[发明专利]分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统

说明书

本发明公开了一种分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统，针对人体连续质量特征进行模块化分级，采用多点分布式重力卸载的策略，有效降低宇航员训练时的附加关节力，及触发肌肉力量，有效提高了宇航员微低重力模拟训练的真实度和沉浸感。采用桁车二自由度运动平台实现人体整体的大范围空间二自由度平动；结合分布式重力卸载平台实现人体整体的竖直方向大范围运动，以及人体躯干、四肢、头部的小范围六自由度运动。针对人体漂浮基状态整体大范围运动与局部小范围运动进行解耦设计，满足了宇航员多姿态、多运动模式的训练需求。

技术领域

本发明属于航空航天微低重力模拟、体育训练、健身娱乐、机械工程等技术领域，具体涉及一种分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统。

背景技术

我国载人航天工程发展迅速，空间站建设、在轨建造、在轨维护等需要更多的宇航员进入太空；国际上NASA宣布了载人登陆火星计划，SpaceX推出私人运载与星际旅行计划等，人类的活动逐步拓展到太空。太空的微低重力环境会对人体造成种种负面影响，包括平衡能力变差、肢体运动模式改变、肌肉萎缩等，严重影响宇航员的安全、健康和工作效能。为了保证宇航员在空间环境下的健康与效能，确保载人航天任务的顺利完成，在地面模拟微低重力环境并进行宇航员训练尤为重要，我国迫切需要面向微低重力模拟训练的技术和器械。目前常用的抛物线飞行法、中性浮力法、气浮法等都不同程度地存在成本高、持续时间短、液体阻力大、空间运动受限等缺点。而悬吊法通过给人体施加若干通过其质心的集中力来抵消全部或部分重力，更为重要的是可以实现复杂的三维空间运动，是目前相对理想的面向人体的卸载方法。但是现有的悬吊系统大都采用单索或少索方案，缺乏多吊点的分布式卸载分析与设计，这必然使得宇航员训练时存在附加关节力，触发肌肉力量，从而导致宇航员的微低重力沉浸感降低；同时目前针对单一运动模式的训练设备较多，如直立行走、跳跃运动等，缺乏面向宇航员自主多运动模式的连续适应性重力卸载训练装备的研究。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的目的在于针对人体连续质量特征提供一种主被动结合的分布式重力卸载装置，实现宇航员多姿态、多运动模式、高仿真、高沉浸感和长时间的地面微低重力环境模拟训练需求。

本发明采用的技术方案如下：分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统，主体由桁车二自由度运动平台与分布式重力卸载平台组成。

所述桁车二自由度运动平台由桁架、轨道一、轨道二、桁车驱动器一、桁车驱动器二组成；所述桁架由碳钢型材焊接而成的中空立方体模块通过螺栓连接构成，其作用是为主体由桁车二自由度运动平台的轨道一、轨道二提供安装空间及支撑，同时为桁车驱动器一、桁车驱动器二提供运行空间；所述轨道一安装在桁架两侧横梁上；所述桁车驱动器一安装在导轨一上，在自身电机的驱动下可沿导轨一直线运动；所述导轨两端通过螺栓分别安装固定在两台桁车驱动器一的底部，两台桁车驱动器一沿着导轨一同步直线运动实现导轨二的直线运动；所述桁车驱动器二安装在导轨二上，在自身电机的驱动下可沿导轨二直线运动；通过桁车驱动器一、桁车驱动器二的运动实现二自由度平动。

所述分布式重力卸载平台由刚性平台支架、悬吊系统构成。

所述刚性平台支架由刚性立柱、拉索、水平框架组成；所述刚性立柱为圆柱体结构，具有较高的强度和抗弯能力，上端与桁车驱动器二底部通过水平布置的轴承连接，可绕其竖直轴线自由转动，下端与水平框架通过螺纹副固定连接；所述拉锁共四根，为细长圆柱体结构，两端分别与刚性立柱和水平框架固定连接，增强刚性立柱和水平框架的连接刚度，维持水平框架保持水平状态。

所述悬吊系统由躯干悬吊系统与四肢悬吊系统构成。

所述躯干悬吊系统由主动恒力伺服系统、永磁恒力弹簧、平衡梁、吊索、拉力传感器、躯干连接器组成；