一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，屬于訓練儀器領域。這種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統包括固定在人體上的用于模擬變重力環境感受的上肢運動機構和下肢運動機構，所述人體上肢運動機構上連接用于支撐人體背部的背部支撐座，所述背部支撐座上連接用于控制和支撐背部支撐座的懸臂機構，所述懸臂機構上連接固定基座。本發明提供的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，該系統能較好的模擬變重力步行時，人體所感受的重力環境。并且實現途徑上，做到結構簡單，成本相對較低。
【專利說明】一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，屬于訓練儀器領域。
【背景技術】
[0002]在月球或火星載人探測任務中需要航天員走出艙門步行到目標地點進行取樣、挖掘、觀察和建構等作業，這些任務的完成需要航天員在空間失重或低重力環境下進行。由于人在失重或變重力狀態下的運動感受和作業方式與在地表重力環境下有很大的區別，為了確保能夠完成出艙活動任務，載人航天任務發射前必須在地面對航天員進行大量的模擬訓練和評估，確保其熟練掌握失重狀態下的運動和作業規律與技巧，因此航天員地面失重模擬訓練系統是一個國家開展載人航天工程不可或缺的重要基礎設施。經過近半個世紀的努力，人類已開發出幾種在地面模擬空間失重環境的技術，如氣浮技術、中性浮力水槽、落塔和失重飛機等，但目前能夠用于航天員失重模擬訓練的只有失重飛機和中性浮力水槽。失重飛機進行拋物線飛行時能夠產生極其逼真的零重力加速度環境，但由于其持續的時間較短(15至45秒)，因此僅能供航天員進行失重體驗及簡單的動作訓練，而更多復雜的出艙活動和作業訓練只能在模擬失重的中性浮力水槽中進行。但中性浮力水槽不適用于航天員星表步行地面模擬訓練。從理論上講，在中性浮力水槽中，通過適當的浮力配平措施，也可以達到平衡掉任意比例人體重力的效果，從而為航天員模擬月球或火星等其他星球表面的重力環境，但由于水的動態阻尼和粘滯效應，航天員在水槽中動作時速度不能太快(0.5m/s)，否則流體的阻力作用將使失重效果嚴重失真，這是水槽進行航天員月表步行訓練的主要缺點。人們很容易想到用繩索將航天員懸掛起來，通過繩索將航天員的部分身體重力平衡掉，然后讓其在跑步機上練習變重力步行，但訓練效果很難達到，因為此時人體的主要大關節(主要指腰關節、肩關節、肘關節、髖關節和膝關節等)依然承受IG重力矩的作用，根本達不到失重狀態下的動作效應模擬。
[0003]
【發明內容】
[0004]本發明針對上述不足提供了一種低成本和高仿真度的在地面進行航天員步行訓練的變重力步行模擬系統。
[0005]本發明采用如下技術方案:
本發明一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，包括固定在人體上的用于模擬變重力環境感受的上肢運動機構和下肢運動機構，所述人體上肢運動機構上連接用于支撐人體背部的背部支撐座，所述背部支撐座上連接用于控制和支撐背部支撐座的懸臂機構，所述懸臂機構上連接固定基座。
[0006]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，上述與固定基座連接的懸臂機構包括與立柱鉸接的第一桿件組和第二桿件組，第一桿件組的一端與固定基座鉸接，第二桿件組的一端與背部支撐座連接，第一桿件組、第二桿件組與立柱之間分別設置彈簧。[0007]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，上述背部支撐座包括與懸臂機構鉸接的第二立柱，第二立柱上固定連接用于使背部保持直立的第三立柱。
[0008]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，所述的第一桿件組包括桿件一與桿件二，所述的桿件一與桿件二相互平行布置且長度相等，桿件一與桿件二的一端與固定基座鉸接、另一端與豎直立柱鉸接，
