CN104021704A - 一种用于航天员训练的变重力步行模拟*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航天员训练的变重力步行模拟***，属于训练仪器领域。这种用于航天员训练的变重力步行模拟***包括固定在人体上的用于模拟变重力环境感受的上肢运动机构和下肢运动机构，所述人体上肢运动机构上连接用于支撑人体背部的背部支撑座，所述背部支撑座上连接用于控制和支撑背部支撑座的悬臂机构，所述悬臂机构上连接固定基座。本发明提供的用于航天员训练的变重力步行模拟***，该***能较好的模拟变重力步行时，人体所感受的重力环境。并且实现途径上，做到结构简单，成本相对较低。

Description

一种用于航天员训练的变重力步行模拟***

技术领域

本发明涉及一种用于航天员训练的变重力步行模拟***，属于训练仪器领域。 

背景技术

   在月球或火星载人探测任务中需要航天员走出舱门步行到目标地点进行取样、挖掘、观察和建构等作业，这些任务的完成需要航天员在空间失重或低重力环境下进行。由于人在失重或变重力状态下的运动感受和作业方式与在地表重力环境下有很大的区别，为了确保能够完成出舱活动任务，载人航天任务发射前必须在地面对航天员进行大量的模拟训练和评估，确保其熟练掌握失重状态下的运动和作业规律与技巧，因此航天员地面失重模拟训练***是一个国家开展载人航天工程不可或缺的重要基础设施。经过近半个世纪的努力，人类已开发出几种在地面模拟空间失重环境的技术，如气浮技术、中性浮力水槽、落塔和失重飞机等，但目前能够用于航天员失重模拟训练的只有失重飞机和中性浮力水槽。失重飞机进行抛物线飞行时能够产生极其逼真的零重力加速度环境，但由于其持续的时间较短 (15至45 秒)，因此仅能供航天员进行失重体验及简单的动作训练，而更多复杂的出舱活动和作业训练只能在模拟失重的中性浮力水槽中进行。但中性浮力水槽不适用于航天员星表步行地面模拟训练。从理论上讲，在中性浮力水槽中，通过适当的浮力配平措施，也可以达到平衡掉任意比例人体重力的效果，从而为航天员模拟月球或火星等其他星球表面的重力环境，但由于水的动态阻尼和粘滞效应，航天员在水槽中动作时速度不能太快 (0.5m/s) ，否则流体的阻力作用将使失重效果严重失真，这是水槽进行航天员月表步行训练的主要缺点。人们很容易想到用绳索将航天员悬挂起来，通过绳索将航天员的部分身体重力平衡掉，然后让其在跑步机上练习变重力步行，但训练效果很难达到，因为此时人体的主要大关节（主要指腰关节、肩关节、肘关节、髋关节和膝关节等）依然承受 1G重力矩的作用，根本达不到失重状态下的动作效应模拟。 

  

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种低成本和高仿真度的在地面进行航天员步行训练的变重力步行模拟***。 

本发明采用如下技术方案： 

本发明一种用于航天员训练的变重力步行模拟***，包括固定在人体上的用于模拟变重力环境感受的上肢运动机构和下肢运动机构，所述人体上肢运动机构上连接用于支撑人体背部的背部支撑座，所述背部支撑座上连接用于控制和支撑背部支撑座的悬臂机构，所述悬臂机构上连接固定基座。

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，上述与固定基座连接的悬臂机构包括与立柱铰接的第一杆件组和第二杆件组，第一杆件组的一端与固定基座铰接，第二杆件组的一端与背部支撑座连接，第一杆件组、第二杆件组与立柱之间分别设置弹簧。 

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，上述背部支撑座包括与悬臂机构铰接的第二立柱，第二立柱上固定连接用于使背部保持直立的第三立柱。 

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，所述的第一杆件组包括杆件一与杆件二，所述的杆件一与杆件二相互平行布置且长度相等，杆件一与杆件二的一端与固定基座铰接、另一端与竖直立柱铰接， 

所述的第二杆件组包括杆件四与杆件五，所述的杆件四与杆件五相互平行布置且长度相等，杆件四与杆件五与立柱铰接，另一端与背部支撑座上的第二立柱铰接。

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，上述上肢运动机构包括用于固定在上臂上的第三杆件组，用于固定在小臂上的第四杆件组；第三杆件组的一端与背部支撑座连接，第三杆件组的另一端与第四杆件组的一端连接。 

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，所述的第三杆件组包括件十一，杆件十二，杆件十三，杆件十四，杆件十五，杆件十六；所述的杆件十一、杆件十三的一端与第三立柱的上部铰接、另一端与杆件十二铰接，杆件十一与杆件十三相互平行布置且长度相等；杆件十四与杆件十五的一端分别与杆件十二铰接、另一端与杆件十六铰接；杆件十四与杆件十五相互平行布置且长度相等。 

所述的第四杆件组包括杆件十七，杆件十八；所述的杆件十七与杆件十八的一端与杆件十六铰接，杆件十七与杆件十八相互平行设置且长度相等。 

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：上述下肢运动机构包括用于固定在大腿上的第五杆件组，用于固定在小腿上的第六杆件组；所述的第五杆件组的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与六杆件组铰接。 

