一种航天员舱外活动用脚限位器的设计与分析

王 炜，陶建国，孙 浩

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001；3.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京100094)

一种航天员舱外活动用脚限位器的设计与分析

王 炜1，3，陶建国2，孙 浩2

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001；3.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京100094)

针对航天员开展舱外活动时与舱体的可靠连接和工作位姿的调节与固定这两个亟待解决的问题，提出了一种舱外活动用新型三关节便携式脚限位器的设计，阐述了其结构组成和工作原理，确定了其系统方案和技术参数；基于静力学和有限元分析，对设计进行了结构优化，利用ADAMS软件对该装置进行了运动学和动力学仿真分析，验证了该装置通过三个关节机构实现折叠状态和调节位姿的有效性，获得了主要关节位姿调节的运动学和动力学特性，为该装置的结构改进和优化奠定了基础。

航天员；舱外活动；脚限位器；结构设计；仿真分析

1 引言

脚限位器是航天员开展在轨活动必不可少的辅助设备，分为舱内活动用脚限位器以及舱外活动用脚限位器两种。其中，舱外活动用脚限位器是航天员完成舱外工作的重要辅助设备，其作用是确保航天员在开展舱外活动时的可靠连接，并能够对航天员的位姿进行调节，在空间站以及航天飞机的舱外工作系统中发挥着关键作用。

美国ESSEX公司于1986年为NASA设计的末端执行器脚限位器[1](Manipulator Foot Restraint，MFR)，是最早用于航天员舱外活动的限位装置之一，它作为空间站远程操作系统的一个子系统，安装在远程操作系统的末端执行器上，在进行哈勃望远镜在轨维修时发挥了关键作用[2-3]。F.D.Riel和L.P.Morata于1992年首次提出了功能更强的多关节便携式脚限位器(Articulating Portable Foot Restraint，APFR)的设想[4-5]，1994年Kevin Enders等人给出了一种APFR的设计方案，并对脚限位器的强度、受力变形等进行了计算[6]。1995年洛克希德·马丁公司对APFR进行了研发，研制出具有横滚、俯仰、偏航三个关节的便携脚限位器[7]，该装置与加拿大臂末端执行器相联，用以辅助航天员舱外作业。以后NASA、马里兰大学等又对APFR进行了深入的研发，使其更灵活、更轻便[8]。

上述脚限位器中横滚和俯仰都是被动关节，航天员需要把持作业区的其它设备或部件，借助外力作用来调控这两个关节的姿态[9-10]，存在一定的不便性。本文提出并设计了一种新型三关节脚限制器，航天员不需借助其它设备或部件就可以自主调节横滚和俯仰关节，较大地提高了调控的便捷性。

2 AFPR的组成与工作原理

2.1 APFR的组成

三关节便携式脚限位器主要由脚限位踏板，转动关节与控制机构，快速安装接口和载荷限制器四个部分组成，如图1所示。其中，脚限位踏板用以支撑航天员身体部分并约束宇航靴的靴尖和靴跟，以保证航天员的舱外作业安全；转动关节与控制机构包括绕X轴的俯仰、绕Y轴的横滚与Z轴的偏航三个转动关节和三个相应的调节控制子机构，用以辅助航天员实时地调整工作位姿并锁定；快速安装接口包含一个带解锁手柄、棘爪和齿牙的柱状探头，用以将脚限位器连接并锁紧在舱外工作点上。快速安装接口前部的载荷限制器用于缓冲和减振，并防止接口过载或对脚限位器支撑设备造成过大的冲击，是脚限位器重要组成部件之一。

另外，脚限位踏板和横滚关节支架处还有一些辅助接口可以用于安装放置工具箱、在轨可换元件或照明等小型设备的辅助支架，系安全绳以及脚限位器处于收拢状态时的锁定。

图1 脚限位器的组成Fig·1 Com position of the APFR

2.2 APFR的工作原理

在执行舱外任务时，APFR由航天员携带出舱，到达工作地点后，将快速安装接口的探头插入到机械臂末端执行器或舱外其它工作点的插槽中，棘爪会自动伸出并与齿牙协同将APFR锁定在工作点。若要解锁APFR，则按压解锁手柄并往外拔即可快速卸下。初步调整好三个转动关节的角度，使脚限位踏板应略微向前倾斜。航天员双脚站在脚限位踏板上，脚限位踏板上有两个脚镫供宇航靴脚尖部分套入；还有两个靴根卡与两个脚镫对应，用于在航天员站定后卡住靴根，从而可靠地限制其靴尖、靴跟的移动；每套脚镫与靴根卡之间另有一个靴底引导条用于宇航靴根进入或脱出靴根卡时的侧向滑转导向。

