（机械工程专业论文）舱外航天服视野测试系统的研制.pdf

中文摘要 中文摘要 “发展载人航天，开发空间资源”是目前中国在航天领域的重要目标，在此目标 下舱外航天服的重要作用日益突显出来。舱外航天服不仅能够将宇航员与太空中 的恶劣环境隔离开来，保障宇航员生命安全，而且舱外航天服的活动性能决定着 宇航员进行舱外作业难易程度。但是进行一切舱外活动的首要条件是宇航员能够 看到需要进行操作的区域，本文所要研究的正是宇航员在身着宇航服的情况下的 视野范围。本文研制的飞天舱外航天服视野检测系统能够对身着宇航服的宇航员 视野范围进行检测，为航天服工效学提供研究依据。 首先本文根据医用视野计的测试原理，再针对飞天舱外航天服的外形特点， 设计了适用于飞天舱外航天服的视野检测系统的检测方案，采用动态视野检测方 法进行检测。在此方案的基础上，对检测系统的机械结构进行设计，采用平面转 动机械臂结构作为检测结构的主体部分。对检测系统利用机器人学的齐次坐标变 换理论和d h 坐标描述法建立了系统的数学模型。分析了系统误差的来源，建立 了系统的误差模型，并使用m a t l a b 分析了各个转动关节的转角误差对测试系统误 差的影响。 对系统进行了电气部分与软件部分的设计。电气部分包括伺服电机定位技术 与使用p c i 板卡进行数据采集等部分。测试软件系统在v c + 斗6 0 开发环境下，结 合o p e n g l 技术，实现了数据实时采集与检测数据在软件界面中实时三维显示的 效果。 由于身着宇航服的宇航员的视野范围在水平方向张开角度大于1 8 0 度，所以 要将检测结果用图形表示比较困难，针对这一点，我们设计了摩尔维特表示方法、 和三维图的方法，采用m a t l a b 7 1 0 o 来进行数据的处理。对测试的数据结果分别采 用报表方式、二维摩尔维特图方式和三维图方法进行表示。采用栅格法对检测结 果进行分析，利用m a t l a b 软件强大的计算功能计算并实现用三维方式表示出宇航 员的全部可视区域，使检测结果更加直观。 综上所示，本测试系统为国内首创的针对飞天舱外航天服视野范围进行检测 的设备，填补了国内此项研究领域的空白，为今后宇航服的改进提供了科学有效 地数据，对中国航天事业的发展起到了促进作用。 关键词：视野；舱外航天服；关节臂；检测；三维显示 分类号：t p 2 1 6 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h ei m p o r t 锄tg o a lo fs p a c e f l i g h t i i lc 1 1 i n ai st od e v e l o pt h em 锄e ds p a c e n i g h t 锄dt l 坞 s p a c er e s o u r c e s ，u n d e rt h i sb 芒l 蛔u n d ；e x 饥l v 出c u l a rs p a c e s u i tp l a y sai 肿r e 觚dm o r c i m p o r c 锄tr o l e i t 啪1 1 0 to m yp r o t e c ta s t n a u t s6 d mt h ea d v e r s ec i r 矾l m s t a i l c e s ，b u t a l s oa 脏c tt h ej e l e x i b i l i t yo fe x 饥l v e h i c u l a ra 嘶v i 够( e a ) b u tt h em o s ti m p o r t a n tt h i n g i s 也eo p e r a t i o n a ll o c a t i o nc a nb es e 胁b yn 坞嬲呐n a u t s t 1 1 i sp a p e rc a r r i e so nar e s e a r c l l o f 也e 鹤讯删sv i 鲫卸w i t hs p a c e s l 】i t t l l i sp a p e rd e l o p e da m e 弱l l r i i l gs y s t 锄 f o re v a s p a c e s l l i tv i e wa r e w l l ic _ hc a np r o v i d ea ni l n p o r t 趾tb a s i sf o rt l l er 髑e 盯c ho f s p a c ee r g o n o m i c s f i r s ta c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fm e d i c a lp e 矗m e t e ra i l dt h es h 印eo fs p a c e s u i t ， m e a s u 五n gs c h e m eo fm e 嬲证n gs y s t e mf o re 1 v as p a c 鹤u i tv i e w 鲫既i sd 鹤i g n c d ，瑚h 毽 t h em e t h o do fi 畹砌cm e 弱u i i l l gt 0t e s tt h ev