CN103407588A - 一种太空运动辅助方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够有效增强宇航员运动能力的太空运动辅助方法及其装置。该方法是在宇航服上耦合外骨骼系统，该外骨骼系统包括仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力，大大降低了宇航员的能量消耗，进而提高宇航员承载能力、上下肢运动能力和信息处理能力，增强宇航员恶劣环境适应能力，辅助宇航员完成各种空间作业，而且仿形机械支撑结构还可以保护宇航员身体，避免宇航员受到损伤，适合在宇航员太空作业装置领域推广应用。

Description

一种太空运动辅助方法及其装置

技术领域

本发明涉及宇航员太空作业装置领域，具体涉及一种太空运动辅助方法及其装置。

背景技术

宇航员在星球表面活动及进行太空任务作业过程中，由于配套车辆的适应能力有限，宇航员需要携带搬运的物质越来越多，譬如一些测量设备、实验样本等，而且宇航员经常需要在沟壑、山丘、凹凸不平的环境中活动，宇航员在上述环境中活动会耗费大量的体力，常常造成宇航员很快疲惫以及身体损伤，极大的影响了宇航员的行进速度、活动范围和机动能力。

目前，为了增强宇航员运动能力，通常的做法都是尽可能地减轻宇航服的重量或减少负载，从而节约宇航员的体力，进而保证宇航员的行进速度、活动范围和机动能力，但是，宇航服重量的减轻受限于宇航服需要完成的功能，负载的减轻受限于任务数量和太空工作内容。因此，采用这些方法增强宇航员的运动能力，效果不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效增强宇航员运动能力的太空运动辅助方法。这种新的增强宇航员运动能力且降低宇航员太空运动能量消耗的太空运动辅助方法，具体采用如下方式实现：在宇航服上耦合外骨骼系统，该外骨骼系统包括仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力。

本发明还提供了一种实现上述方法的太空运动辅助装置，该太空运动辅助装置，包括仿形机械结构和用于将仿形机械结构与宇航服耦合在一起的耦合组件，所述仿形机械结构包括下肢结构、髋部结构，所述下肢结构包括左腿结构与右腿结构，所述左腿结构与右腿结构均包括仿人体大腿结构、小腿结构和足部结构，所述大腿结构与小腿结构通过膝关节相连，所述小腿结构与足部结构通过踝关节相连；所述髋部结构与左腿结构、右腿结构分别通过髋关节相连所述髋关节、膝关节上均安装有执行机构；还包括人机接口系统、控制系统以及给人机接口系统、执行机构、控制系统提能源动力的能源动力系统，人机接口系统基于无重力环境下人体运动动力学特征、微重力环境下人体运动动力学特征、月面重力环境下人体运动动力学特征、火星重力环境下人体运动动力学特征划分运动步态，感知航天员的运动状态、运动意图并将其发送给控制系统，控制系统根据上述信息确定髋关节、膝关节的力矩、阻尼、角度、角速度，并发送指令给执行机构，执行机构驱动髋关节、膝关节进行关节运动或在关节处提供阻尼。

进一步的是，所述髋部结构包括左侧面支撑杆、右侧面支撑、底部支撑横杆，所述左侧面支撑杆的前端与左腿结构的大腿结构顶端、右侧面支撑杆的前端与右腿结构的大腿结构顶端均通过髋关节相连，底部支撑横杆左端与左侧面支撑杆固定连接，右端与右侧面支撑杆固定连接。

进一步的是，所述髋部结构还包括左弹性支撑元件与右弹性支撑元件，所述左弹性支撑元件一端固定在左侧面支撑杆上，另一端固定在左腿结构的大腿结构上，所述右弹性支撑元件一端固定在右侧面支撑杆上，另一端固定在右腿结构的大腿结构上。

进一步的是，所述仿形机械结构还包括背部支撑结构，所述背部支撑结构包括左支撑竖杆与右支撑竖杆，所述左支撑竖杆的下端固定在左侧面支撑杆上，所述右支撑竖杆的下端固定在右侧面支撑杆上，所述背部支撑结构还包括支撑面板，所述支撑面板的两侧分别通过可调长度的悬挂结构固定在左侧面支撑杆的末端和右侧面支撑杆的末端。

进一步的是，所述仿形机械结构还包括前胸负载结构，所述前胸负载结构包括左弧形支撑杆与右弧形支撑杆，所述左弧形支撑杆通过铰接结构固定在左支撑竖杆的上端，右弧形支撑杆通过铰接结构固定在右支撑竖杆的上端，所述左弧形支撑杆与右弧形支撑杆的自由端通过胸前悬挂杆相连。