如图1所示，航天员还可以根据需要，分别通过两个控制踏板实时调整脚限位踏板的横滚与偏航关节角，当航天员分别用脚压下或用绳索拉抬两个相应踏板时，横滚关节或偏航关节可以实现正向或反向转动调节；俯仰角度则需要航天员在站上脚限位踏板前手动调节好，其步骤是先旋拧锁紧钮到解锁状态，扳动俯仰关节至合适角度后，再反向旋拧锁紧钮到锁紧状态。每次调整后各关节均能实时、可靠地锁定。

3 APFR的设计

3.1 脚限位踏板

脚限位踏板是供航天员站立并对其脚部位置进行约束的工作平台，同时安装横滚与偏航的关节控制踏板，并设置有辅助连接接口以供安装放置工具或照明等小型设备的辅助支架，以及用于AFPR在舱内的锁定。

如图1所示，脚限位踏板底部设计为一呈梯形的支撑底板1，其长度尺寸能够完全容纳航天员两脚分开站立(与人体臀宽相近)，宽度尺寸要能够容纳宇航靴脚掌至脚跟的长度。支撑底板1上面固定有由两个脚镫2，供宇航靴脚尖部分套入，脚镫的形状要与各型宇航靴脚面部基本吻合，并留出约10 mm间隙。支撑底板1上面还固定有两个与脚蹬对应的靴跟卡条3，卡条的形状与宇航靴跟部相吻合，并带有凸缘，用于在航天员站定后卡住靴根，约束其靴跟的向后窜动和抬起。每对脚镫与靴跟卡之间另有一个靴底引导条4，用于宇航靴的靴跟部进入或脱出靴根卡条3时的侧移导向，其形状应大致沿以宇航靴脚掌中心的圆弧，并使其与靴根卡条间的间距在宇航靴进入就位时刚好容纳下靴根部，从而可靠地约束宇航靴的前、后窜动和抬起，防止宇航靴意外滑脱，保证航天员的舱外作业安全。辅助接口5用于安装辅助支架和AFPR在舱内的锁定。支撑底板1下面设有接口，用于安装转动关节的控制踏板6。

图2 脚踏板结构图Fig·2 Boot plate

3.2 转动关节与驱动机构

3.2.1 俯仰关节及锁止机构

如图3所示，俯仰关节设计为由支承圆盘1、锁止球2、弹簧3、移动销4、锁紧凸轮5、手柄6和转动架7组成。

转动架7可以绕支承圆盘1的中心轴旋转实现俯仰转动，由装于转动架7内、被弹簧3压迫的移动销4所含的锁止球2嵌入到支承圆盘1圆周面上均布的球孔中进行转动角的分度和定位。定位时，旋转带锁紧销的手柄6，通过其连接的锁紧凸轮5压紧移动销4，使锁止球进入支承圆盘1的球孔进行锁紧定位，并能实现机械自锁。调整关节角度时，要先反向旋拧手柄带动锁紧凸轮5转动而解锁，然后锁止球2在扳动转动架的外力作用下推动移动销4回缩，使锁止球自支承圆盘1上的球孔中脱出，转动架7沿扳动力方向进行实现相对转动，当达到预定转角、锁止球进入目标孔后，再转动手柄锁紧该关节。

图3 俯仰关节结构原理图Fig·3 Sketch map of the pitch joint

3.2.2 横滚关节及其驱动机构

如图4所示，横滚关节及其驱动机构设计为由支承架1、蜗轮2、转动支架3、蜗杆4、凸轮5、连杆6、连接件7、踏板支架8、移动杆9、脚限位踏板10、驱动踏板11、复位弹簧12、导块13、双联棘爪14、摆杆15和棘轮16组成。驱动踏板11安装在脚限位踏板10的下面，每踩压驱动踏板11，则通过导块13提拉移动杆9及连杆6，从而带动摆杆15绕其下端轴线转动；同时，与摆杆15上端铰接的双联棘爪14在随摆杆15摆动时，推动棘轮16与摆杆15同向转动，并带动与棘轮16固联的蜗杆4与蜗轮2啮合转动；因为蜗轮2与支承架1固联，于是，与由轴承支承在转动支架3上的蜗杆4就带动转动支架3绕蜗轮2轴线转动，实现转动支架3相对支承架1的横滚转动；而通过连接件7和踏板支架8与转动支架3连接的脚限位踏板10也随之相对支承架1做横滚转动，支承架1与俯仰关节的转动架固联。

