CN103010492A

CN103010492A - 一种基于弹簧机构的重力增加技术

Info

Publication number: CN103010492A
Application number: CN2012105622825A
Authority: CN
Inventors: 叶平; 宋爽; 孙汉旭; 贾庆轩; 何雷; 刘文旭
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明提出了一种应用弹簧机构的重力增加技术，其核心弹簧机构包括双平行四边形机构，上肢连接架，零伸长弹簧机构。人体通过绷带与该框架固定，双平行四边形支机构用于提供四自由度的人体空间行走范围，并提供向下力的作用；上肢连接架用于固定人体的上肢，并提供三个旋转自由度；零伸长弹簧机构通过沿竖直方向拉力恒定，以自身的弹性势能来增加人体的重力势能。本发明可以增加人体的重力，增大其与地面的接触力，从而使得宇航员在微重力环境下可以如在地球表面一样运动，为宇航员提供抗阻力训练方法，或使得伤病人员可以被动复健。

Description

一种基于弹簧机构的重力增加技术

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

图1是本发明的示意图。

图2是本发明中弹簧静平衡机构图。

图3是本发明中弹簧重力增机构加图。

图4是本发明中弹簧机构的相关参数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

已有的研究中，弹簧机构能够实现机构系统的静平衡，即通过添加辅助连杆和弹簧，使整个系统的重力势能和弹性势能总和保持不变，从而实现机构系统在任何位置都能保持平衡，因此也称为静平衡机构。如图2所示的弹簧机构，在地面1g重力环境中，当满足mgr_m＝kar时(不计辅助连杆质量)，在任意角度位置

质点A受到的垂直向上的力F＝mg，刚好抵消质点A的重力。因此基于弹簧机构的静平衡技术常用于下肢/手臂的康复训练或模拟地面微重力环境。

本发明提出的重力增加技术，其关键弹簧机构原理如图3所示。假设对质点A施加外力F_N，其方向如图所示。在零重力环境中，当满足mgr_m＝kar(不计辅助连杆质量)且外力F_N＝mg时，在任意角度位置质点A均保持受力平衡。因此，从受力平衡的角度分析，质点A因弹簧的势能而受到一个与F_N大小相等、且方向相反的力F′_N。弹簧所施加的力F′_N＝mg，即为所模拟的质点A在地面1g环境的重力负载，其方向如图所示。当改变弹簧的相关参数(如k，r或a)时，将会改变F′_N的大小，从而模拟不同的重力负载。需要指出的是：本发明提及的弹簧均为零初长的拉力弹簧，即弹簧所受拉力为零时，弹簧的长度为零；在实际系统中，零初长弹簧常采用非零初长弹簧、滑轮和钢丝绳来实现。

利用图3所示的重力增加机构，本发明提出了基于弹簧机构的重力增加技术，整个弹簧机构共使用了3根零伸长弹簧，其刚度系数分别为k₁、k₂和k₃。所重力增加技术正是利用这3根弹簧的弹性势能来模拟宇航员所受的重力负载。为了模拟不同的重力负载，需要合理地设定弹簧的弹性势能，即弹簧的刚度系数与伸长量。

本发明在借鉴静平衡机构的平衡条件为势能守恒(即弹性势能和重力势能总和不变)的基础上，通过分析弹簧机构的受力与系统势能，整理得到所提出的重力增技术中弹簧机构的设定条件为：

V_S+V_M-ρV_H＝常量 (1)

式中：V_S为3根弹簧的弹性势能总和；V_M为辅助连杆在所处重力环境中(如空间站、月球表面等)的重力势能；V_H为宇航员在目标重力环境(如地面1g重力环境)中的重力势能；ρ为调节所模拟的重力负载大小的比例系数。例如宇航员在空间站进行对抗失重锻炼，则所处重力环境为零重力环境，而目标重力环境为地面1g重力环境，那么_VM＝0，V_H＝m_Hg(m_H为宇航员质量)，同时ρ＝1；若宇航员在月球表面进行对抗失重锻炼，则V_M＝1/6mMg(m_M为杆件质量)，V_H＝m_Hg，同时ρ＝5/6。

以下将利用公式(1)推导弹簧机构中各弹簧刚度系数的选择依据，相关参数的定义如图4所示。

弹簧的弹性势能为：

V_S＝V₁+V₂+V₃ (2)

其中：

V_{1} = 0.5 k_{1} (d_{1}^{2} + l_{1}^{2} - {2 d}_{1} l_{1} \cos θ_{1})

V_{2} = 0.5 k_{2} (d_{2}^{2} + l_{2}^{2} - {2 d}_{2} l_{2} \cos θ_{2})

V_{3} = 0.5 k_{3} (d_{3}^{2} + l_{3}^{2} - {2 d}_{3} l_{3} \cos θ_{3})

辅助机构的重力势能为：

V_M＝V_M1+V_M2+V_M3 (3)

其中：

V_M1＝m₁g_a(2h₁+h₂-2r₁cosθ₁)