进一步的是，所述左支撑竖杆、右支撑竖杆、胸前悬挂杆上均设置有能够悬挂物体的悬挂装置。

进一步的是，所述耦合组件包括设置在足部结构上的足部耦合装置、设置在小腿结构上的小腿耦合装置、设置在大腿结构上的大腿耦合装置、设置在左侧面支撑杆内侧和右侧面支撑杆内侧的第一髋部耦合装置、设置在左侧面支撑杆前端和右侧面支撑杆前端的第二髋部耦合装置、设置在底部支撑横杆上的第三髋部耦合装置、设置在左支撑竖杆内侧和右支撑竖杆内侧的第一背部耦合装置、设置在左支撑竖杆中部和右支撑竖杆中部的第二背部耦合装置；

所述足部耦合装置、小腿耦合装置、大腿耦合装置为C形环或绑带，所述第一髋部耦合装置为插销、环扣或铆钉结构，所述第二髋部耦合装置为腰带，所述第三髋部耦合装置、第一背部耦合装置为插销、环扣或铆钉结构，所述第二背部耦合装置为束带或条带。

进一步的是，所述人机接口系统包括信息感知设备、输入输出设备、信息传输网络、信息处理部件，所述信息感知设备包括压力传感器、惯性传感器、关节编码器、接触式应变片、光纤传感器、肌电传感器、脑电传感器、位移传感器，旋转编码器、压力开关、测距传感器，所述输入输出设备包括键盘、麦克风、耳机、表情识别系统、眼球跟踪系统。

进一步的是，所述控制系统分别针对多种太空动作，并根据无重力环境下运动动力学特征、微重力环境下运动动力学特征、月面重力环境下运动动力学特征、火星重力环境下运动动力学特征，将各种太空动作分解为关节在各自由度上的转动，并建立对应的关节角度、关节角速度、关节力矩在太空运动中随时间变化的规律数据库，作为反馈控制系统的期望输入信号，根据人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图，选择数据库中的期望输入信号，通过设计的协同控制律驱动每个自由度的执行机构工作。

本发明的有益效果：通过在宇航服上耦合仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统实现，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力，大大降低了宇航员的能量消耗，进而提高宇航员承载能力、上下肢运动能力和信息处理能力，增强宇航员恶劣环境适应能力，辅助宇航员完成各种空间作业，而且仿形机械结构还可以保护宇航员身体，与宇航服形成双重保护，避免宇航员受到损伤。

附图说明

图1是本发明太空运动辅助装置的结构示意图；

图中标记说明：大腿结构101、小腿结构102、足部结构103、膝关节104、踝关节105、髋关节201、左侧面支撑杆202、右侧面支撑杆203、左弹性支撑元件204、右弹性支撑元件205、底部支撑横杆206、左支撑竖杆301、右支撑竖杆302、支撑面板304、左弧形支撑杆401、右弧形支撑杆402、胸前悬挂杆403、悬挂装置5、执行机构6、足部耦合装置701、小腿耦合装置702、大腿耦合装置703、第一髋部耦合装置704、第二髋部耦合装置705、第三髋部耦合装置706、第一背部耦合装置707、第二背部耦合装置708。

具体实施方式

在太空探索中，宇航员需要在多种复杂地形或环境下携带大量设备和标本进行长时间、大范围地进行作业，因此，灵活、安全、长时、大范围运动能力成为完成太空作业的重要保障，现有技术多从减轻宇航服重量，改进宇航服结构入手，实现节约宇航员的体力，进而保证宇航员的行进速度、活动范围和机动能力，但受限于宇航服需要完成的功能及太空任务的需求，采用这些方法效果不明显，因此，本发明提供了一种新的太空运动辅助方法。具体采用如下方式实现：在宇航服上耦合外骨骼系统，该外骨骼系统包括仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力。通过在宇航服上耦合仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统实现，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力，大大降低了宇航员的能量消耗，进而提高宇航员承载能力、上下肢运动能力和信息处理能力，增强宇航员恶劣环境适应能力，辅助宇航员完成各种空间作业，而且仿形机械结构还可以保护宇航员身体，与宇航服形成双重保护，避免宇航员受到损伤。