所述的第二桿件組包括桿件四與桿件五，所述的桿件四與桿件五相互平行布置且長度相等，桿件四與桿件五與立柱鉸接，另一端與背部支撐座上的第二立柱鉸接。
[0009]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，上述上肢運動機構包括用于固定在上臂上的第三桿件組，用于固定在小臂上的第四桿件組；第三桿件組的一端與背部支撐座連接，第三桿件組的另一端與第四桿件組的一端連接。
[0010]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，所述的第三桿件組包括件十一，桿件十二，桿件十三，桿件十四，桿件十五，桿件十六；所述的桿件1、桿件十三的一端與第三立柱的上部鉸接、另一端與桿件十二鉸接，桿件十一與桿件十三相互平行布置且長度相等；桿件十四與桿件十五的一端分別與桿件十二鉸接、另一端與桿件十六鉸接；桿件十四與桿件十五相互平行布置且長度相等。
[0011]所述的第四桿件組包括桿件十七，桿件十八；所述的桿件十七與桿件十八的一端與桿件十六鉸接，桿件十七與桿件十八相互平行設置且長度相等。
[0012]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:上述下肢運動機構包括用于固定在大腿上的第五桿件組，用于固定在小腿上的第六桿件組；所述的第五桿件組的一端與背部支 撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與六桿件組鉸接。
[0013]本發明所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，所述的第五桿件組包括桿件六，桿件七，桿件八；所述的桿件六與桿件七的一端與背部支撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與桿件八鉸接；桿件六與桿件七相互平行設置且長度相等；
所述的第六桿件組包括桿件九、桿件十；桿件九與桿件十分別與桿件八鉸接，桿件九與桿件十相互平行設置且長度相等。
[0014]該機械外骨骼訓練機構由若干個彈簧平行四邊形機構相互串聯而成，該機械外骨骼訓練機構的下方設有跑步機；通過彈簧彈性系數或調整彈簧的安裝位置，平衡該訓練機構自身的重力和一定比例的人體重力。
[0015]懸臂機構由兩個彈簧平行四邊形機構構成，所述的懸臂機構可以在豎直平面內上下擺動，懸臂機構內設有有兩個彈簧，彈簧的使得懸臂機構能夠保持懸停。
[0016]有益效果
本發明提供的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，該系統能較好的模擬變重力步行時，人體所感受的重力環境。并且實現途徑上，做到結構簡單，成本相對較低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是發明的立體結構示意圖。
【具體實施方式】[0018]下面集合附圖對本發明進一步詳細說明:
如圖所示:一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，包括固定在人體上的用于模擬變重力環境感受的上肢運動機構和下肢運動機構，所述人體上肢運動機構上連接用于支撐人體背部的背部支撐座，所述背部支撐座上連接用于控制和支撐背部支撐座的懸臂機構，所述懸臂機構上連接固定基座。
[0019]固定基座連接的懸臂機構包括與立柱3鉸接的第一桿件組和第二桿件組，第一桿件組的一端與固定基座鉸接，第二桿件組的一端與背部支撐座連接，第一桿件組、第二桿件組與立柱3之間分別設置彈簧。
[0020]背部支撐座包括與懸臂機構鉸接的第二立柱，第二立柱上固定連接用于使背部保持直立的第三立柱。 [0021]第一桿件組包括桿件一 I與桿件二 2，所述的桿件一 I與桿件二 2相互平行布置且長度相等，桿件一 I與桿件二 2的一端與固定基座鉸接、另一端與豎直立柱3鉸接，
第二桿件組包括桿件四4與桿件五5，所述的桿件四4與桿件五5相互平行布置且長度相等，桿件四4與桿件五5與立柱3鉸接，另一端與背部支撐座上的第二立柱鉸接。