本发明所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，所述的第五杆件组包括杆件六，杆件七，杆件八；所述的杆件六与杆件七的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与杆件八铰接；杆件六与杆件七相互平行设置且长度相等； 

所述的第六杆件组包括杆件九、杆件十；杆件九与杆件十分别与杆件八铰接，杆件九与杆件十相互平行设置且长度相等。

该机械外骨骼训练机构由若干个弹簧平行四边形机构相互串联而成，该机械外骨骼训练机构的下方设有跑步机；通过弹簧弹性系数或调整弹簧的安装位置，平衡该训练机构自身的重力和一定比例的人体重力。 

悬臂机构由两个弹簧平行四边形机构构成，所述的悬臂机构可以在竖直平面内上下摆动，悬臂机构内设有有两个弹簧，弹簧的使得悬臂机构能够保持悬停。 

有益效果 

本发明提供的用于航天员训练的变重力步行模拟***，该***能较好的模拟变重力步行时，人体所感受的重力环境。并且实现途径上，做到结构简单，成本相对较低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是发明的立体结构示意图。

具体实施方式

下面集合附图对本发明进一步详细说明： 

如图所示：一种用于航天员训练的变重力步行模拟***，包括固定在人体上的用于模拟变重力环境感受的上肢运动机构和下肢运动机构，所述人体上肢运动机构上连接用于支撑人体背部的背部支撑座，所述背部支撑座上连接用于控制和支撑背部支撑座的悬臂机构，所述悬臂机构上连接固定基座。

固定基座连接的悬臂机构包括与立柱3铰接的第一杆件组和第二杆件组，第一杆件组的一端与固定基座铰接，第二杆件组的一端与背部支撑座连接，第一杆件组、第二杆件组与立柱3之间分别设置弹簧。 

背部支撑座包括与悬臂机构铰接的第二立柱，第二立柱上固定连接用于使背部保持直立的第三立柱。 

第一杆件组包括杆件一1与杆件二2，所述的杆件一1与杆件二2相互平行布置且长度相等，杆件一1与杆件二2的一端与固定基座铰接、另一端与竖直立柱3铰接， 

第二杆件组包括杆件四4与杆件五5，所述的杆件四4与杆件五5相互平行布置且长度相等，杆件四4与杆件五5与立柱3铰接，另一端与背部支撑座上的第二立柱铰接。

上肢运动机构包括用于固定在上臂上的第三杆件组，用于固定在小臂上的第四杆件组；第三杆件组的一端与背部支撑座连接，第三杆件组的另一端与第四杆件组的一端连接。第三杆件组包括件十一11，杆件十二12，杆件十三13，杆件十四14，杆件十五15，杆件十六16；所述的杆件十一11、杆件十三13的一端与第三立柱的上部铰接、另一端与杆件十二12铰接，杆件十一11与杆件十三13相互平行布置且长度相等；杆件十四14与杆件十五15的一端分别与杆件十二12铰接、另一端与杆件十六16铰接；杆件十四14与杆件十五15相互平行布置且长度相等。 

第四杆件组包括杆件十七17，杆件十八18；所述的杆件十七17与杆件十八18的一端与杆件十六16铰接，杆件十七17与杆件十八18相互平行设置且长度相等。 

下肢运动机构包括用于固定在大腿上的第五杆件组，用于固定在小腿上的第六杆件组；所述的第五杆件组的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与六杆件组铰接。第五杆件组包括杆件六6，杆件七7，杆件八8；所述的杆件六6与杆件七7的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与杆件八8铰接；杆件六6与杆件七7相互平行设置且长度相等；第六杆件组包括杆件九9、杆件十10；杆件九9与杆件十10分别与杆件八8铰接，杆件九9与杆件十10相互平行设置且长度相等。 

机械外骨骼训练机构通过一个串联的弹簧平行四边形机构与固定基座相连，该机械外骨骼训练机构的下方设有跑步机；通过弹簧弹性系数或调整弹簧的安装位置，平衡该训练机构自身的重力和一定比例的人体重力。 

结合外骨骼机器人技术和上述弹簧平行四边形重力平衡机构，面向航天员变重力步行模拟训练的外骨骼机器人***。***以具有静态被动平衡能力的弹簧平行四边形机构为基础，建立包含躯干和四肢的机械外骨骼***，该外骨骼***通过一个串联的弹簧平行四边形机构与固定基座连接，受训者穿戴该外骨骼***在跑步机上步行，通过选择合适的弹簧弹性系数或调整弹簧的安装位置，可以将机构自身的重力和一定比例的人体重力平衡掉，从而使受训者在步行过程中其身体及各主要关节感受到失去一定比例重力载荷的效应。机构的主要部分分为悬臂部分和外骨骼部分，悬臂部分由两个平行四边形杆件单元构成，如图所示，杆一1与杆二2均使用转动铰链与竖直立柱连接，在杆一1与杆二2长度相等的情况下，竖直立柱3保持竖直,两端分别使用转动铰链与杆一1及杆二2连接,悬臂的第二单元使用同样的结构向右延长，杆件四4和杆件五5使用转动铰链与竖直立柱3连接，整个悬臂单元可以在竖直平面内上下摆动，悬臂单元有两个弹簧，弹簧的收缩力使得悬臂部分能够克服自身重力保持悬停，同时能给人体提供向上的拉力。机构的另外一个部分是外骨骼部分，外骨骼使用同样的原理，上肢和下肢均与外骨骼部分连接，已下肢为例，杆六6与杆七7与背部支撑机构使用转动铰链连接，杆六6和杆七7长度相等，保持平行，杆八8保持垂直，杆九9与杆十10以同样的原理向下延伸，每个外骨骼单元也都具备两个弹簧，弹簧的安装位置使得弹簧的收缩力能够给***提供适合的支持力。 