本发明还提供了一种实现上述方法的太空运动辅助装置，如图1所示，该太空运动辅助装置，包括仿形机械结构和用于将仿形机械结构与宇航服耦合在一起的耦合组件，所述仿形机械结构包括下肢结构、髋部结构，所述下肢结构包括左腿结构与右腿结构，所述左腿结构与右腿结构均包括仿人体大腿结构101、小腿结构102和足部结构103，所述大腿结构101与小腿结构102通过膝关节104相连，所述小腿结构102与足部结构103通过踝关节105相连；所述髋部结构与左腿结构、右腿结构分别通过髋关节201相连所述髋关节201、膝关节104上均安装有执行机构6，还包括人机接口系统、控制系统以及给人机接口系统、执行机构6、控制系统提能源动力的能源动力系统，人机接口系统基于无重力环境下人体运动动力学特征、微重力环境下人体运动动力学特征、月面重力环境下人体运动动力学特征、火星重力环境下人体运动动力学特征划分运动步态，感知航天员的运动状态、运动意图并将其发送给控制系统，控制系统根据上述信息确定髋关节201、膝关节104的力矩、阻尼、角度、角速度，并发送指令给执行机构6，执行机构6驱动髋关节201、膝关节104进行关节运动或在关节处提供阻尼。

在上述结构中，所述髋部结构的具体构成如下：所述髋部结构包括左侧面支撑杆202、右侧面支撑杆203、底部支撑横杆206，所述左侧面支撑杆202的前端与左腿结构的大腿结构101顶端、右侧面支撑杆203的前端与右腿结构的大腿结构101顶端均通过髋关节201相连，底部支撑横杆206左端与左侧面支撑杆202固定连接，右端与右侧面支撑杆203固定连接。该髋部结构构成简单，加工方便，且支撑效果较好。

进一步的是，所述髋部结构还包括左弹性支撑元件204与右弹性支撑元件205，所述左弹性支撑元件204一端固定在左侧面支撑杆202上，另一端固定在左腿结构的大腿结构101上，所述右弹性支撑元件205一端固定在右侧面支撑杆203上，另一端固定在右腿结构的大腿结构101上。当竖直向下方向力量过大时，左弹性支撑元件204与右弹性支撑元件205能够提供阻尼，且阻尼的大小与竖直向下方向力量的大小和速度有关，同时在周期性的髋部运动中，左弹性支撑元件204与右弹性支撑元件205能够为大腿结构101运动提供旋转动力。

为了提高仿形机械结构的支撑效果，所述仿形机械结构还包括背部支撑结构，所述背部支撑结构包括左支撑竖杆301与右支撑竖杆302，所述左支撑竖杆301的下端固定在左侧面支撑杆202上，所述右支撑竖杆302的下端固定在右侧面支撑杆203上，该背部支撑结构构成简单，加工方便。为了进一步增强背部支撑结构的支撑效果，所述背部支撑结构还包括支撑面板304，所述支撑面板304的两侧分别通过可调长度的悬挂结构固定在左侧面支撑杆202的末端和右侧面支撑杆203的末端，所述支撑面板304可以是平板、丝网等。所述可调长度的悬挂结构可以挂绳、丝扣等结构。所述的左右侧面支撑杆可通过安装延伸杆向后延伸长度。

为了进一步提高仿形机械结构的负载能力，所述仿形机械结构还包括前胸负载结构，所述前胸负载结构包括左弧形支撑杆401与右弧形支撑杆402，所述左弧形支撑杆401通过铰接结构固定在左支撑竖杆301的上端，右弧形支撑杆402通过铰接结构固定在右支撑竖杆302的上端，所述左弧形支撑杆401与右弧形支撑杆402的自由端通过胸前悬挂杆403相连。该前胸负载结构构成简单，加工方便，且负载效果较好，而且将左弧形支撑杆401通过铰接结构固定在左支撑竖杆301的上端，将右弧形支撑杆402通过铰接结构固定在右支撑竖杆302的上端，可以自由的调整左弧形支撑杆401与左支撑竖杆301之间的角度、右弧形支撑杆402与右支撑竖杆302之间的角度。

为了便于悬挂各种测量设备、实验样本等，所述左支撑竖杆301、右支撑竖杆302、胸前悬挂杆403上均设置有能够悬挂物体的悬挂装置5，所述悬挂装置5可以是狗扣、锁扣等。

为了保证仿形机械结构能够与宇航服以及宇航员牢固的结合在一起，所述耦合组件包括设置在足部结构103上的足部耦合装置701、设置在小腿结构102上的小腿耦合装置702、设置在大腿结构101上的大腿耦合装置703、设置在左侧面支撑杆202内侧和右侧面支撑杆203内侧的第一髋部耦合装置704、设置在左侧面支撑杆202前端和右侧面支撑杆203前端的第二髋部耦合装置705、设置在底部支撑横杆206上的第三髋部耦合装置706、设置在左支撑竖杆301内侧和右支撑竖杆302内侧的第一背部耦合装置707、设置在左支撑竖杆301中部和右支撑竖杆302中部的第二背部耦合装置708；