i e wa r e a o nt h eb 嬲i so ft h es c h e n l e ， m e d l a i l i c a ls t r u ；嘛d e s i g no fm e 勰u r i n gs ) r s t 锄i s 训e do u t ；t h em a i np a no f m e 弱u r i n gs y s t e mi sp l 趾er o t a t m ga 皿 1 s t h em e 嬲u r i n gm o d e lo fs y s t e mi se 颤b l i s h e d b 勰e do nt 1 l ct b 舯r yo fh o m o g e n e o u st 姐n s f o 加a t i o ni l lr o b o t 瑙h a n a t i c sa n dd h m e t h o d m a i l le r r so f 坨锄u r i n gs y s t e ma a n a l y z e 也锄dt h e 哪rm o d e lw 弱 c 0 1 ：l s t r 吣e d 纵幻毗饿n gt ot h e 如i o d e lo fs ) 哑e m ，n l ei l l f l u i e n c eo fa n 百e 吼t o l st 0 廿l ee 册r o fm e 硒u 血gs y s t c = i nw 弱锄a l y z e db ym a t l a b e l e c t r i c如d脚a r ed e s i 班o fm e 踟血gs y s t a nw e r ec a m e do u t e l e c 缸- i cd e s i 盟 i l l c l u d 鹤s t l l d yo fs c om o t o rp o s i t i o n 鼬lt a c h l 】1 0 l o g y 觚dd a = t aa c q u i s i t i o n t h e s o f h a r ew 弱d e v d o p e di l l 仕屺d w e l o p m e n t 即v i 姗to fv c + + 6 ow i t ht 1 1 eo p e l l g l t e c l m o l o g y ，r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o na 【l d3 一dd i s p l a ya r ei m p l e m e n t e d m a t l a bw 弱璐e di i l 血e 莎a t e dd a t ap m c 锱s i n g t h er e s u l tw 勰d i s p l a yb yt h r c em e t h o d i 1 1 c l u d i n g 印o r tf o m s ，m o l l w e i d em e t h o d 锄d3 - dm e t h o d 硼1 er e s u l tw a sa n a l y s e i e d b yu s i n g 鲥dm e t h o d ，b ym e 觚so f t h ep o w e r f 砒c a l c u l a t i o no fm a t l a b ，“sp 印e r 硎i z e t h e3 一dd i s p l a yo f 龇、h 0 1 ev i 哪解c ao f 蜘a u t s m 伐嘲m n gs y s t e mf 0 r e v as p a c e s u i tv i e w 撇ai ss u c c 锱s m l l yd 酬o p e d ，i ti st l l e u m q u ce q u i p 删锄t 0 百v ea t e s to fs p a c e s 诚v i e wa r c 钆恤c hn o t o i l l yf i nu pd o m e s t i c b l a l l kb u ta l s 0p r o v i d e 觚i 仃1 1 ) o r c a n tb a s i sf o rt h es t l m yo fe 1 v as p a c e s u i t k e y w o r d s ：、，i e wa r e a ；s p a c e g l l i t ；a n i 叫a t ea n n ；m e 觞1 1 d n g ；3 - dd i s p l a y c l a s s n o ：t p 2 l6 致谢 本论文的工作是在我的导师周明连副教授的悉心指导下完成的，周明连教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 来周老师对我的关心和指导。 周老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向周老师表示衷心的谢意。 