图4 横滚关节结构原理图Fig·4 Sketch map of the roll joint

当从初始位置提拉驱动踏板11时，驱动机构与踩压驱动踏板11时的运动方向相反，而双联棘爪14位于摆杆15两侧的棘爪则在凸轮5的作用下交换与棘轮的啮合，实现棘轮的转动换向，从而实现脚限位踏板10换向转位。松开驱动踏板11，脚限位踏板10也会保留在当前转位。因此，通过踩压或提拉驱动踏板11可以实现脚限位踏板10两个不同方向的横滚转位。

3.2.3 偏航关节及其驱动机构

如图5所示，设计的偏航关节及其驱动机构的结构形式与横滚关节及其驱动机构的结构相似，由脚限位踏板1、踏板支架2、蜗轮3、轴承4、连接支架5、棘轮6、蜗杆7、凸轮8、连杆9、复位弹簧10、驱动踏板11、双联棘爪12和摆杆13组成。驱动踏板11安装在脚限位踏板1的下面，每踩压驱动踏板11，则通过其与连杆9和摆杆13组成的连杆机构、摆杆13与棘轮6及双联棘爪12组成的棘轮机构带动与棘轮6固联的蜗杆7与蜗轮3啮合转动；因为蜗轮3与连接支架5固联，因此与由轴承支承在踏板支架2上的蜗杆7就带动踏板支架2绕蜗轮3轴线转动，实现踏板支架2及其固联的脚限位踏板1相对连接支架5的偏航转动；连接支架5与横滚关节的转动支架固联。

图5 偏航滚关节结构原理图Fig·5 Sketch map of the yaw joint

如果松开驱动踏板11，则它在复位弹簧10的作用下回到初始位置，连杆9、双联棘爪12和摆杆13也随之回到初始位置，而蜗轮3和蜗杆7由于机械自锁停留在当前位置，从而使脚限位踏板1也保留在当前转位。与横滚关节相似，当从初始位置提拉驱动踏板11时，借助双联棘爪12和凸轮8，偏航关节也可以实现脚限位踏板1的换向转位。

3.3 APFR的快速安装接口

如图6所示，快速安装接口的右侧装配端部设计为带锥端的圆柱探头2，与机械臂末端执行器或舱外工作点的接口配合定位，并承受作业时的弯矩和剪切力作用。

图6 快速安装接口结构示意图Fig·6 Sketch map of the active worksite interface

圆柱探头2的圆锥端为了便于安装时的就位，与其相连的圆柱部分均布有三个突出的反向制动棘爪1，常态下制动棘爪在弹簧作用下突出于圆柱探头外，对接安装后将进入机械臂末端执行器或舱外工作点接口的凹槽内，起到轴向锁紧定位作用；圆柱探头2的轴肩与柱体根部相邻处沿圆周均布有齿牙，起到圆周方向的锁紧定位作用。拆卸时，航天员双手压下安装在左侧把持端空心圆柱体5上的三个的解锁手柄6，可以迫使空心圆柱体的内部带锥端的移动长销4向右移动，进而推动滑块3向右移动，于是滑块3的斜面通过滚珠7压下制动棘爪1，使制动棘爪1收进圆柱探头内实现解锁；此时，圆柱探头2可以从对接的接口中向左拔出。松开解锁手柄6，该手柄、移动长销4和制动棘爪1的将在压缩弹簧的作用下复位。

3.4 载荷限制器

由于航天员在出舱作业时依赖于脚限位踏板提供脚部约束，所有的操作力与力矩直接通过航天员的足底传递至与之相连的接口及装置，如机械臂的末端。若不加以控制，操作力/力矩过大则有可能会对脚限位器及其接口，甚至机械臂造成一定的破坏。载荷限制器正是为了缓冲和减振，并防止接口过载或对支撑设备造成过大的力冲击而设计的。

如图7(a)所示，设计的载荷限制器由基座1、弹性元件2、支架3、锁紧杆4、导向柱5、压缩弹簧6、锁紧螺母7及外壳9构成。其中，锁紧螺母7、压缩弹簧6、导向柱5和带有球端的锁紧杆4将支架3压紧在置于基座1嵌槽内的弹性元件2上，形成支撑力；8个导向柱5嵌入在基座1的8个U形槽内，在对支架3进行圆周方向的转动限位的同时，允许支架3在任意轴剖面内偏转。支架3与支撑俯仰关节的空心圆柱体8连接，基座1与快速安装接口的圆柱探头连接。如图7b所示，航天员在脚限位踏板上操作时的作用力与力矩将传递作用于载荷限制器上，当作用力与力矩超过一定限度时，载荷限制器中的弹性元件会发生较大弹性变形使脚限位踏板产生较大偏转位移，从而产生卸载效果，保护脚限位器、安装接口及支撑设备免受破坏。最大允许偏转位移量可以由外壳9的开口限定。

