CN105029820B - 航天员专用的太空特种鞋 - Google Patents

Abstract

航天员专用的太空特种鞋，属于航天航空领域，本发明为解决航天员在太空舱内不能平稳站立的问题。本发明包括m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘、k个鞋后部吸盘、三个压力传感器、三个电磁阀、真空泵和处理器；三个压力传感器分别检测前脚掌、脚中部和脚后跟的压力信号，发送给处理器；处理器控制真空泵的开关；真空泵的空气输出端口通过管道同时与m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘和k个鞋后部吸盘的空气入口连通；处理器通过向三个电磁阀发送指令，分别控制m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘、k个鞋后部吸盘的气体通断状态及通入气体量的大小。

Description

航天员专用的太空特种鞋

技术领域

本发明涉及一种具有真空负压吸附的特种鞋，属于航天航空领域。

背景技术

随着我国载人航天已进入空间站建设阶段，航天科研任务更加繁重，使得航天员在太空工作时间不断增加，与此同时在太空长期处于失重状态的情况下，对于航天员的身体以及工作状态都有不同程度的影响。通过天宫舱内传回的画面，我们可以看到航天员较难控制自身行走的稳定性，只能在特定地点安置的捆绑绳来固定住脚步，航天员并不能平稳的站立。同时在空间条件下，人体由于长期处于失重漂浮状态，容易加快航天员骨流失的情况。

发明内容

本发明目的是为了解决航天员在太空舱内不能平稳站立的问题，提供了一种航天员专用的太空特种鞋。

本发明所述航天员专用的太空特种鞋，它包括m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘、k个鞋后部吸盘、鞋前部压力传感器、鞋中部压力传感器、鞋后部压力传感器、鞋前部电磁阀、鞋中部电磁阀、鞋后部电磁阀、真空泵和处理器；

m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘和k个鞋后部吸盘分别设置有鞋下底面的前、中、后区域；

鞋前部压力传感器、鞋中部压力传感器和鞋后部压力传感器分别设置鞋底中空区域，并用于检测脚前、中、后的压力信号；

真空泵和处理器设置在鞋底中空区域；

鞋前部压力传感器的前脚掌压力信号输出端与处理器的前脚掌压力信号输入端相连；鞋中部压力传感器的脚中部压力信号输出端与处理器的脚中部压力信号输入端相连；鞋后部压力传感器的脚后跟压力信号输出端与处理器的脚后跟压力信号输入端相连；

处理器的泵开关指令输出端与真空泵的泵开关指令输入端相连；

真空泵的空气输出端口通过管道同时与m个鞋前部吸盘、n个鞋中部吸盘和k个鞋后部吸盘的空气入口连通；

处理器通过向鞋前部电磁阀发送指令来控制m个鞋前部吸盘的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器通过向鞋中部电磁阀发送指令来控制n个鞋中部吸盘的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器通过向鞋后部电磁阀发送指令来控制k个鞋后部吸盘的气体通断状态及通入气体量的大小。

本发明的优点：为此发明一种航天员专用的特种设备鞋，具有稳定性高、吸附力强、自动化、舒适等优点，本设备鞋通过在航天员行走过程中将脚步固定在舱体表面，使得航天员在工作时不会发生漂浮状态，能够较稳定的处于站立状态，提高科研工作的效率。本设备鞋通过固定航天员脚步后，模仿人体在地球重力状态固定在地面，减少航天员骨流失的症状。本产品设计的目的是为了支持我国空间站建设和中国航天事业的发展，方便航天员在太空失重的状态下能够更好的完成既定任务，在空间站中能够生活的更加舒适，圆满的完成祖国和人民的寄托。

附图说明

图1是本发明所述航天员专用的太空特种鞋的结构示意图；本图包括鞋侧面和鞋底面两个视图；

图2是鞋内部嵌入三个压力传感器的分布图；

图3是本发明所述航天员专用的太空特种鞋的控制原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述航天员专用的太空特种鞋，它包括m个鞋前部吸盘1、n个鞋中部吸盘2、k个鞋后部吸盘3、鞋前部压力传感器4、鞋中部压力传感器5、鞋后部压力传感器17、鞋前部电磁阀11、鞋中部电磁阀12、鞋后部电磁阀13、真空泵14和处理器15；

m个鞋前部吸盘1、n个鞋中部吸盘2和k个鞋后部吸盘3分别设置有鞋下底面的前、中、后区域；

鞋前部压力传感器4、鞋中部压力传感器5和鞋后部压力传感器17分别设置鞋底中空区域，并用于检测脚前、中、后的压力信号；

真空泵14和处理器15设置在鞋底中空区域；

鞋前部压力传感器4的前脚掌压力信号输出端与处理器15的前脚掌压力信号输入端相连；鞋中部压力传感器5的脚中部压力信号输出端与处理器15的脚中部压力信号输入端相连；鞋后部压力传感器17的脚后跟压力信号输出端与处理器15的脚后跟压力信号输入端相连；

