[发明专利]一种航天员低重力运动模拟外骨骼

说明书

一种航天员低重力运动模拟外骨骼，包括整体重力平衡机构，整体重力平衡机构上设置有外骨骼背部平衡机构，外骨骼背部平衡机构下端两侧通过外骨骼腿部和外骨骼足部相连。底座和下肢之间外骨骼存在平行四边形弹簧重力补偿机构，可根据不同的穿戴者和不同的运动状态对重力进行实时补偿。同时，在人体下肢的外骨骼部分采用并联的平行四边形弹簧机构对腿部的重力平衡，髋关节和膝关节的串联弹性驱动器使得人体在运动过程中能够外骨骼能够柔顺跟随，并且实时主动平衡腿部重力。本发明满足传递大重力负载的情况下精确力控，灵活跟随运动，增加穿戴者的舒适性。

技术领域

本发明涉及地球表面做太空低重力训练系统技术领域，特别涉及一种航天员低重力运动模拟外骨骼。

背景技术

低重力环境模拟技术是帮助航天员在地球上进行低重力训练的最为重要的技术，美国、俄罗斯和中国等航天强国已发展有失重飞行、落塔、中性浮力水池、气浮台、虚拟现实技术、悬吊式重力补偿系统等多种低重力环境模拟技术。对现有的低重力模拟技术分析可知，飞机进行抛物线失重飞行时能够产生逼真的零重力加速度环境，但由于其持续的时间较短(15～45s)，模拟成本巨大，仅能供航天员进行失重体验及简单的动作训练；落塔的模拟时间较短(2～10s)；中性浮力水池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；气浮台能实现二维平动的低重力环境模拟，难以实现三维空间复杂运动模拟；虚拟现实技术主要在视觉与局部力反馈方面进行模拟，不能全面模拟低重力环境下人体的感觉，一般需要与其他物理模拟手段结合；现有的悬吊式重力补偿系统，如NASA兰利研究中心使用的部分重力模拟器(Practical Gravity Simulator,POGO)和主动反应重力补偿系统(Active ResponseGravity Offload System,ARGOS)，虽然能够对人体重力进行被动甚至主动重力补偿，然而此时人体的肘、肩、腰、髋、膝等大关节依然承受着1g的重力矩作用，运动模拟过程不柔顺，影响了低重力模拟的准确性。只有当吊索的拉力矢量经过被悬吊物体/人体的质心时才能同时对重力及重力矩进行补偿，然而人体在活动时质心始终是移动的，而且柔性绳索造成的运动滞后和柔性抖动等耦合因素均会对重力补偿精度带来不利影响。因此，现有的低重力环境模拟技术难以满足模拟重力还原度、模拟重力范围、运动自由度、运动柔顺程度、模拟持续时间、系统成本等综合指标，亟需发展新的技术途径，以适应载人航天工程的实际需求。美国新墨西哥州立大学采用被动式的平行四边形减重机构设计了航天员低重力训练模拟系统，但其不能对快速运动的作业进行主动维持低重力效果。

因此，目前存在的航天员低重力训练系统一方面对人体的重力补偿精度差，不能实时动态补偿人体重力；另一方面限制了各部分人体的柔顺运动。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种航天员低重力运动模拟外骨骼，针对外骨骼机器人的髋关节、膝关节、腿部和足部进行针对性设计，使得外骨骼整体机电结构紧凑，能够柔顺性运动，满足传递大重力负载的情况下精确力控，灵活跟随运动，增加穿戴者的舒适性。在地球表面能够模拟空间站零重力，月球1/6重力，火星1/3重力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种航天员低重力运动模拟外骨骼，包括整体重力平衡机构1，整体重力平衡机构1上设置有外骨骼背部平衡机构2，外骨骼背部平衡机构2下端两侧通过外骨骼腿部3和外骨骼足部4相连。