太空舱操控手柄人机一体化设计方法研究

发布时间：2020-11-19 21:00

　　 空间站是迄今为止规模最大的航天器,体现着现代航天领域最全面、最复杂、最先进和最综合的科学技术水平。在空间站的探索进程中,需要借助空间站机械臂完成多项操作。航天员对于机械臂的操控是通过舱内操纵台上的力反馈操纵手柄实现的。太空舱操控手柄是航天员与机械臂操纵台接触的重要媒介,是实现人机交互的界面。操控手柄虽为简单的元器件,却包含许多人机工程学的知识。如果在操控手柄的设计过程中忽视人机工程学,可能会形成诸多暗含的伤害和危险;反之,注重操控手柄人机工程学设计,不仅有助于满足使用舒适、操作高效的设计需求,还有助于保障太空舱的安全、手柄性能的充分发挥等。本文通过研究人机工程学设计理论,总结了手柄的人机工程学设计理论依据,并将此理论融入太空舱操控手柄的设计和仿真中。以下为本文重点研究内容:首先,分析航天员-操纵台的人机系统,提出了太空舱操控手柄的人机工程学设计理论基础。从人机系统的角度分析了航天员的行为原理和操纵台的基本结构及布局。根据人机工程学理论,结合操纵台、手柄和按键的结构特性,提出其人机工程学设计原则和设计要素。其次,按照设计流程设计出多个符合人机学的手柄方案。针对三种不同的操纵台布局方式分别进行操控手柄的设计。按照草图绘制阶段、分析建模阶段、渲染效果图阶段以及三维打印阶段的流程进行设计,论述每种设计方案的设计灵感及尺寸说明。再次,借助软件开展操纵台的人机学仿真和手柄尺寸适宜性分析。建立操作环境模型、三维人体模型,分别对三种操作姿势进行视野、手伸及界面、姿态舒适度的分析,对比出何种操作方式是最舒服的;建立手的模型,将各设计方案进行抓握模拟仿真,判断各方案的尺寸及形态是否符合人手的生理结构。最后,建立了一种科学的综合评价方法,从多种手柄设计方案中筛选出最合理的方案。确定手柄的评价指标,采用多目标多级模糊综合评价法创建数学模型,借助专家打分法确定各评价指标的权重,用计算机语言编写相关程序,对方案的各个评价指标评分,通过对比各方案评分结果,从中挑选出最优秀的设计方案。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V423
【部分图文】：

航天员通过舱内机器人工作站操作 SRMS，操作模式包括自动模式、手动增强模式、单关节驱动模式、直接驱动模式以及备份驱动模式。操作手柄如图 1.1 所示。图1.1SRMS 系统构成2.加拿大 MSS 机械臂加拿大的移动服务系统 MSS 用于国际空间站的搭建和维修等任务，主要由活动

如图1.2 所示。(a)移动服务系统 (b)空间站遥控机械臂系统(a)专用灵巧机械臂 (b)机器人操作台图1.2加拿大 MSS 系统3.日本 JEMRMS 机械臂日本航天局 JAXA ( 原来的 NASDA) 研制的日本实验舱远程机械臂 JEMＲMS安装在国际空间站日本实验舱段。航天员根据反馈的实时视频图像，通过舱内操作台相关设备实现对 JEMRMS 的操作控制，如图 1.3 所示，此外，近年来 JEMRMS 也可以通过地面遥操作的方式进行控制。

7(a)日本实验舱远程机械臂 (b)机器人操作台图1.3日本 JEMRMS 系统（2）国内研究现状中国的现今人机工程学的思想和实践研讨开始的时间与海外相比较迟一些。1990 年代，我国人机工程学领域学者才逐步确定人机工程学的结构体系、内容与研究办法。但还没有总结出详细的手柄的人机学分析与研究。查阅当时的资料，他们只给出了手部的动态和静态人体测量学长度、生物力学参考数值，提出了一些日常作业器件的分类。新时代机器加工遵照通用化、标准化，手柄的规范随之逐步标准化。1974 年 1 月，上海市第一机电工业局提交，上海机床附件六厂和上海机床厂起草，最终由中华人民共和国第一机械工业部颁布施行了手柄 JB1332-1363。该规范阐明了应用于机械领域的所有手柄的长短、材质和加工工艺等。查阅众多人机学资料发觉香港和台湾地区关于手柄的探究较多，其范围辐射到工业生产和社会生活等范畴。香港大学制造工程管理系的学者探究了在抓握和捏握时人机交互要素对施力、肌肉收缩速度和忍耐力的影响。有台湾学者家庭烹饪中常用的锅铲手柄展开了人机工程学试验
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘宏;蒋再男;刘业超;;空间机械臂技术发展综述[J];载人航天;2015年05期

2 温世燕;;高职学生顶岗实习的模糊综合评价模型构建[J];产业与科技论坛;2015年11期

3 谢彪;王小腾;邱俊峰;林润雄;;光固化3D打印高分子材料[J];山东化工;2014年11期

4 雷玮;钱晓路;孙晓春;李文婕;虞聪;;腕管综合征患者疾病严重程度及影响因素调查分析[J];护理学杂志;2014年18期

5 欧阳昭连;杜然然;郭柯磊;陈薇;池慧;;微创手术疗法的综合效益量化评估[J];北京生物医学工程;2014年03期

6 王修春;魏军;伊希斌;张晶;尚开;王黔;;3D打印技术类型与打印材料适应性[J];信息技术与信息化;2014年04期

7 徐清俊;董昊;杨茵;代占朝;陈静芳;;人机工程学在拖拉机换挡操纵装置中的应用[J];拖拉机与农用运输车;2013年05期

8 王殊轶;余传意;张朋;张敏燕;;基于表面肌电信号的超声探头人因设计评价研究[J];人类工效学;2012年01期

9 焦景波;王玉生;杨凯;;基于模糊层次分析法的防空兵作战指挥决策能力评估[J];舰船电子工程;2011年10期

10 张凯锋;周晖;温庆平;桑瑞鹏;;空间站机械臂研究[J];空间科学学报;2010年06期

相关博士学位论文 前2条

1 赵志刚;空间站机械臂转位控制与振动抑制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 颜声远;火电厂主控室人机界面虚拟评价方法[D];哈尔滨理工大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 曾善文;基于FDM的扫描路径分析与研究[D];西南交通大学;2017年

2 闫蕾;基于数字人手模型虚拟评价技术的按摩器可用性设计[D];天津工业大学;2017年

3 田林枝;高速列车司机控制器手柄工效学研究[D];北京交通大学;2015年

4 冯晶晶;基于人机工程学的压力机安全防护系统设计[D];南京农业大学;2014年

5 赵鹏睿;电气控制柜的人机工程学评价与设计[D];华北电力大学;2013年

6 彭卫绘;气动汽车人机工程学应用研究[D];南京理工大学;2013年

7 郭晶晶;基于人机工程学的下肢康复器械设计与仿真评估[D];太原理工大学;2010年

8 周小舟;手持式日用产品的触觉设计研究[D];西南交通大学;2010年

9 吴佳丽;基于有限元法的气钉枪手柄形态人机评价及改良设计[D];浙江工业大学;2008年

10 许忠华;火电厂控制室显控系统人因评价研究与应用[D];哈尔滨工程大学;2007年

本文编号：2890436