所述足部耦合装置701、小腿耦合装置702、大腿耦合装置703可以采用C形环、绑带或环扣等多种固定件，所述第一髋部耦合装置704一般与宇航服腰部的硬性结构相连，通常采用插销、环扣或铆钉结构等各种固定件相连，所述第二髋部耦合装置705可以为腰带，将腰带分成两段分别固定在左侧面支撑杆202前端和右侧面支撑杆203前端，使用时直接扣合即可，所述扣合方式可以采用纽扣、魔术贴、插销等方式实现，所述第三髋部耦合装置706、第一背部耦合装置707一般与宇航服的硬性结构相连，通常采用插销、环扣或铆钉结构等各种固定结构相连，所述第二背部耦合装置708可以为束带或条带等，可分别固定于前胸和后背。

为了保证全面地感知宇航员的运动状态、运动意图和生理心理状态，所述人机接口系统包括信息感知设备、输入输出设备、信息传输网络、信息处理部件，所述信息感知设备包括压力传感器、惯性传感器、关节编码器、接触式应变片、光纤传感器、肌电传感器、脑电传感器、位移传感器，旋转编码器、压力开关、测距传感器，所述输入输出设备包括键盘、麦克风、耳机、表情识别系统、眼球跟踪系统。人机接口系统根据各传感器和输入输出设备的信息，根据重力环境特征，对宇航员各种动作步态进行机器自学习，实时预测宇航员的运动意图，感知宇航员的运动状态和生理心理状态以及环境信息，并实时传输给控制系统。

为了精确控制膝关节104与髋关节201的关节运动，所述执行机构6采用电动舵机系统，电动舵机系统负载能力强，转速高，响应快，可实现精确控制。电动舵机系统主要包括：舵机控制器、驱动电路（内含脉宽调制PWM生成）、伺服电机、谐波减速器等。控制系统根据各关节旋转角度、旋转角速度、关节力矩以及机械结构末端位移、线速度和加速度等反馈信息，通过设计的闭环反馈控制律给出脉宽调制PWM控制指令，驱动执行机构带动仿形结构。

另外，太空运动辅助装置中的各部件，以及宇航服中的各部件均通过公用信息网络，相互发送和接收信息。公用信息网络的通信协议可采用CAN或Zigbee。

最后，控制系统是根据无重力环境下运动动力学特征、微重力环境下运动动力学特征、月面重力环境下运动动力学特征、火星重力环境下运动动力学特征分别针对行走、跳跃、抓举等多种太空动作，将动作分解为关节在各自由度上的转动，并建立对应的关节角度、关节角速度、关节力矩等在太空运动中随时间变化的规律数据库，作为反馈控制系统的期望输入信号，根据人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图，选择数据库中的期望输入信号，通过设计的协同控制律驱动关节的执行机构工作，达到在太空运动中，辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力的目的。

Claims (10)

1.一种太空运动辅助方法，其特征在于：在宇航服上耦合外骨骼系统，该外骨骼系统包括仿形机械结构、人机接口系统、控制系统、执行机构和能源动力系统，通过人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给执行机构，执行机构驱动仿形机械结构辅助支撑宇航员负重或为宇航员的动作提供助力。

2.一种实现如权力要求1所述的太空运动辅助方法的太空运动辅助装置，其特征在于：包括仿形机械结构和用于将仿形机械结构与宇航服耦合在一起的耦合组件，所述仿形机械结构包括下肢结构、髋部结构，所述下肢结构包括左腿结构与右腿结构，所述左腿结构与右腿结构均包括仿人体大腿结构（101）、小腿结构（102）和足部结构（103），所述大腿结构（101）与小腿结构（102）通过膝关节（104）相连，所述小腿结构（102）与足部结构（103）通过踝关节（105）相连；所述髋部结构与左腿结构、右腿结构分别通过髋关节（201）相连所述髋关节（201）、膝关节（104）上均安装有执行机构（6）；还包括人机接口系统、控制系统以及给人机接口系统、执行机构（6）、控制系统提能源动力的能源动力系统，人机接口系统基于无重力环境下人体运动动力学特征、微重力环境下人体运动动力学特征、月面重力环境下人体运动动力学特征、火星重力环境下人体运动动力学特征划分运动步态，感知航天员的运动状态、运动意图并将其发送给控制系统，控制系统根据上述信息确定髋关节（201）、膝关节（104）的力矩、阻尼、角度、角速度，并发送指令给执行机构（6），执行机构（6）驱动髋关节（201）、膝关节（104）进行关节运动或在关节处提供阻尼。