周明连教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的周明军师傅，文剑、赵鑫、吕宠三 位师兄和王延超、张春等同学对我论文研究工作给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的一如既往的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 绪论 1 1 论文选题背景 1 绪论 “发展载人航天，开发空间资源”是目前中国在航天领域的重要目标。航天 服是载人航天必不可少的防护装备，是航天员个人生命保障系统中最重要的分系 统【1 。在中国载人航天发展越来越快的情况下，航天服头盔视野范围已经成为非常 重要的性能指标。在航天服研制和航天工效学研究中进行航天服视野范围检测变 得越来越重要。 在载人航天领域，舱外航天服是航天员进行出舱活动的必备装备。舱外航天 服内具有保障宇航员生命安全的系统，可把航天员与舱外的恶劣环境相隔离，同 时提供正常气压、氧气、排放二氧化碳、适宜与人的温度和抵抗宇宙辐射等维持 生命所需的各种条件【2 】。舱外航天服一般由服装、手套、头盔和靴子等组成，其背 部有一个背包，背包内部所装设备为保障航天员生命安全设备，该系统主要由水 升华器和水冷却循环装置、氧源( 气瓶) 和供气调压组件、通风组件、空气净化 组件、应急供氧分系统、通信设备、控制组件和电源、报警分系统、遥测分系统 等组成，可为航天员进行舱外活动提供安全保障【3 】。图1 1 所示的是我国自主研制 的“飞天”舱外航天服【4 】和俄罗斯的“海鹰”舱外航天服【5 】。 图1 1 “匕天“舱外航大服( 左) 和“海鹰”舱外航天服( 右) f i g 1 1t h ef e i t i a l ls p a c e s u i t ( 1 e 动a n dt h e0 r l a n d a ms p a c e s u i t ( r i 出) 舱外航天服是保证航天员安全、有效完成出舱活动的重要手段。其基本功能 是保护航天员不受宇宙空间恶劣环境的影响，并为航天员提供赖以生存的微环境。 北京交通大学硕士学位论文 在进行出舱活动时，除了为宇航员提供基本的生命保证外，舱外航天服能否保证 满足宇航员进行各项活动时的身体活动要求，以及宇航员在舱外航天服内能否具 有较好的视野对于出舱活动能否顺利进行具有非常重要的意义。在2 0 0 8 年9 月， 中国“神舟”七号已经成功实现出舱活动【6 】，成为继俄罗斯、美国之后第三个掌握这 项技术的国家。神舟7 号的顺利出舱，表明我国历时4 年自主研制的“飞天”舱外航 天服，完全能够满足宇航员进行出舱活动的各项需求。但是随着载人航天科学技 术的发展，航天员出舱活动越来越频繁，出舱活动的时间也越来越长，这对舱外 航天服的设计提出了更高的要求l ，j 。 作为航天员重要生命保障系统，要求舱外航天服在太空中所有能意想到的恶 劣条件下，保护航天员的生命安全，并且保证航天员能够在此条件下完成各项规 定任务，因此航天服测试成为载人航天工程中的重要工作之一。由于国内航天服 研制工作起步比较晚，2 0 0 2 年哈尔滨工业大学机器人研究所与北京航天医学工程 研究所合作，研制了国内第1 套舱内航天服关节力矩测试系统，这也是目前国内 唯一一套舱内航天服关节力矩测试系统( 如图1 2 ) 。对于舱外航天服的手臂关节测 试系统也在研制当中，但是对于舱外航天服的视野范围测试系统的研制，国内外 在这一领域都属空白，而舱外航天服的视野范围对于宇航员进行出舱活动又是极 其重要的，因此舱外航天服视野范围测试系统的研制对于我国航天事业的发展具 有重大意义。 图1 2 舱内航天服手臂关节力矩测试系统 f i g 1 2t h ej o i n t 一1 0 r q u em e a s u r i n gs y s t e mf o rs p a c e s u i to fc h i n a 2 绪论 1 2 课题的意义 目前我国载入航天事业正高速发展，并且已达到世界先进水平，同时这也对 我国航天测试提出了更高的要求。宇航服测试系统必须更加完善、可靠才能满足 航天测试的要求。宇航服头盔作为宇航服的重要组成部分，并且宇航服头盔视野 范围的大小对于宇航员出舱活动以及今后空间站的建设具有重大影响。较大的视 野范围能够使宇航员在太空的工作更加顺利的进行。因此，宇航服头盔在今后的 改进方向应是向着具有更清楚视线、更大视野范围的方向发展。所以，本论文提 出的舱外航天服视野范围检测系统的研制是具有其实际意义的。 在医学上称注视眼( 单眼或双眼) 固视时所能看见的空间范围称为视野【8 】。目前 对于视野范围的检测主要用于发现、评价和追踪观察青光眼等许多种疾病【9 】，在医 学上称这种检测视野范围的仪器为视野计。近年来视野计的发展也较为迅速，其 应用领域不断扩展。但是在国内对于视野计的研制较国外还有一定的差距，并且， 在对视野计加以改进并将其应用在航天领域，在国内外的文献中还未见报道。因。 此，当前在我国开展对视野检测方面的研究是十分必要的，不仅可以推动我国视， 野检测技术的进一步发展，并且可以进一步扩大其应用范围，使其对我国载人航 天事业的发展起到一定的推动作用。 1 3 视野检测国内外研究现状 1 3 1 视野检测基本概念及方法 医学上规定，当注视眼( 单眼或双眼) 固视时所能看见的空间范围称为视野。 