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航天员舱外维修操作时间的量化评估

刁常堃 王昊 孟令子 苏南 高鸿 邓忠民

刁常堃,王昊,孟令子,等. 航天员舱外维修操作时间的量化评估[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1487-1495
引用本文: 刁常堃,王昊,孟令子,等. 航天员舱外维修操作时间的量化评估[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1487-1495
DIAO C K,WANG H,MENG L Z,et al. Quantitative assessment of extravehicular maintenance operation time for astronauts[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1487-1495 (in Chinese)
Citation: DIAO C K,WANG H,MENG L Z,et al. Quantitative assessment of extravehicular maintenance operation time for astronauts[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1487-1495 (in Chinese)

航天员舱外维修操作时间的量化评估

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0185
基金项目: 

国家重点研发计划(2021YFC2202801)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:diaochangkun@qq.com

  • 中图分类号: V423

Quantitative assessment of extravehicular maintenance operation time for astronauts

Funds: 

National Key Research and Development Program of China (2021YFC2202801)

More Information
  • 摘要:

    航天员舱外维修操作是维持空间站在太空环境中安全运行的必要措施,量化评估维修操作时间是确保舱外活动任务成功和航天员安全的基础。基于此,提出一种航天员舱外维修操作时间量化评估方法,用于设计和分析航天员舱外活动操作时间,以满足航天员出舱时间的要求。该方法考虑微重力环境的影响,运用模特(MOD)法对已有数据中的关节基准动作时间进行修正,采用最小二乘法对已有数据进行拟合得到关节基准动作时间的不确定性范围。针对不同航天员、不同舱外任务的工况,与公开的舱外活动视频进行对比分析,验证了所提方法的准确性,为航天员舱外维修操作所需时间提供一种可行的依据。

     

  • 图 1  模特法基本动作[15]

    Figure 1.  Basic movements of MOD method[15]

    图 2  舱外维修操作时间流程

    Figure 2.  Process of extravehicular maintenance operation time

    图 3  航天员舱外维修操作时间的量化评估流程图

    Figure 3.  Framework for quantitative assessment of extravehicular maintenance operation time for astronauts

    图 4  案例1公开舱外视频片段截图

    Figure 4.  Public extravehicular video segments screenshots of case 1

    图 5  案例2公开舱外视频片段截图

    Figure 5.  Public extravehicular video segments screenshots of case 2

    图 6  2种方法时间数据对比

    Figure 6.  Comparison of time data between two methods

    图 7  本文方法与文献[5]方法的相对误差对比

    Figure 7.  Comparison of relative errors between the proposed method and literature[5] method

    图 8  案例3公开舱外视频片段截图

    Figure 8.  Public extravehicular video segments screenshots of case 3

    图 9  案例3动作时间统计

    Figure 9.  Time statistics of case 3

    图 10  案例4公开舱外视频片段截图

    Figure 10.  Public extravehicular video segments screenshots of case 4

    图 11  案例4动作时间统计

    Figure 11.  Time statistics of case 4

    表  1  模特法基本动作及对应的MOD值[16]

    Table  1.   Basic movements of MOD method and corresponding MOD values[16]

    基本动作 动作描述 MOD值
    移动动作 手指动作M1 1
    腕关节动作M2 2
    肘关节动作M3 3
    肩关节动作M4 4
    伸直手臂动作M5 5
    终结动作 触摸动作G0 0
    简单抓取动作G1 1
    复杂抓取动作G3 3
    简单放置动作P0 0
    较复杂放置动作P2 2
    复杂放置动作P5 5
    其他动作 走步动作W5 5
    起身坐下动作S30 30
    目视动作E2 2
    校正动作R2 2
    判断动作D3 3
    加压动作A4 4
    旋转动作C4 4
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    表  2  关节的活动类型和活动角度[5]

    Table  2.   Types and angles of joint movement[5]

    部位 活动角度 活动角度范围/(°)
    指关节屈曲θKQ10~ 90
    伸展θKQ20~15
    腕关节掌曲θWQ10~80
    背伸θWQ20~30
    桡偏θWP10~20
    尺偏θWP20~30
    肘关节屈曲θEQ10~150
    伸展θEQ20~10
    旋前θEX10~80
    旋后θEX20~80
    肩关节屈曲θSQ10~180
    伸展θSQ20~120
    外展θSZ10~90
    内收θSZ20~30
    旋内θSX10~70
    旋外θSX20~90
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    表  3  文献[5]数据

    Table  3.   Literature[5] data

    动作 基准动作
    时间平均值/s
    基准动作
    时间方差/s2
    基准动作
    时间中位数/s
    基准动作
    时间最大值/s
    基准动作
    时间最小值/s
    基准动作
    时间极差/s
    指关节动作M1 0.72 0.03 0.71 0.96 0.52 0.44
    腕关节动作M2 1.39 0.09 1.30 2.16 0.98 1.18
    肘关节动作M3 1.95 0.19 2.01 2.82 1.19 1.63
    肩关节动作M4 3.02 0.26 2.95 3.81 2.06 1.75
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    表  4  案例1结果分析

    Table  4.   Case 1 result analysis

    动作描述 动作
    分解
    t1MOD 本文方法
    时间/s
    文献[5]方法
    时间/s
    实际
    时间/s
    伸手握住器械桁架 M3-G1 4 [5.13,6.15] 5.34 5.72
    伸手抓取维修工具 M3-G1 4
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    表  5  案例2结果分析

    Table  5.   Case 2 result analysis

    动作描述 动作
    分解
    t1MOD 本文方法
    时间/s
    文献[5]方法
    时间/s
    实际
    时间/s
    接近待拆卸螺母 M4 4 [25.00,29.99] 26.12 28.00
    旋转动作 M3 30
    拧下螺母 M1 5
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    表  6  案例3结果分析

    Table  6.   Case 3 result analysis

    动作描述 动作
    分解
    t1MOD 本文方法
    时间/s
    男航天员平均
    实际时间/s
    女航天员平均
    实际时间/s
    握住金
    属桁架
    M3-G1 4 [2.56,3.08] 2.83 2.89
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    表  7  案例4结果分析

    Table  7.   Case 4 result analysis

    动作描述 动作分解 t1MOD 本文方法
    时间/s
    男航天员平均
    实际时间/s
    女航天员平均
    实际时间/s
    安装
    安全绳
    M4-P2-C4 10 [6.41,7.69] 7.01 7.18
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    表  8  航天员开舱门的时间评估

    Table  8.   Estimated time for astronauts to open the door of the spacecraft

    动作描述 动作分解 次数 t1MOD 评估时间/s
    伸手取工具 M4-G3 1 7 [4.49,5.38]
    旋转工具 M2-C4 18 108 [69.23,83.05]
    放回工具 M4-P5 1 9 [5.77,6.92]
    伸手拉住舱门 M4-G3 3 21 [13.46,16.15]
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    表  9  航天员安装脚限位器的时间评估

    Table  9.   Estimated time for astronauts to install the foot restraint device

    动作描述动作分解次数t1MOD评估时间/s
    拿取脚限位器M4-G317[4.49,5.38]
    将脚限位器末端插入基座M3-P5-E2440[25.64,30.76]
    锁定末端的锁紧把手M3-C4214[8.97,10.77]
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-01
  • 录用日期:  2024-08-23
  • 网络出版日期:  2024-10-11
  • 整期出版日期:  2026-05-31

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