[发明专利]一种基于弹簧机构的重力增加技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种重力增加技术，特别涉及一种利用弹簧机构、通过弹性势能增加重力势能的机构。既可用于宇航员外太空中行走锻炼，又可用于伤病人员的复健训练。

背景技术

随着我国载人航天工程的不断深入和空间实验室的组建，未来将会有更多的宇航员需要往返于地球与空间实验室之间，实现空间实验室的轮流值守。但是，空间实验室的微重力环境不同于人类熟悉的地面环境，长时间处于微重力环境中会引起人体骨质疏松、骨骼肌萎缩和心血管功能紊乱等适应性改变，即空间适应综合症。这些变化对宇航员的健康和工作都有不利的影响。因此，对失重环境中的宇航员进行相应的重力增加锻炼，抑制和减轻失重环境对宇航员带来的不利影响，以保障宇航员的健康，一直是载人航天工程中航天医学研究的重要内容。

目前，虽然尚缺乏全面对抗失重影响的综合性方法，但是航天医学研究的已有结果表明：利用重力增加技术，模拟地球引力和负载是对抗骨质疏松、骨骼肌萎缩和心血管功能紊乱等空间适应综合症的有效措施。目前，国际空间站中的宇航员主要采用自行车功量计、太空跑步机以及抗阻力训练器等设备进行增重锻炼。这些设备可以模拟人体在地面活动时肌肉所受的重力负载，能够用于宇航员的上肢、下肢与背部骨骼肌的锻炼。科学研究对国际空间站中宇航员进行增重锻炼时的足底压力进行了测量与统计分析，发现：即使自行车功量计等训练设备输出最大的功率，宇航员的足底压力仅为地面(即1g重力环境)中的70％左右，即已有的训练装置施加于人体的负载明显小于人体在1g环境中所受的负载。因此，虽然在国际空间站上宇航员进行了重力增加的锻炼，但是宇航员的骨骼密度和强度、肌肉体积等仍有不同程度的减少。

本发明提出了一种基于弹簧机构的重力增加技术。该技术利用弹簧的弹力实现对人体在地面活动时所受重力负载的模拟，可用于宇航员的增重锻炼。

发明内容

本发明基于弹簧机构沿竖直方向弹力分量守恒，即任意时刻机构运动到任意位置时，弹簧弹力沿其悬挂点与机构旋转点连线方向的分力大小恒定，研究了一种通过弹性势能增加重力势能的重力增加技术。

本发明所提出的基于弹簧机构的重力增加技术，其中核心弹簧机构主要包括：双平行四边形机构、上肢连接架和零伸长弹簧等。宇航员通过全身式安全带与该弹簧机构固连。整个弹簧机构具有5个自由度，即θ₁～θ₅，能够为宇航员提供5个自由度的活动能力，即3个平动和2个转动。受约束的转动是人体躯干的侧倾运动，即绕人体矢状面内水平轴的转动。事实上，该部分的运动在人体的跑步、行走等锻炼活动中只占据很小的比例。弹簧机构的所有关节都设计为被动关节，因此当人体活动时弹簧机构能够跟随人体的运动，从而允许宇航员在活动空间内进行跑步和行走等活动。

本发明中，所述的双平行四边形机构设计为三自由度可旋转的框架，其在人体运动范围的调节中其主要作用，框架顶端用来悬挂两个零伸长弹簧；上肢连接架为三角形，由连杆和背板构成，其通过两个转动副与平行四边形框架连接，提供两个自由度的旋转；零伸长弹簧机构由三根弹簧、滑轮和钢丝绳组成。

本发明提出的重力增加技术，通过可增重的弹簧机构，在保证人体正常运动的情况下，增加运动过程中人体与地面的接触力。由于不同人体的质量不同，所需增加的重力大小也不相同，因此本发明根据不同人体的质量、质心位置等参数进行计算，得到不同的弹簧悬挂长度，通过调节弹簧悬挂点的位置，增大或减小弹簧的伸长量，实现重力增加大小的调整，以适应不同人体的要求。

利用该重力增加技术，宇航员在空间站跑步机上进行跑步、行走等对抗失重锻炼时，将获得如同在地面跑步机上进行锻炼的效果。对于伤病人员的复健，通过该技术可以增加肌肉的复合，锻炼肌纤维，促进运动能力的锻炼与恢复。

本发明的优点有：

1)与已有的宇航员锻炼方式相比较，该发明其核心是一套无动力的被动弹簧机构，其不需要外部供电，也不需要控制系统，简化了机构的复杂度，因而具有系统结构简单、安全和良好的稳定性等特点，同时降低了机构的能耗与制作工艺要求，大幅度降低了生产成本；

2)该发明操作简单，调节精度高，并使加于人体的负载具有更大的调整范围，甚至可以超过地面时所受的重力负载，能够实现更好的对抗失重防护效果，也可以缩短宇航员的锻炼时间。

3)该发明采用了双平行四边形机构和球副结构，保证了人体在空间的6个自由度运动，不限制人体的运动形式，使得宇航员在运动范围允许的条件下可以进行正常的行走和跑步等运动。

附图说明