在医学上进行视野检测主要是为了区分正常视野和异常视野，正常视野有两个含 义：视野的边界所构成的范围。全视野范围内光敏感度属正常，即除生理盲 点外，正常视野内不应有光敏感度下降区或暗点【l0 1 。正常视野光敏感度以中心固 视点最高，随偏心度增加光敏感度逐渐下降。t m g u a i r 将视野描绘为一个三维空间 的视岛( i s l a n do f v i s i o n ) ，视岛的面积代表视野的范围，海拔高度代表光敏感度( 如 图1 3 ) ，由视岛图可以很直观的看出眼睛在各个偏心度上的光敏感度及生理盲点 的位置【1 1 l 。视岛的任一径线做一垂直剖切，即可得到一张二维剖面图，剖面图垂 直轴代表视敏度，水平轴上各个点代表该径线上的不同偏心度。由视岛剖面图可 以直观的观测出各个偏心度上的视敏度。 3 北京交通大学硕士学位论文 图1 3 视岛 f i g 1 3 s 岫li s l a n d 从实用观点出发，一般将视野分为3 0 0 范围内的中心视野和3 0 0 以外的周边视 野【1 2 1 。而5 。2 5 0 习惯上称为旁中心区或b j e m 珊区 1 3 1 。由于以固视点为中心的中 心视野的光敏感度要高于周比视野的光敏感度，所以正常人使用双眼时，也较为 习惯地使用中心视野。医学上所指的视野检查大致分为两种，一种是区分可见区 与不可见区，以划定视野范围的大小。另一种是在一定视野范围内找出视野缺损 的区域。我们所要检测的视野为第一种【1 4 1 。 医学上的视野检查原理基本上有三种：动态视野检查法、静态阈值视野检查 法及阈上值静点检查法1 1 5 】。 动态视野检查法即用同一刺激强度光标从视野周边部的不可见区向中心可见 区移动，以探查不可见区和可见区分界点的方法【1 6 1 。静态视野检查法即：在视野 某点上，静态呈现一光标，若该光标刺激强度很弱，受检眼不可见( 可见率 9 5 ) ，该光标强度属于阈上刺激。在阈下刺激与阈上刺激之间，总有一可见率 为5 0 的光标强度即阈值刺激【l j 7 1 。静态阈值检查法就是通过在视野某一点从阈下 刺激逐渐增加不动光标的刺激强度，以探测刚可被受检眼看见的光标来代表该视 野点的光敏感度。目前用自动视野计测定差别光阈值的方法有极限法和阶梯法【l 引。 阈上值静点检查法为在某一视野范围内，静态呈现阈上值光标，若某点不可见， 则在此视野内存在暗点。阈上值静点检查法用于检测一定视野范围内的视野缺损， 而不是用于检测受检眼的视野范围1 1 9 1 。 动态视野检查法的检查结果一般用等视线图来表示【2 0 1 。所谓等视线图即视岛 上任何一点的垂直高度都代表该点的视敏度，同一垂直高度各点的连线称为视岛 的等高线，在视野学上称为等视线( i s o p t e r ) ，即在同一等视线上各点的视敏度都 4 绪论 是相等的。因为视野不同偏心度的视敏度不同，所以用不同强度的刺激点可相应 测绘出多条大小不同的等视线圈，这些等视线组成的图即为等视线副2 1 j 。 静态视野检查法检查结果显示有数字打印、阈值灰度图等方式。数字打印有 期望值离差打印( d i f | 衙e n c e 蠡m - e x p e c t c dp r m t o u t ) 、正常值离差打印 ( d i 妇陆e t l c e 6 d m - n o 衄a l 研n t o u t ) 、光敏感度打印( v a l u e s ) 三个方式【2 2 1 。光敏感 度打印是指打印出各个检查点级差( d b ) 值。d b 值是计算其他信息的最原始数据。 正常值离差打印：在h 啪1 p l y 视野计称t o t a ld e v i a t i o l l 而o c t o p u s 视野计称 c o m p 撕s o l l s ，是打印出各检查点所测值与相应年龄正常值的差值【2 3 1 。期望值离差 打印是指利用少数主要的检查点的阈值，根据视岛形态规律，估计其余各点的期 望阈值，打印值为实际测得值与期望阈值之差。阈值灰度图是根据不同等级光敏 感度，用不同的灰度表示，浅灰色为高敏感度区，深灰色为低敏感度区。新型 o c t o p u s 视野计的不同光敏感度用不同的颜色来表示。灰度图的优点是直观，信息 一目了然。但是灰度图中的点是由内推法计算出的，信息较粗，有时可能产生误 导【2 4 2 5 1 。 阈上值静点检查法的检查结果一般用符号图进行表示。符号图是将检查点的 可见或者不可见用不同形态的符号进行标示相对暗点或绝对暗剧2 6 1 。 1 3 2 视野检测的光学基础 根据光的电磁理论，光在本质上是一种电磁波。一般将人眼所能觉察的电磁 波，波长在3 9 0 7 7 0 l 】m 之间称为光或可见光。不同波长的电磁波，人眼感受为不强 同颜色。由于研究角度的不同，对光的定量测量方法也不同。在视野学方面，注 重测量光的可见程度，人眼对不同颜色( 不同波长) 的光感受的敏感性不同，正 常人眼对波长为5 5 5 衄的绿光最敏感，而当波长增至7 7 0 呦以上( 红外线) ，或 减至3 9 伽峨一下( 紫外线) 时，人眼对其敏感性变为零。因此，除了光的物理量 外，人眼视觉生理特性也起着重要作用，人眼对光的感受实际上是光能的物理量 和视觉生理量相互作用的结果1 2 7 1 。 