结合外骨骼机器人技术和上述弹簧平行四边形重力平衡机构，构建如图2所示的面向航天员变重力步行模拟训练的外骨骼机器人***。***以具有静态被动平衡能力的弹簧平行四边形机构为基础，建立包含躯干和四肢的机械外骨骼***，该外骨骼***通过一个串联的弹簧平行四边形机构与固定基座连接，受训者穿戴该外骨骼***在跑步机上步行，通过选择合适的弹簧弹性系数或调整弹簧的安装位置，可以将机构自身的重力和一定比例的人体重力平衡掉，从而使受训者在步行过程中其身体及各主要关节感受到失去一定比例重力载荷的效应。 

首先根据受训人员的身体各部分质量参数，调节外骨骼训练***的受控部件， 受训人员在工作人员的协助下穿戴外骨骼，穿戴完毕后，受训人员在跑步机上完成事先规划的训练科目，包括步行和慢跑等，具体内容可由工作人员选择，在受训人员进行各项科目训练时，工作人员记录下受训人员的各项生理指标，包括心跳血压等。受训人员训练完毕后与工作人员一同填写训练报告。 

Claims (8)

1.一种用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：包括固定在人体上的用于模拟变重力环境感受的上肢运动机构和下肢运动机构，所述人体上肢运动机构上连接用于支撑人体背部的背部支撑座，所述背部支撑座上连接用于控制和支撑背部支撑座的悬臂机构，所述悬臂机构上连接固定基座。

2.根据权利要求1所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：上述与固定基座连接的悬臂机构包括与立柱（3）铰接的第一杆件组和第二杆件组，第一杆件组的一端与固定基座铰接，第二杆件组的一端与背部支撑座连接，第一杆件组、第二杆件组与立柱（3）之间分别设置弹簧。

3.根据权利要求1所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：上述背部支撑座包括与悬臂机构铰接的第二立柱，第二立柱上固定连接用于使背部保持直立的第三立柱。

4.根据权利要求2所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：所述的第一杆件组包括杆件一（1）与杆件二（2），所述的杆件一（1）与杆件二（2）相互平行布置且长度相等，杆件一（1）与杆件二（2）的一端与固定基座铰接、另一端与竖直立柱（3）铰接，

所述的第二杆件组包括杆件四（4）与杆件五（5），所述的杆件四（4）与杆件五（5）相互平行布置且长度相等，杆件四（4）与杆件五（5）与立柱（3）铰接，另一端与背部支撑座上的第二立柱铰接。

5.根据权利要求1 所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：上述上肢运动机构包括用于固定在上臂上的第三杆件组，用于固定在小臂上的第四杆件组；第三杆件组的一端与背部支撑座连接，第三杆件组的另一端与第四杆件组的一端连接。

6.根据权利要求3或5所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：所述的第三杆件组包括件十一（11），杆件十二（12），杆件十三（13），杆件十四（14），杆件十五（15），杆件十六（16）；所述的杆件十一（11）、杆件十三（13）的一端与第三立柱的上部铰接、另一端与杆件十二（12）铰接，杆件十一（11）与杆件十三（13）相互平行布置且长度相等；杆件十四（14）与杆件十五（15）的一端分别与杆件十二（12）铰接、另一端与杆件十六（16）铰接；杆件十四（14）与杆件十五（15）相互平行布置且长度相等；

所述的第四杆件组包括杆件十七（17），杆件十八（18）；所述的杆件十七（17）与杆件十八（18）的一端与杆件十六（16）铰接，杆件十七（17）与杆件十八（18）相互平行设置且长度相等。

7.根据权利要求1或3所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：上述下肢运动机构包括用于固定在大腿上的第五杆件组，用于固定在小腿上的第六杆件组；所述的第五杆件组的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与六杆件组铰接。

8.根据权利要求7所述的用于航天员训练的变重力步行模拟***，其特征在于：所述的第五杆件组包括杆件六（6），杆件七（7），杆件八（8）；所述的杆件六（6）与杆件七（7）的一端与背部支撑座上第三立柱下部铰接、另一端与杆件八（8）铰接；杆件六（6）与杆件七（7）相互平行设置且长度相等；

所述的第六杆件组包括杆件九（9）、杆件十（10）；杆件九（9）与杆件十（10）分别与杆件八（8）铰接，杆件九（9）与杆件十（10）相互平行设置且长度相等。