[0022]上肢運動機構包括用于固定在上臂上的第三桿件組，用于固定在小臂上的第四桿件組；第三桿件組的一端與背部支撐座連接，第三桿件組的另一端與第四桿件組的一端連接。第三桿件組包括件十一 11，桿件十二 12，桿件十三13，桿件十四14，桿件十五15，桿件十六16 ;所述的桿件十一 11、桿件十三13的一端與第三立柱的上部鉸接、另一端與桿件十二 12鉸接，桿件十一 11與桿件十三13相互平行布置且長度相等；桿件十四14與桿件十五15的一端分別與桿件十二 12鉸接、另一端與桿件十六16鉸接；桿件十四14與桿件十五15相互平行布置且長度相等。
[0023]第四桿件組包括桿件十七17，桿件十八18 ;所述的桿件十七17與桿件十八18的一端與桿件十六16鉸接，桿件十七17與桿件十八18相互平行設置且長度相等。
[0024]下肢運動機構包括用于固定在大腿上的第五桿件組，用于固定在小腿上的第六桿件組；所述的第五桿件組的一端與背部支撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與六桿件組鉸接。第五桿件組包括桿件六6,桿件七7,桿件八8 ;所述的桿件六6與桿件七7的一端與背部支撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與桿件八8鉸接；桿件六6與桿件七7相互平行設置且長度相等；第六桿件組包括桿件九9、桿件十10 ;桿件九9與桿件十10分別與桿件八8鉸接，桿件九9與桿件十10相互平行設置且長度相等。
[0025]機械外骨骼訓練機構通過一個串聯的彈簧平行四邊形機構與固定基座相連，該機械外骨骼訓練機構的下方設有跑步機；通過彈簧彈性系數或調整彈簧的安裝位置，平衡該訓練機構自身的重力和一定比例的人體重力。
[0026]結合外骨骼機器人技術和上述彈簧平行四邊形重力平衡機構，面向航天員變重力步行模擬訓練的外骨骼機器人系統。系統以具有靜態被動平衡能力的彈簧平行四邊形機構為基礎，建立包含軀干和四肢的機械外骨骼系統，該外骨骼系統通過一個串聯的彈簧平行四邊形機構與固定基座連接，受訓者穿戴該外骨骼系統在跑步機上步行，通過選擇合適的彈簧彈性系數或調整彈簧的安裝位置，可以將機構自身的重力和一定比例的人體重力平衡掉，從而使受訓者在步行過程中其身體及各主要關節感受到失去一定比例重力載荷的效應。機構的主要部分分為懸臂部分和外骨骼部分，懸臂部分由兩個平行四邊形桿件單元構成，如圖所不，桿一 I與桿二 2均使用轉動鉸鏈與豎直立柱連接,在桿一 I與桿二 2長度相等的情況下，豎直立柱3保持豎直，兩端分別使用轉動鉸鏈與桿一I及桿二 2連接，懸臂的第二單元使用同樣的結構向右延長，桿件四4和桿件五5使用轉動鉸鏈與豎直立柱3連接，整個懸臂單元可以在豎直平面內上下擺動，懸臂單元有兩個彈簧，彈簧的收縮力使得懸臂部分能夠克服自身重力保持懸停，同時能給人體提供向上的拉力。機構的另外一個部分是外骨骼部分，外骨骼使用同樣的原理，上肢和下肢均與外骨骼部分連接，已下肢為例，桿六6與桿七7與背部支撐機構使用轉動鉸鏈連接，桿六6和桿七7長度相等，保持平行，桿八8保持垂直，桿九9與桿十10以同樣的原理向下延伸，每個外骨骼單元也都具備兩個彈簧，彈簧的安裝位置使得彈簧的收縮力能夠給系統提供適合的支持力。
[0027]結合外骨骼機器人技術和上述彈簧平行四邊形重力平衡機構，構建如圖2所示的面向航天員變重力步行模擬訓練的外骨骼機器人系統。系統以具有靜態被動平衡能力的彈簧平行四邊形機構為基礎，建立包含軀干和四肢的機械外骨骼系統，該外骨骼系統通過一個串聯的彈簧平行四邊形機構與固定基座連接，受訓者穿戴該外骨骼系統在跑步機上步行，通過選擇合適的彈簧彈性系數或調整彈簧的安裝位置，可以將機構自身的重力和一定比例的人體重力平衡掉，從而使受訓者在步行過程中其身體及各主要關節感受到失去一定比例重力載荷的效應。
[0028]首先根據受訓人員的身體各部分質量參數，調節外骨骼訓練系統的受控部件，受訓人員在工作人員的協助下穿戴外骨骼，穿戴完畢后，受訓人員在跑步機上完成事先規劃的訓練科目，包括步行和慢跑等，具體內容可由工作人員選擇，在受訓人員進行各項科目訓練時，工作人員記錄下受訓人員的各項生理指標，包括心跳血壓等。受訓人員訓練完畢后與工作人員一同填寫訓練報告。