视野学上的光强度计量单位有很多种，虽然现己制定了一个国际光计量单位 标准( c m 标准) ，即新烛光平方米，但有不少国家和地区仍延用自己的光计量单 位，美国文献有时仍使用毫朗伯，而欧洲文献偶用阿提熙作为亮度单位。不同的 视野计光标强度单位也不同，g 0 1 d m 觚n 视野计光标强度常用对数单位表达，而计 算机自动视野计打印结果则多以分贝( d b ) 为单位表示【2 引。 视野检测的结果与光的波长、亮度、光标呈现时间等很多方面的因素有关。 在进行彩色视野检查时，有色光线参数十分复杂。不同波长的光线人眼感受 5 北京交通大学硕士学位论文 为不同颜色，例如：波长为4 3 0 n m 的光线，产生紫色的感觉；波长为4 6 0 n m 对应 为蓝色。彩色光线具有三个主要参数：颜色( 波长) 、饱和度( 纯度) 、亮度( 辐 射强度) ，其物理刺激强度较难控制。而且，任何一种颜色都可以通过混合其他两 种或多种颜色得到，两个看起来颜色、饱和度均相同的光标可以在光谱成分上完 全不同，两者对人眼的刺激值也不相同。因此，在研制或应用彩色视野计时，必 须考虑这些参数1 2 9 】。 在进行视野检测时，光标亮度和光标面积也是极其重要的指标。光标亮度与 刺激强度成正比，光标越亮，刺激强度越大。在光标亮度不变的情况下，由于空 间积累效应，光标面积越大，受到刺激的感光细胞越多，合并后的光信息越多， 刺激强度也越大。在进行视野检测时，视野计的光标面积与刺激强度有一定的比 例关系，因此，光标的面积与亮度可以进行粗略的换算，例如在g o l ( 1 m 锄视野计 上，i4 e ( o 2 5 m m ，1 0 0 0 a b s ) 、i i3 c ( 1 m m ，3 1 5 a b s ) 和i i i2 e ( 4 珊m ，1 0 0 a b s ) 三种 光标刺激强度大致相卦3 0 】。 另外，光标呈现时间与方式也是视野检测的重要指标。光标呈现时间过短， 可因刺激量积累不饱和而降低光标的可见性。因光标呈现时间增加其可见性增加 叫时间累计效应，时间累计效应提示光信息在视路传递过程中有一个延迟，在先 到达某感光细胞的光子效应尚未完全消失之前，随后到达的光子可附加其上，产 生一个刺激量较大的综合刺激。一般这种时间累积效应应在o 1 秒钟内即可基本完 成。因此，在进行视野检测时，光标呈现时间应大于o 1 秒。而一般动态光标较静 态光标更容易被看见，其主要原因是动态光标在移动过程中可产生一定空间和时 间累计作用。 最后，背景与光标对比度越大，光标越容易被看见，反之，两者对比度越小， 光标越不容易被发现。 1 3 3 视野计的发展及国内外研究现状 在进行视野范围检测时所用的仪器称为视野计。视野的概述要追溯到公元前5 世纪，1 8 0 1 年n l o m 鹤y 趾g 第一次真正地测量了视野。1 9 世纪中叶，f o r s t e r 设计 了第一台够检测出视野外界的弧形视野计。b j e m l m 发明了动态多等视线视野计和 t a n 酌n t 视野屏幕。2 0 世纪f e n 瓒和r a i l d 【3 1 】在f o r s t e r 的基础上，把弧形视野计的 检查范围进行扩大。弧形视野计到今天为止仍在使用。从1 9 5 0 年往后的三十年里 g 0 1 d m 锄设计的投射式半球形视野计一直流行【3 2 1 。g o l d m a n n 视野计的贡献是将 一些参数进行了标准化，如光标大小、光标亮度和背景亮度等。g o l d m 锄视野计 可以同时进行动态和静态视野检测，并且为此后的视野检测的发展奠定了基础。 6 绪论 随后，l 0 u i s es l o 姐【3 3 1 对静态阈值视野计的重要性有了充分的认识。h 锄ma u l h o m 【划 为动态视野计提供了补充的表态视野检查。2 0 世纪6 0 年代，d u b o i s p o u l s e i l 和 m 硒s 3 5 】第一次设计并试图发明自动动态视野计，但是由于受到当时的技术限制， 没有成功。1 9 6 9 年，l y n n 和t a t e 【3 6 】设计出了第一台自动静态视野计。此后，自动 静态视野计有了长远的发展，并且改进的越来越好。 最传统的一种视野计为正切视野屏，这种视野检测仪器( 如图1 4 ) 已经使用 了百余年，但因其经济、简单，至今仍在沿用。视野屏采用白色背景黑色布屏， 并以黑线标记出6 个相隔5 0 的同心圆与4 条径线。屏幕中心有一白色固视点，以 黑色无反光长杆前端装有不同大小白色或彩色小圆盘作为视标，最小视标直径为 1 衄，检查距离为1 m 或2 m ，分别可检查3 0 0 和1 5 0 视野范围。正切视野屏常用7 英尺烛光照明。检测时，通过旋转视标杆突然呈现视标来检验受检者是否能看到 此处【3 7 】。 图1 4 正切视野屏 f i g 1 4t a n g 髓ts c 另一种较为简易的视野计为周边弧形视野计。这种视野计一般常用的是半径 为3 3 c m 半圆弧或l 4 圆弧金属板( 如图1 5 所示) 。电气投射弧形视野计在现在 比较常用。视野计的刺激光标是由一根照明管的灯光射向弧板形成的。视野计刺 激光标的亮度，颜色以及大小均可随意调换。