主动航天服下肢关节电动伺服控制机构研究

### 主动航天服下肢关节电动伺服控制机构研究 #### 摘要及背景 本文主要探讨了一种新型主动航天服的设计与实现方法，旨在提升航天员在外太空环境中的机动性能，特别是在太空作业、骨骼肌功能恢复训练以及月球表面的大范围活动等方面。通过深入分析航天员行走时下肢关节的运动特性，研究者们利用拉格朗日方程建立了膝关节和髋关节的动力学模型，并将航天员的实际下肢与主动航天服的机械结构进行了运动属性参数的耦合，以此来获取关节动态负载扭矩的变化规律，进而为后续的控制执行机构设计提供理论基础。 #### 关键技术与方法 ##### 动力学建模 为了准确地模拟航天员下肢关节的运动特性，研究者采用拉格朗日方程构建了膝关节和髋关节的动力学模型。这种模型不仅考虑了关节本身的运动学特性，还综合考量了航天员在不同任务执行过程中的实际负载情况，使得动力学模型更加贴近实际情况。 ##### 运动属性参数耦合 通过将航天员下肢与主动航天服机械装置的大小腿进行运动属性参数耦合，研究人员能够更精确地掌握航天员在进行各种动作时关节所承受的动态负载扭矩变化规律。这种耦合方法有效地将人体运动学数据与机械装置的运动学特性相结合，为后续的设计提供了关键数据支持。 ##### 控制策略设计 研究团队还设计了一套基于PID（比例-积分-微分）控制的关节角度反馈控制系统。这套系统能够在航天员进行行走或其他动作时，确保关节电机能够精确地跟踪预定的运动轨迹，从而保证航天员行动的稳定性。通过这种方式，即使在面对动态负载扭矩的情况下，也能保持良好的角位移控制效果。 #### 实验验证与结果 通过对膝关节和髋关节电机在抵抗动态负载扭矩条件下的角位移控制进行仿真分析，实验结果显示，该电动伺服控制机构能够有效满足航天员在行走和其他活动中所需的稳定性和跟踪精度要求。这不仅证明了该设计方案的可行性，也为进一步提高主动航天服系统的助力携行能力奠定了坚实的基础。 #### 结论 本文介绍的主动航天服下肢关节电动伺服控制机构是一种能够显著增强航天员在外太空环境中的机动性和适应性的关键技术。通过建立精确的动力学模型、实施有效的运动属性参数耦合以及设计先进的PID控制策略，这一研究成果有望为未来太空探索任务中的航天服设计提供新的思路和技术支撑。此外，该技术还有望应用于地球上的医疗康复领域，为骨骼肌功能恢复训练提供新的手段。