图7 载荷限制器结构及作用原理示意图Fig·7 Sketch map of the structure and working principle of the load limiter

3.5 相关参数确定

根据各关节的结构，并考虑到航天员在舱外操作的方便性和安全性，经计算确定APFR的主要相关参数，如表1所示。

表1 APFR主要参数Table 1 Main parameters of APFR

4 APFR的仿真分析

首先把三维实体模型导入ADAMS中，然后模型上施加约束、力或者力矩以及运动激励；对整个系统进行交互式的动力学仿真分析。图8为导入ADAMS并且施加约束和载荷后的模型。

4.1 横滚关节

航天员踩压或提拉横滚关节驱动踏板时，通过传动机构对脚限位踏板进行横滚方位的调节。由分析棘爪拨动棘轮正向或反向转动一个档位时，横滚关节角度随时间的变化规律和驱动踏板所需的作用力随时间的变化规律可以看出横滚运动的角度调节为每踩踏或提拉一次转动大约10°，最大所需力约为40 N。

图8 在ADAMS中的导入模型Fig·8 The model in ADAMS

图9 横滚关节正向转动角度变化和驱动力曲线Fig·9 The curve of roll angle and d riving force

4.2 偏航关节

航天员踩压或提拉偏航关节驱动踏板时，通过传动机构对脚限位踏板进行偏航方位的调节。由分析棘爪拨动棘轮正向或反向转动一个档位时，偏航关节角度随时间的变化规律和驱动踏板所需的作用力随时间的变化规律可以看出偏航运动的角度调节为每踩踏或提拉一次转动大约10°，所需力最大约为34 N。

图10 偏航关节正向转动角度变化和驱动力曲线Fig·10 The curve of yaw angle and driving force

4.3 载荷限制器

为便于仿真，载荷限制器中的弹性元件简化为均布的12个并联弹簧，分别对应弹性元件中12个均布的齿爪。在工作时，每个弹簧的受力情况不同。根据理论模型，建立其弹性支撑模型如图11所示。不计弹簧的质量，并将其视为有阻尼弹性体；在ADAMS的仿真分析模型中，使用阻尼器、弹簧等连接，模拟载荷限制单元的弹性阻尼系统。弹簧劲度系数和阻尼分别为K和C，弹簧刚度为40 N/m，阻尼系数在0.03～0.065之间选取，阻尼比在0.1 N·s/mm左右。在支架与支承底座之间建立刚性接触，以防止在仿真过程中，支架穿过底座。

图11 载荷限制器受力分析模型Fig·11 The force analysis model of the load limiter

由于无论是作用力还是力矩的作用效果都是使载荷限制器的支承端发生偏转，所以这里在进行ADAMS仿真时可将作用载荷均简化为一个转矩。分别为施加30 N·m和60 N·m载荷时，施加30 N·m载荷时的偏转角约为5°；施加60 N·m载荷时的偏转角约为13°。之后弹簧在阻尼的影响下振幅渐减至弹簧力与输入力矩的平衡点。

5 结论

本文介绍了一种新型脚限位器APFR的系统设计、结构组成和工作原理，对该脚限位器的调整范围、关节驱动力、快速安装接口的解锁力和载荷限制器的承载特性进行了仿真分析。分析结果表明，各关节的调整范围和关节驱动力能够满足航天员的操作需要和人体力学要求；载荷限制器对载荷的响应合理，能够达到缓冲效果。

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Design and Simulation Analysis of a Foot Restraint for Astronaut EVA

WANG Wei1，3，TAO Jianguo2，SUN Hao2
(1.Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.Research Center of Aerospace Mechanism and Control，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；3.Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing 100094，China)

Foot restraint is an important auxiliary equipment for astronaut extravehicular activities (EVA).In order to meet the needs of reliable connection and the adjustment of position during EVA，a new kind of articulating portable foot restraint(APFR)with three joints was put forward. Its composition and working principle were introduced and the systematic design and technical parameters of the APFR were determined.Based on static and finite element analysis，the APFR structure design was conducted，kinematics and dynamics simulation analysis of the APFR were performed with ADAMS software.Simulation results verified the effectiveness of the three joints during the folding state and position adjusting.The kinematics and dynamics characteristics to adjust position by joints of the APFR were obtained.It laid a foundation for the structure improvement and optimization of the APFR.

astronaut；EVA；foot restraint；structure design；simulation analysis

V476.3

A

1674-5825(2015)05-0492-06

2015-03-11；

2015-08-13

王 炜(1975-)，男，硕士，工程师，研究方向为航天器机构设计。E-mail：forest-wang＠vip.sina.com