3.如权利要求2所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述髋部结构包括左侧面支撑杆（202）、右侧面支撑杆（203）、底部支撑横杆（206），所述左侧面支撑杆（202）的前端与左腿结构的大腿结构（101）顶端、右侧面支撑杆（203）的前端与右腿结构的大腿结构（101）顶端均通过髋关节（201）相连，底部支撑横杆（206）左端与左侧面支撑杆（202）固定连接，右端与右侧面支撑杆（203）固定连接。

4.如权利要求3所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述髋部结构还包括左弹性支撑元件（204）与右弹性支撑元件（205），所述左弹性支撑元件（204）一端固定在左侧面支撑杆（202）上，另一端固定在左腿结构的大腿结构（101）上，所述右弹性支撑元件（205）一端固定在右侧面支撑杆（203）上，另一端固定在右腿结构的大腿结构（101）上。

5.如权利要求4所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述仿形机械结构还包括背部支撑结构，所述背部支撑结构包括左支撑竖杆（301）与右支撑竖杆（302），所述左支撑竖杆（301）的下端固定在左侧面支撑杆（202）上，所述右支撑竖杆（302）的下端固定在右侧面支撑杆（203）上，所述背部支撑结构还包括支撑面板（304），所述支撑面板（304）的两侧分别通过可调长度的悬挂结构固定在左侧面支撑杆（202）的末端和右侧面支撑杆（203）的末端。

6.如权利要求5所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述仿形机械结构还包括前胸负载结构，所述前胸负载结构包括左弧形支撑杆（401）与右弧形支撑杆（402），所述左弧形支撑杆（401）通过铰接结构固定在左支撑竖杆（301）的上端，右弧形支撑杆（402）通过铰接结构固定在右支撑竖杆（302）的上端，所述左弧形支撑杆（401）与右弧形支撑杆（402）的自由端通过胸前悬挂杆（403）相连。

7.如权利要求6所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述左支撑竖杆（301）、右支撑竖杆（302）、胸前悬挂杆（403）上均设置有能够悬挂物体的悬挂装置（5）。

8.如权利要求7所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述耦合组件包括设置在足部结构（103）上的足部耦合装置（701）、设置在小腿结构（102）上的小腿耦合装置（702）、设置在大腿结构（101）上的大腿耦合装置（703）、设置在左侧面支撑杆（202）内侧和右侧面支撑杆（203）内侧的第一髋部耦合装置（704）、设置在左侧面支撑杆（202）前端和右侧面支撑杆（203）前端的第二髋部耦合装置（705）、设置在底部支撑横杆（206）上的第三髋部耦合装置（706）、设置在左支撑竖杆（301）内侧和右支撑竖杆（302）内侧的第一背部耦合装置（707）、设置在左支撑竖杆（301）中部和右支撑竖杆（302）中部的第二背部耦合装置（708）；

所述足部耦合装置（701）、小腿耦合装置（702）、大腿耦合装置（703）为C形环或绑带，所述第一髋部耦合装置（704）为插销、环扣或铆钉结构，所述第二髋部耦合装置（705）为腰带，所述第三髋部耦合装置（706）、第一背部耦合装置（707）为插销、环扣或铆钉结构，所述第二背部耦合装置（708）为束带或条带。

9.如权利要求8所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述人机接口系统包括信息感知设备、输入输出设备、信息传输网络、信息处理部件，所述信息感知设备包括压力传感器、惯性传感器、关节编码器、接触式应变片、光纤传感器、肌电传感器、脑电传感器、位移传感器，旋转编码器、压力开关、测距传感器，所述输入输出设备包括键盘、麦克风、耳机、表情识别系统、眼球跟踪系统。

10.根据权利要2至9中任意一项权利要求所述的太空运动辅助装置，其特征在于：所述控制系统分别针对多种太空动作，并根据无重力环境下运动动力学特征、微重力环境下运动动力学特征、月面重力环境下运动动力学特征、火星重力环境下运动动力学特征，将各种太空动作分解为关节在各自由度上的转动，并建立对应的关节角度、关节角速度、关节力矩在太空运动中随时间变化的规律数据库，作为反馈控制系统的期望输入信号，根据人机接口系统感知宇航员的运动状态或运动意图，选择数据库中的期望输入信号，通过设计的协同控制律驱动每个自由度的执行机构工作。

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