重要参考意义 出舱活动中人机工效学影响因素出舱活动过程中航天员活动主要受到微重力以及真空环境的影响 航天员身着舱外航天服进行移动和操作其运动能力和可视、可达范围受到较大限制 因此相对地面环境航天员出舱活动过程对人机工效学的要求更严格.微重力环境影响出舱活动过程中航天员呈漂浮状态需要专用设备来固定航天员姿态解放航天员双手
4、使航天员可以单手完成相关操作同时为航天员的操作提供着力点 典型限位方式包括脚限位器、扶手等 同时工具和相关的设备也应做防漂处理避免操作过程中出现漂离一般通过弹性绳与航天员或相关设备连接 另外微重力环境下航天员身体体液上升眼压变化其视锥体中心线会下降约.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:作者简介:冉江南()男河北保定人高级工程师主要从事航天器结构与机构设计方面的科研工作.真空环境影响出舱活动中航天员需要身着舱外航天服以适应舱外高真空及高低温等环境影响 舱外航天服提供的氧气、水、气压、电等资源有限因此单次出舱活动应在一定时间范围内完成.舱外航天服影响相对于人体关节而言舱
5、外航天服关节活动自由度有限 舱外航天服存在内外压差航天员移动和操作需要克服压差阻力各关节活动能力进一步降低可达范围进一步变小同时受航天服头盔限制可视范围也会变小 由于压差的存在航天员手部触觉灵敏度明显降低并且由于航天服结构和功能的限制使航天服装膨胀、臃肿对出舱活动产生明显的影响此外航天服主要为非金属材料出舱活动中应避免任何形式的划伤以免损坏服装 专用工具功能需求和总体方案设计根据任务规划需要航天员携专用工具出舱并利用专用工具实现对目标设备的反复推进以完成任务目标 由于目标设备在空间站上所处点位没有脚限位器等专用身体限位装置因此操作过程中需要航天员一只手抓握扶手另一支手抓握并操作工具实现对目标设
6、备的操作根据功能需求结合目标设备在空间站的布局并充分考虑舱外人机工效学的要求尤其是单手操作的工况综合以上因素进行总体方案设计 专用工具总体方案如图 所示主要包括固定手柄、活动手柄、主壳体、卡扣、推杆、拨片、锁止机构、复位弹簧、末端、推块等 专用工具采用类胶枪驱动机构并对锁止机构、驱动机构进行了优化进一步提高其操作可靠性同时将解锁机构前置并设计成扳机的形式使其更加适于航天员单手操作图 工具结构示意图 专用工具与目标设备“连接”后按压活动手柄带动推杆和推块向前移动并在锁止机构的作用下实现锁定实现位置保持 松开活动手柄后活动手柄复位 重复以上操作推杆和推块持续向前移动至指定行程实现对目标设备的操作
7、此时扣动锁止机构扳机推杆解锁在复位弹簧的作用下推杆和推块复位 舱外人机工效学设计.防漂设计专用工具上设有防漂环防漂环设为直径 的通孔结构如图 所示 防漂环设置于专用工具后端上盖板上 出舱活动过程中专用工具通过防漂环与专用弹性绳一端相连专用弹性绳另一端连接舱外航天服上的某固定装置以避免操作过程中专用工具意外脱手漂离 防漂环位置的设置应充分考虑操作过程中的航天员、工具、目标设备三者的位置关系设计时应避免弹性绳对目标设备的操作产生影响图 防漂结构设计.操作尺寸分析航天员舱外着服状态时手部各关节活动范围受限手部触觉灵敏度明显降低因此对专用工具相关操作尺寸有较严格的要求 专用工具相关操作尺寸如图 所示固
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