【3 8 】 7 北京交通人学硕士学位论文 图1 5 周边弧形视野计 f i g 1 5a r cp 丽m e t e r 目前世界上应用最广泛的手动视野计为g o l d m 锄视野计，它是一种半球形投 射视野计( 如图1 6 所示) ，由h a a g s t r e i t 厂家首先推出，继后t o p c o n 公司和 m a r c oe q u i p m e n t 公司也有类似产品问世【3 9 。 f i g 1 6g o l d m a n np e n m e t e r g 0 1 d m a m 视野计光标刺激强度和投射部位可以随意调节，在视野计后面有三 个横槽，分别控制着光标的亮度和大小。第一横槽为亮度细调节，分为a - e 五档， 光标刺激强度按0 1 对数单位递增，第二横槽为亮度粗调节，分1 4 四档，光标刺 激强度以0 5 对数单位递增。第三横槽为光标大小控制，分为六档，各档光标面积 分别为l 1 6 m m 、1 4 r m 、1 m m 、4 m m 、1 6 m m 、6 4 m m 。通过三个横槽各档次的不 同组合，即可得到一系列刺激强度不同的标准刺激。光标的投射位置则通过一夺 冠接传动系统根据比例在记录图上定位调节。 绪论 自动视野计( 如图1 7 ) 是视野计发展的一个创新。自动视野计也分为自动动态 与自动静态两种。自动视野计采用静止光标检查视野，其检测结果采用数字图与 灰度图。目前常用的自动视野计是h u m p h r e yf i e l da n a l y z 叫h 啪p h r e y 视野分析 仪) 【4 0 】，这种视野计在目前被认为是行业内的标准。 目前h 啪p h r e yv i s u a lf i e l da n a l y z e “h f a ) 在美国非常流行。h f a 是一个全自 动的计算机化的系统，它提供包括阈值视野检查和筛查在内的不同种类的静态检 查。它使用的是的g o l d m a n n 的光标。它还可以进行彩色视野检查。h f a 光标强 度从0 0 8 1 0 0 0 0 a s b 。每一个检查过程中，光标大小不变但强度可变。光标位置在 检查过程中无任何规律的随机出现。 图1 7 全自动视野计 f i g 1 7 m e d m o n t 自动视野计发展到今天，硬件部分已经相当发达。但是到目前为止的所有视 野计都是针对于人体的，对于宇航服视野检测的仪器国内外文献中尚未有记载。 以上所述的几种视野计也同样无法直接应用到宇航服的视野检测上。因此，我们 需要依据医学视野计的标准，对现有视野计进行改造，使其满足对宇航服的检测。 1 - 3 4 本文的主要工作 本文的主要工作是针对“飞天”舱外航天服，设计对其适用的舱外航天服视野范 围检测系统。主要工作包括一下几方面： ( 1 ) 根据舱外航天服视野检测的具体要求、航天服的特殊外形以及人在航天 服内视野的特点，以医学视野计的检测标准为参照，设计出针对航天服的视野检 测方案。在明确方案的基础上，对舱外航天服视野检测设备进行了机械机构、电 9 北京交通大学硕士学位论文 气以及软件设计。 ( 2 ) 对设计完成的设备进行系统误差分析，确保检测设备能够达到实验所需 的精度。 ( 3 ) 使用设计、制造完成的设备对舱外航天服进行检测，并对检测所得到的 数据进行分析与处理。 l o 视野检测装置总体设计 2 视野检测装置总体设计 2 1 视野检测装置的功能要求 舱外航天服视野检测装置需满足以下功能： ( 1 ) 实时测量身着舱外航天服的被测人员双眼所能达到的视野范围。 ( 2 ) 以三种形式记录检测所的数据，第一种，报表形式；第二种，使用摩尔维 特法显示；第三种，三维图显示。 视野检测装置使用环境： 1 ) 气体成分环境： 空气； 2 ) 空气环境：常压； 3 )温度环境： 1 0 4 0 ； 4 )相对湿度环境： 3 0 8 0 r h 。 2 2 视野检测装置的设计方案研究 根据前文的研究，目前市面现存的视野检测装置主要应用在医学方面，大都 是对人的眼睛进行视野缺陷的检测。目前国内外没有一种视野检测装置能够对身 着舱外航天服的人员进行视野范围的检测。并且本视野检测装置需要能够与宇航 员身着舱外航天服的“可达域”与“可操作域的检测装置相结合。 因此，本文参照现代医学视野计的测量标准与测量方法，在已有实验平台的 基础上设计了以下两种方案，并对这两种方案进行比较。 2 2 1静态u 型l e d 屏测量方案 ( 1 ) 方案介绍 静态u 型l e d 屏的结构如图2 1 所示，在实验室的立柱上固定升降机构，升 降机构由安装在机构顶端的伺服电机驱动滚珠丝杠转动从而带动关节机械臂上下 移动。在机械臂的末端安装u 型l e d 屏幕，u 型l e d 屏由六块l e d 屏幕构成， 每块l e d 屏幕上有1 6 牵6 4 个l e d 灯，屏幕安装在特制的u 型槽中。 在进行视野测量时，使用计算机控制所点亮的l e d 灯，人眼若能够看到灯亮， 判断此灯位置位于人眼视野范围内，若看不到灯亮，判断此灯位置位于人眼视野 范围外。找到人眼所能看到灯亮的最边缘位置，所有这些点的位置构成身着宇航 服的宇航员的视野。根据人眼位置与亮灯位置计算宇航员身着宇航服在头盔中视 北京交通大学硕士学位论文 野的水平最大角度与竖直最大角度。