太空舱操控手柄人机一体化设计方法研究

摘要

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。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 手柄的类型与国内外研究现状

1.2.1 手柄的研究领域分类

1.2.2 手柄的国内外研究现状

1.3 手柄的人机工程学设计研究现状

1.3.1 人机工程学定义及研究方法

1.3.2 手柄人机工程学设计的因素

1.3.3 手柄人机工程学设计的研究趋势

1.4 研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 设计需求分析及人机设计原则

2.1 研究基本描述

2.1.1 太空舱内人机系统

2.1.2 人—航天员的行为原理

2.1.3 机—操纵台的组成及功能

2.1.4 操纵台的布局状态及操作姿势

2.2 设计要求

2.2.1 主要指标要求

2.2.2 各部件的设计要求

2.3 设计定位及研究任务分析

2.4 操纵台人机设计原则及要素

2.5 手柄人机设计原则及要素

2.6 按键人机设计原则及要素

2.7 本章小结

第三章 基于人机工程学的手柄设计方案

3.1 手柄设计的基本流程分析

3.2 操控手柄草图的绘制

3.3 操控手柄模型的构建

3.3.1 手柄主体的创建

3.3.2 按键模型的创建

3.3.3 按键与手柄主体的装配

3.4 操控手柄三维模型的渲染

3.5 操控手柄模型的3D打印

3.6 多种设计方案汇总

3.7 本章小结

第四章 手柄操作人机工程学仿真与舒适度分析

4.1 手柄操作的人机工程学仿真

4.1.1 人体建模的基础数据与分析

4.1.2 基于CATIA的三维人体模型的建立

4.1.3 建立航天员操作手柄的虚拟仿真环境

4.2 视野分析

4.3 手伸及界面的确定

4.4 手柄的操作舒适性分析

4.5 手柄尺寸适宜性分析

4.6 本章小结

第五章 基于模糊综合评判法的综合评价

5.1 设计评价方法分类

5.2 手柄综合评价指标体系的确定及结构

5.3 手柄多目标多级模糊综合评价数字模型的建立

5.3.1 单级模糊评价模型

5.3.2 多目标多级模糊综合评价模型

5.4 手柄评价指标权重的确定

5.5 评价过程及结果

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 参与科研项目及获奖

附录A