处理器15的泵开关指令输出端与真空泵14的泵开关指令输入端相连；

真空泵14的空气输出端口通过管道同时与m个鞋前部吸盘1、n个鞋中部吸盘2和k个鞋后部吸盘3的空气入口连通；

处理器15通过向鞋前部电磁阀11发送指令来控制m个鞋前部吸盘1的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器15通过向鞋中部电磁阀12发送指令来控制n个鞋中部吸盘2的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器15通过向鞋后部电磁阀13发送指令来控制k个鞋后部吸盘3的气体通断状态及通入气体量的大小。

为了让航天员在太空站中能够自由行走，设计成通过负压将吸盘吸附在船舱表面。

鞋底面的吸盘分成前、中、后三部分，吸盘将真空泵产生的真空力转变为吸附物体表面的吸力，是航天员能够牢牢固定在船体表面。鞋前部吸盘1吸力最大，最大为10N；鞋中部吸盘2吸力次之，最大为5N；鞋后部吸盘3吸力最小，鞋后部吸盘3吸力最大为1N，该吸力小于人体肌肉所产生的拉力，能够较轻松的挣脱。吸盘吸附表面时间小于1s，放气时间小于0.5s，使人正常行走。所使用的吸盘材质为橡胶，具有耐用、吸力强、替换简单等优点，当吸盘磨损后可通过手动旋转即可取下，简单方便。

所述的特制鞋尺寸大小为22.5~27cm，鞋底厚度为4~10cm。

所述的真空泵14流量为0.1~5L/min，最大真空度为-50~-200kpa，所需电压为10~15V。

所述的设备鞋吸盘气压调节所需时间在0.1~2s。

根据仿生学原理，当人体在行走过程中，首先后脚跟抬起前脚掌受力增加，然后整个脚部开始抬起；同时另一只脚的后脚跟开始着地，随后前脚掌着地，如此反复使得人不断前进。根据此原理在鞋的前、中、后部放置3个重量压力传感器，分别连接到微电脑处理器，能够将人体行走时产生的压力值变为电信号，传输给处理器15；处理器15将传感器产生的电信号进行处理，控制真空泵14调节压力，通过鞋前部电磁阀11、鞋中部电磁阀12、鞋后部电磁阀13控制三条导气管的开闭，这三条导气管分别通向前、中、后部的吸盘，处理器15还通过控制三个电磁阀的开度来调节前、中、后三部分吸盘吸力的大小。

具体工作过程为：

（1）当人体准备向前行走时，由于鞋后部吸盘3的吸力小于人体肌肉所产生的力量，人可以较轻松的挣脱吸盘，此时脚后跟已抬起，鞋后部压力传感器17压力减轻；k个鞋中部吸盘2开始充气，脚部向前倾使得鞋中部压力传感器5压力减轻；m个鞋前部吸盘1开始充气，整个脚可以完全抬起，鞋前部压力传感器4压力减轻。

（2）另一只脚开始准备着地，鞋后部压力传感器17压力增加，鞋中、后部吸盘吸力开始增加；随后鞋中部压力传感器5压力增加，脚前部吸盘吸力开始增加；当鞋前部压力传感器4压力增加后，吸盘吸力稳定不变。

（3）随着人体前进，双脚不断重复（1）、（2）步骤，使得航天员在太空中能够自由、稳定的行走。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括两个进气口6和排气口7，两个进气口6和排气口7设置在鞋中空区域的外表面；两个进气口6与真空泵14的空气入口相连通；排气口7与m个鞋前部吸盘1、n个鞋中部吸盘2和k个鞋后部吸盘3的空气排出口相连通。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括充电口8和蓄电池16，充电口8设置在鞋中空区域的外表面，充电口8为蓄电池16提供外部电源接入口，蓄电池16提供直流工作电源。