V_M2＝m₂g_a(2h₁+h₂-2l₁cosθ₁-2r₂cosθ₂)

V_M3＝m₃g_a(2h₁-2l₁cosθ₁-2l₂cosθ₂-l₃cosθ₃)

式中：g_a为辅助机构所处重力环境的重力加速度；若在空间站上，则g_a＝0；若在月球或火星表面，则g_a＝1/6g或g_a＝2/5g。

在计算宇航员在目标重力环境中的重力势能时，将宇航员的人体模型视为质量集中在躯干质心位置的质点，则有：

V_H＝m_Hg_t(g₁-l₁cosθ₁-l₂cosθ₂-l₃cosθ₃+r) (3)

式中：g_t为所模拟的目标重力环境的重力加速度，(即g_t-ρg)；当用于宇航员对抗失重锻炼时，则目标重力环境即为地面重力环境(g_t＝g)。r为人体竖直站立时，弹簧固定点距离人体质心的垂直距离。因为r值很小，在运动过程中θ′的变化也很小，所以rcosθ′≈r。

将公式(2)～(4)代入公式(1)，整理后得到：

V_{S} + V_{M} - ρ V_{H} = C_{0} + Σ_{i = 1}^{5} C_{i} \cos θ_{i} - - - (5)

其中：

C_{0} = ({2 h}_{1} + h_{2}) (m_{1} + m_{2}) g_{a} + {2 m}_{3} h_{1} g_{a} - m_{H} (h_{1} + r) g_{t} + {0.5 k}_{1} (d_{1}^{2} + l_{1}^{2}) + 0.5 k_{2} (d_{2}^{2} + l_{2}^{2}) + 0.5 k_{3} (d_{3}^{2} + l_{3}^{2})

C₁＝2m₁r₁g_a+l₁(2m₂g_a+2m₃g_a-m_Hg_t-k₁d₁)

C₂＝2m₂r₂g_a+l₂(2m₃g_a-m_Hg_t-k₂d₂)

C₃＝l₃(m₃g_a-m_Hg_t-k₃d₃)

C₄＝0

C₅＝0

为了满足重力增加技术的设定条件，那么公式(5)计算得到的V_S+V_M-ρV_H必须为常值，即与变量θ_i无关。依据此条件，令C_i＝0，i＝1，2，3，从而计算得到弹簧的刚度系数分别为：

k_{1} = \frac{{2 m}_{1} r_{1} g_{a} + l_{1} ({2 m}_{2} g_{a} + {2 m}_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{1} d_{1}}

k_{2} = \frac{{2 m}_{2} r_{2} g_{a} + l_{2} ({2 m}_{3} g_{a} + {2 m}_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{2} d_{2}} - - - (6)

k_{3} = \frac{l_{3} (m_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{3} d_{3}}

由公式(6)可知：弹簧的刚度系数不仅与辅助杆件的尺寸与质量分布、比例系数ρ等参数有关，还与宇航员的质量参数m_H相关。由于宇航员的质量不可能完全相同，因而针对不同的宇航员利用公式(6)求得的弹簧刚度系数也是不同的。但是，在实际应用中，针对不同的宇航员更换不同刚度系数的弹簧是很不方便的。同时，利用公式(6)求得的不同宇航员的弹簧刚度系数难以与实际采用的弹簧刚度系数准确地一一对应。

针对上述问题，将重力增加技术中弹簧机构的弹簧悬挂点(即图3中A₁、A₂和A₃点)设计为可调节的，即d₁，d₂和d₃的值是可变的。在选定一组弹簧刚度系数的前提下，针对不同的宇航员质量m_H和比例系数ρ等具体情况，依据公式(1)给出的设定条件，可以求取各个弹簧悬挂点的位置，即：

d_{1} = \frac{{2 m}_{1} r_{1} g_{a} + l_{1} ({2 m}_{2} g_{a} + {2 m}_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{1} k_{1}}

d_{2} = \frac{{2 m}_{2} r_{2} g_{a} + l_{2} ({2 m}_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{2} k_{2}} - - - (7)

d_{3} = \frac{l_{3} (m_{3} g_{a} - m_{H} g_{t})}{l_{3} k_{3}}

因此，利用公式(6)可以预先确定一组弹簧刚度系数，然后利用公式(7)通过调节弹簧悬挂点的位置来满足不同宇航员进行对抗失重锻炼的需求。

Claims

1.一种基于弹簧机构的重力增加技术，其特征在于，包括双平行四边形机构、上肢连接架和零伸长弹簧等。其原理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。

2.权利要求1所述的一种基于弹簧机构的重力增加技术，其特征在于，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起主要作用，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。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。

3.权利要求1所述的一种基于弹簧机构的重力增加技术，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。

4.权利要求1所述的一种基于弹簧机构的重力增加技术使宇航员或康复人员通过全身式安全带与该弹簧机构固连。弹簧机构的所有关节都设计为被动关节，当人体活动时弹簧机构能够跟随人体的运动。利用该重力增加技术，宇航员可以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。