神舟六号已成功完成“两人多天”飞行,预计明年发射的神舟七号将实现航天员的舱外行走。神六总顾问戚发轫说:“神七将在神六的基础上解决两大难题,舱外航天服(神六是舱内服)和气闸舱。”目前舱外服的设计加工已基本完成,但更重要的是对其进行全面的地面测试。舱外服较舱内服的难点在于提供更多防护的同时还要具备良好的活动性能,以保证航天员顺利完成舱外作业任务,因此航天服活动性,特别是上肢活动性测试装置是必不可少的。2002年德宇航-哈工大联合实验室与中国航天医学工程研究所合作,研制出国内第一套舱内航天服手臂关节力矩测试装置。本课题保持其机械和硬件部分不变,主要解决五自由度舱外服手臂(舱内为三自由度)的运动学和静力学算法问题,并对软件部分进行扩展,使其同时具备对舱内/外航天服手臂的测试能力。由于航天服手臂长度不是常值,而是肘关节角度的正切函数,因此无法采用解析方法求解其逆运动学,而舱外服手臂较舱内多两个自由度又使得在舱内所采用的查表法在算法原理、内存占用量和计算量上均无法满足舱外服的要求。本文通过将位置、姿态转换为相对误差并同时进行控制的方法解决了算法原理问题;通过将表的生成和查询分为前四关节和第五关节两个独立的部分,使内存占用量和计算量仅为舱内的几十分之一,从而解决了算法可行性和实时性的问题。通过图形工作站验证,该算法在计算精度和实时性上均能满足测试系统的要求。舱外服的另一个不同之处在于手臂各段质量较大,因此在计算关节阻尼时必须对其进行重力补偿。本文采用简化模型和实验校正的方法完成了手臂各段质量和质心位置的确定,采用迭代的牛顿-欧拉动力学公式完成了其重力补偿,另外本文还对测量机器人卡具进行了补偿,实验证明效果良好。本文最后进行了舱外航天服手臂关节阻尼力矩实验。给出了额定工作气压下航天服手臂各关节单次装卡、两次测量的关节角度-阻尼力矩曲线,并分析了其重复测量误差、产生误差的原因及改善措施等。随后给出了采用单关节测量装置的测量结果,并对二者进行了比较,验证了算法的有效性。