【權利要求】
1.一種用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:包括固定在人體上的用于模擬變重力環境感受的上肢運動機構和下肢運動機構，所述人體上肢運動機構上連接用于支撐人體背部的背部支撐座，所述背部支撐座上連接用于控制和支撐背部支撐座的懸臂機構，所述懸臂機構上連接固定基座。
2.根據權利要求1所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:上述與固定基座連接的懸臂機構包括與立柱(3)鉸接的第一桿件組和第二桿件組，第一桿件組的一端與固定基座鉸接，第二桿件組的一端與背部支撐座連接，第一桿件組、第二桿件組與立柱(3)之間分別設置彈簧。
3.根據權利要求1所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:上述背部支撐座包括與懸臂機構鉸接的第二立柱，第二立柱上固定連接用于使背部保持直立的第二立柱。
4.根據權利要求2所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:所述的第一桿件組包括桿件一(1)與桿件二(2)，所述的桿件一(1)與桿件二(2)相互平行布置且長度相等，桿件一(1與桿件二(2)的一端與固定基座鉸接、另一端與豎直立柱(3)鉸接， 所述的第二桿件組包括桿件四(4)與桿件五(5)，所述的桿件四(4)與桿件五(5)相互平行布置且長度相等，桿件四(4)與桿件五(5)與立柱(3)鉸接，另一端與背部支撐座上的第二立柱鉸接。
5.根據權利要求1所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:上述上肢運動機構包括用于固定在上臂上的第三桿件組，用于固定在小臂上的第四桿件組；第三桿件組的一端與背部支撐座連接，第三桿件組的另一端與第四桿件組的一端連接。
6.根據權利要求3或5所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:所述的第三桿件組包括件十一(11)，桿件十二(12)，桿件十三(13)，桿件十四(14)，桿件十五(15),桿件十六(16);所述的桿件^ (11)、桿件十三(13)的一端與第三立柱的上部鉸接、另一端與桿件十二(12)鉸接，桿件十一(11)與桿件十三(13)相互平行布置且長度相等；桿件十四(14)與桿件十五(15)的一端分別與桿件十二(12)鉸接、另一端與桿件十六(16)鉸接；桿件十四(14)與桿件十五(15)相互平行布置且長度相等； 所述的第四桿件組包括桿件十七(17)，桿件十八(18);所述的桿件十七(17)與桿件十八(18)的一端與桿件十六(16)鉸接，桿件十七(17)與桿件十八(18)相互平行設置且長度相等。
7.根據權利要求1或3所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:上述下肢運動機構包括用于固定在大腿上的第五桿件組，用于固定在小腿上的第六桿件組；所述的第五桿件組的一端與背部支撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與六桿件組鉸接。
8.根據權利要求7所述的用于航天員訓練的變重力步行模擬系統，其特征在于:所述的第五桿件組包括桿件六(6)，桿件七(7)，桿件八(8);所述的桿件六(6)與桿件七(7)的一端與背部支撐座上第三立柱下部鉸接、另一端與桿件八(8)鉸接；桿件六(6)與桿件七(7)相互平行設置且長度相等； 所述的第六桿件組包括桿件九(9)、桿件十(10);桿件九(9)與桿件十(10)分別與桿件八(8 )鉸接，桿件九(9 )與桿件十(10 )相互平行設置且長度相等。
【文檔編號】G09B9/00GK104021704SQ201410111690
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】喬兵, 陳卓鵬 申請人:南京航空航天大學