由于u 型屏的上下宽度较小，通过升降机构 来改变屏幕竖直位置，从而检测视野最大竖直角度。 图2 1u 犁l e d 屏测量方案机械结构图 f i g 2 1m c h a n i c a ls t m c t l l r eo f u - b 0 1 tl e ds c 崩m ( 2 ) u 型l e d 屏测量方案的优缺点 此方案的优点是测量较为方便，在测量时只需调节u 型l e d 屏的高度即可， 其他操作可以在计算机上进行。 但是此方案也有一些缺点，首先u 型l e d 屏上的灯发出平面光，在测量角度 较大时灯光并非直射入人眼中，所以容易造成视野边缘位置确定不准确的问题。 其次，由于屏幕为u 型，不同位置的灯点亮时光源与人眼的距离不等，这样会给 测量带来误差。 2 2 2 动态l e d 灯测量方案 ( 1 ) 方案介绍 动态l e d 灯测量方案的机械结构图如图2 2 所示，此方案的升降机构以及机 械臂部分的结构与u 型l e d 屏测量方案的结构完全相同，不同之处在于将检测用 的u 型屏幕改成一个l e d 灯的模组。模组安装在第四节机械臂下部，l e d 灯连接 在模组的滑块上，通过伺服电机带动模组中的滚珠丝杠转动，实现滑块的移动， 从而使l e d 灯能够前后移动，实现灯与人眼距离的微调。 1 2 视野检测装置总体设计 图2 2 动态l e d 尘j 洌9 适万粲尉i 械结构图 f i g 2 2 m e c l 姗i c a ls t m c n 玳o ft h em e t h o do fd y n 锄i cm e a s u 血g 在进行宇航员视野测量时，移动各个关节机械臂，使l e d 灯处于想要检测的 位置，转动机械臂调整l e d 灯的角度处于光线直射入人眼的位置，移动机械臂确 保在各个检测位置人眼与灯距离相等，较小的距离可通过计算机的微调装置调整。 与u 型l e d 屏方案相同，找到被测人员所能看到的最边缘位置，所有这些位置所 构成的区域即为被测人员的视野。 ( 2 ) 动态l e d 灯测量方案优缺点 此方案的优点为各个检测点到人眼的距离相等，并且光线直射入人眼，测量 结果较准确。在制造成本方面动态l e d 灯方案只需将一个l e d 灯安装在模组上， 与8 块l e d 屏相比价格低廉，并且与u 型屏相比，检测装置体积非常小，在不需 要进行视野检测时储存非常方便。 当然，此方案也有弊端，就是在进行视野检测时，需要有人员辅助被测人员 移动机械臂。 由于是对舱外航天服进行检测，所以对结果的准确度与精确度有着很高的要 求，综上所述，综合考虑以上两种方案各自的优缺点，舱外航天服视野检测装置 决定采用第二种方案，即动态l e d 灯测量方案。在此方案的基础上，进行进一步 研究，验证其检测空间并设计其机械结构与软硬件。 2 2 3动态l e d 灯视野检测装置测量空间研究 采用动态l e d 灯视野检测方案，l e d 灯所能到达的位置与方向主要取决于其 所连接的关节机械臂所能达到的位置与角度。因此，首先要对关节机械臂的节数 与各个臂长进行确定。 下面讨论两转动关节机械臂的平面测量空间，原理图如图2 3 所示： 北京交通大学硕士学位论文 d ( a )( b ) 图2 3 两转动关节臂测量兰i 三问原理图 f i g 2 - 3t h ep 血c i p l eo fp l 肌em e a s u 抽gs p a c eo f 觚oa n i c u l a t e da m s 在两关节臂o a c 中，o 为固定关节，a 为活动关节，o a 臂长设为a ，a c 臂 长设为b 。要使得关节臂o a c 的检测空间最大，即c 点所能到达的所有位置的面 积最大。观察三角形o a c ，设么铡c = 曰，d c = c ，根据余弦定理： c = 口2 + 6 2 2 口6 c o s 口( 2 1 ) 可得： k 兰兰 亿2 ， 所需检测区域的总面积为： s = 万( r 2 一，2 ) = 万( 尺+ ，) ( 尺一，) = 4 万口6( 2 3 ) 而口+ 6 = r 为定值，则s = _ 4 翮2 + 4 砒，当口= 以时，s 取最大值，所以当 a 与b 的比例为1 ：1 时，两关节转动机械臂所检测的空间范围最大。 但是由于本设备要求在各个检测点时，l e d 灯的灯光都要直射入人眼，且灯 距离人眼的位置相等，因此两关节转动机械臂无法达到测试要求，所以需要增加 关节臂的数量以达到检测要求。 2 2 4 动态l e d 灯视野检测装置关节臂数量研究 人在正常情况下使用的视野为3 0 0 范围内的中心视野，但是实际人眼的周边视 野可以达到l8 0 0 左右，并且根据测试要求，检测装置末端l e d 灯距离人眼的位置 要相等，因此我们所研制的动态l e d 灯视野检测装置末节关节臂上的l e d 灯需要 能够在1 8 0 0 范围内，以被测人员人眼所在位置为圆心，以一定长度为半径画圆， 并且最后一节关节臂与人眼在同一条直线上。这样的装置能够满足对于身着舱外 航天服的宇航员进行视野检测的要求，检测示意图如图2 4 所示。 1 4 视野检测装置总体设计 、a 。