本实施方式特种鞋使用蓄电池16为系统供电，可实现连续充电和放电，不仅节约能源消耗，而且实现连续使用。

所述的蓄电池16的电压为10~15V，容量为30000mA，采用快速充电技术，最快充电完成时间为1.5~3h。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括鞋前尖底凸起9和鞋后跟底凸起10，鞋前尖底凸起9设置在鞋前尖位置的鞋下底面，鞋前尖底凸起9与m个鞋前部吸盘1的下边沿在同一水平面；鞋后跟底凸起10设置在鞋后跟位置的鞋下底面，鞋后跟底凸起10与k个鞋后部吸盘3的下边沿在同一水平面。

本实施方式的设置方式是为了保护吸盘，同时又保证吸盘正常吸附。

具体实施方式五：本实施方式给出一个具体实施例，鞋尺寸大小为26cm，底厚度约7cm，选取m=7，n=4，k=4，即鞋底上设置7个鞋前部吸盘1、4个鞋中部吸盘2和4个鞋后部吸盘3。

真空泵14为无油真空泵，材质为工程塑料，电压为12V，流量为3L/min。

Claims (4)

1.航天员专用的太空特种鞋，其特征在于，它包括m个鞋前部吸盘（1）、n个鞋中部吸盘（2）、k个鞋后部吸盘（3）、鞋前部压力传感器（4）、鞋中部压力传感器（5）、鞋后部压力传感器（17）、鞋前部电磁阀（11）、鞋中部电磁阀（12）、鞋后部电磁阀（13）、真空泵（14）和处理器（15）；

m个鞋前部吸盘（1）、n个鞋中部吸盘（2）和k个鞋后部吸盘（3）分别设置有鞋下底面的前、中、后区域；

鞋前部压力传感器（4）、鞋中部压力传感器（5）和鞋后部压力传感器（17）分别设置鞋底中空区域，并用于检测脚前、中、后的压力信号；

真空泵（14）和处理器（15）设置在鞋底中空区域；

鞋前部压力传感器（4）的前脚掌压力信号输出端与处理器（15）的前脚掌压力信号输入端相连；鞋中部压力传感器（5）的脚中部压力信号输出端与处理器（15）的脚中部压力信号输入端相连；鞋后部压力传感器（17）的脚后跟压力信号输出端与处理器（15）的脚后跟压力信号输入端相连；

处理器（15）的泵开关指令输出端与真空泵（14）的泵开关指令输入端相连；

真空泵（14）的空气输出端口通过管道同时与m个鞋前部吸盘（1）、n个鞋中部吸盘（2）和k个鞋后部吸盘（3）的空气入口连通；

处理器（15）通过向鞋前部电磁阀（11）发送指令来控制m个鞋前部吸盘（1）的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器（15）通过向鞋中部电磁阀（12）发送指令来控制n个鞋中部吸盘（2）的气体通断状态及通入气体量的大小；

处理器（15）通过向鞋后部电磁阀（13）发送指令来控制k个鞋后部吸盘（3）的气体通断状态及通入气体量的大小。

2.根据权利要求1所述航天员专用的太空特种鞋，其特征在于，它还包括两个进气口（6）和排气口（7），两个进气口（6）和排气口（7）设置在鞋中空区域的外表面；两个进气口（6）与真空泵（14）的空气入口相连通；排气口（7）与m个鞋前部吸盘（1）、n个鞋中部吸盘（2）和k个鞋后部吸盘（3）的空气排出口相连通。

3.根据权利要求1所述航天员专用的太空特种鞋，其特征在于，它还包括充电口（8）和蓄电池（16），充电口（8）设置在鞋中空区域的外表面，充电口（8）为蓄电池（16）提供外部电源接入口，蓄电池（16）提供直流工作电源。

4.根据权利要求1所述航天员专用的太空特种鞋，其特征在于，它还包括鞋前尖底凸起（9）和鞋后跟底凸起（10），鞋前尖底凸起（9）设置在鞋前尖位置的鞋下底面，鞋前尖底凸起（9）与m个鞋前部吸盘（1）的下边沿在同一水平面；鞋后跟底凸起（10）设置在鞋后跟位置的鞋下底面，鞋后跟底凸起（10）与k个鞋后部吸盘（3）的下边沿在同一水平面。