伊 人眼 ， ， ， 、|伊 人眼 ， 喽 ( a ) ( b ) 图2 4 视野检测示意图 f i g 2 4s c b e m a t i cd i a 黟a mo f 访e wa r 唿m e 鸽u m t 如图2 4 所示，图( a ) 、( b ) 分别为两转动关节臂与三转动关节臂的视野检测示 意图。两个红色圆环用于度量l e d 灯与人眼间距离，在进行视野检测时，调整l e d 灯距离人眼的位置，当l e d 灯到达两圆环之间时，此位置可以进行视野检测。如 图( a ) 所示，若使用两转动关节臂进行视野检测，杆件a 的一端为固定铰链，固定 铰链与人眼之间的位置固定，而a 、b 又都为刚性杆，无法让l e d 灯能够到达红色 圆环中间的任意位置。所以必须增加关节臂的数量。 如图( b ) 所示，若采用三转动关节机械臂，当l e d 灯在圆环中移动时，a 、b 两 关节臂的位姿有无穷多种解，因此可以实现检测要求。 综上所示，本测试系统决定采用三转动关节机械臂，并且前两段关节臂的臂 长相等的机械结构，最后一节关节臂的臂长对于检测区域的大小无影响。这种结 构可以保证检测l e d 灯能够到达所需检测区域的任意一点，实现检测要求。 2 3 视野检测装置总体设计 上文中已经确定了对舱外航天服进行视野检测的具体方案，下面对视野检测 装置进行总体设计。本视野检测装置的设计包含三个方面的设计：机械结构设计、 硬件电路设计和软件设计三个部分。下面分别对这三个部分进行总体设计。 2 3 1 视野检测装置机械结构总体设计 根据前述分析，本装置将采用动态l e d 灯测量方案，并且根据此测量方案确 定了采用三转动关节机械臂，检测装置关节机械臂的前两节长度比例为l ：1 的机械 结构。检测l e d 灯设计安装在第三节关节臂的下端位置，第三节关节臂上端安装 视野调节电控箱，电控箱中使用l e d 灯颜色转换电路与制动器开关电路等测试系 1 5 北京交通人学硕士学位论文 统控制电路。 视野检测装置的机械结构如图2 5 所示： 图2 5 视野检测设备的机械结构 f 唔2 5m e c h a n j c a ls 讯l c t l l r eo f 、，i e wa r e am e a s u r e m te q u i p m e n t 视野检测装置的机械结构主要由三部分构成：升降机构、关节机械臂和末端 视野检测探头。 升降机构由伺服电机、精密直线导轨和滚珠丝杠三部分构成。它的作用是带 动机械臂上下移动。由于关节臂只能在平面内进行转动，通过升降机构带动机械 臂来检测不同高度的宇航员视野范围，将检测到的各个高度的视野范围的坐标值 组合到一起就构成了宇航员在身着宇航服情况下的全部视野范围。 关节机械臂机构由四段机械臂、三个转动关节，以及电磁制动器，角度传感 器组成。关节机械臂在平面内转动，到达所需检测的位置，完成平面内的视野范 围检测。关节机械臂的四段机械臂中，有三段是转动机械臂，即这三段机械臂的 两端都连接在转动关节轴上。与直线导轨上的滑块连接的关节机械臂为固定臂， 固定臂只起到连接三段转动机械臂和滑块的作用，不能转动。转动关节轴上安装 有制动器和角度传感器，在制动条件下，每条关节机械臂都无法转动。由于本装 置不仅要检测舱外航天服的视野范围，还要检测其视野和可操作域，可操作域的 检测需要用到制动装置。 末端检测探头是由装有l e d 灯的模组构成，模组上的滚珠丝杠的一端连有伺 服电机，用于控制l e d 灯的位置。 本节只对机械结构进行总体设计，具体设计将在本文的第三章中进行详细的 论述。 1 6 视野检测装置总体设计 2 3 2 视野检测装置电气总体设计 舱外航天服视野检测系统的电气系统主要包括伺服电机控制、数据采集系统、 电磁制动器控制和视野检测模组探头控制五部分组成，其中伺服电机控制系统负 责机械臂的上下高度调节，数据采集系统负责机械臂的实时位置测量，视野检测 探头负责机械臂的位置细微调节。 本系统需要对两个电机进行控制，一个是升降系统的伺服电机，负责机械臂 高度的位置调节；另一个是l e d 灯微调电机，负责机械臂前端视野测试光点的细 微调节。首先，采用平面转动关节机械臂对视野进行检测，在不调节高度的情况 下只能检测人眼在一个固定高度的视野范围。若要检测全部视野范围，需要检测 装置能够在不同高度实现检测。本装置采用伺服电机对升降机构进行高度控制， 系统对电机的控制直接决定着当前检测的高度。系统控制伺服电机的流程为：首 先上位机通过视野检测软件向伺服电机驱动器发送脉冲和控制信号，伺服电机驱 动器驱动电机转动。当电机的反馈脉冲和上位机发送给电机的脉冲值相等时，伺 服电机驱动器控制电机制动。l e d 微调电机控制方式与升降系统伺服电机控制方 法相同，通过上位机发送脉冲给伺服电机驱动器驱动电机转动，当到达指定位置 后停止转动。 本系统的数据采集本系统采用p c i 7 4 8 3 多功能数据采集板卡进行数据的采集。 本系统需要采集的数据是三个转动关节各自的转角，通过关节转角与各个关节臂 的长度可以计算出l e d 灯所在位置的空间坐标。采用的传感器为导电塑料角度位 移传感器( 如图2 6 所示) ，导电塑料位移传感器是一种以电压输出与轴旋转角度 或直线位移为线性关系的非线绕电位器，其特点是高精度、高寿命、高平滑性、 高分辨率。此传感器的技术参数如表2 1 所示。 图2 6 角度位移传感器 f i g 2