CN111341171A - 一种航天员低重力运动模拟外骨骼 - Google Patents

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CN111341171A CN202010221509.4A CN202010221509A CN111341171A CN 111341171 A CN111341171 A CN 111341171A CN 202010221509 A CN202010221509 A CN 202010221509A CN 111341171 A CN111341171 A CN 111341171A
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Abstract

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。

Description

一种航天员低重力运动模拟外骨骼
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。
所述的整体重力平衡机构1包括起支撑作用的支架底座102，支架底座102上北部固定有竖架101，竖架101下部设置有平衡电机支架105，平衡电机支架105上安装有直线电机一103和直线电机二104，所述的平衡电机支架105上设置有丝杆光轴一111和丝杆光轴二106，直线电机二104上连接滑块二107并在丝杆光轴二106上滑动，直线电机一103上连接滑块一110并在丝杆光轴一上滑动，所述的竖架101两侧开有调节滑槽148、竖架轴孔一149和竖架轴孔二150，竖架轴孔一149上通过竖架滑轮轴一117设置有竖架滑轮一118，竖架轴孔二150中通过竖架滑轮轴二113设置竖架滑轮二114；
所述的支架底座102上部设置有后臂竖杆123，后臂竖杆123两端存在铰接孔，铰接孔分别连接后臂底杆124和后臂上杆130的一端；后臂底杆124和后臂上杆130的另一端分别与铰接块二145和铰接块一144连接，铰接块一144、铰接块二145、铰接块三146和铰接块四147分别对称分布在中竖杆128的靠下左右两侧，铰接块三146和铰接块四147分别连接前臂上杆131和前臂底杆125的一端，前臂上杆131和前臂底杆125的另一端分别与前臂竖杆134的两端连接，所述的中竖杆128上安装有小臂调节电机129，小臂调节电机129的输出轴连接小臂调节丝杆135，在小臂调节丝杆135上安装有小臂螺母块136，小臂螺母块136的两侧对称安装导向滑轮三133，导向滑轮三的滑轮轴可沿中竖杆128的槽内滑动，所述的后臂上杆130靠近铰接块一144的一端安装了导向滑轮二132；后臂上杆130和后臂竖杆123的铰接处安装了导向滑轮一121，前臂上杆131靠近前臂竖杆134的一端连接绳索一122，绳索一122依次穿过导向滑轮三133、导向滑轮二132、导向滑轮一121、竖架滑轮一118，通过平衡弹簧一108连接在滑块一110上；
所述的竖架101的最顶端安装有大臂调节电机116，大臂调节电机116的输出轴与大臂调节丝杆115连接，大臂调节丝杆115上安装有大臂螺母块119，大臂螺母块119上安装了大臂滑轮组120，且大臂滑轮组120的轴心可在调节滑槽148中滑动，后臂上杆130靠近导向滑轮二132的一端固定连接绳索二112的一端，依次经过大臂滑轮组120、竖架滑轮二114通过平衡弹簧二109与滑块二107连接，在支架底座102的底部，有沿前后方向阵列的跑道滚轴139，跑道滚轴139支撑起左跑道带140和右跑道带141。
所述的左跑道带140和右跑道带141分别由安装在支架底座102左右两侧的左跑道电机137和右跑道电机138驱动。
所述的滑块二107与直线电机二104的螺母连接，滑块一110与直线电机一103的螺母连接，所述的后臂竖杆123通过旋转轴承座一142和旋转轴承二143限位固定。
所述的后臂竖杆123、后臂上杆130、中竖杆128和后臂底杆124构成铰接的平行四边形；同样的，前臂竖杆134、前臂上杆131、中竖杆128和前臂底杆125构成铰接的平行四边形。
所述的外骨骼背部平衡机构2包括背板201和腰板206，在背板201的背部存在背部轴承块一202和背部轴承块二203，前臂竖杆134连接在背部轴承块一202和背部轴承块二203之间，腰板206与背板201之间装配有腰杆207，背部减重板205的底端与腰板206铰接，背部减重板205的顶端通过背部减重弹簧204与背板201连接。
所述的外骨骼腿部3包括关节驱动模块，关节驱动模块通过端部的转接头311与腰杆207连接，所述的关节驱动模块包括电机基板345，电机基板345装配在关节基板335上，电机基板345上通过电机固定块346连接关节电机338，关节电机的末端338为电机编码器336，关节电机338的输出轴与电机同步轮342连接，关节基板335上通过丝杆轴承块一347和丝杆轴承块二348装配丝杆349，丝杆349同关节电机338输出轴的一侧安装了丝杆同步轮344，电机同步轮342和丝杆同步轮344之间有同步带343传动，电机基板345的底部存在方轨361，方轨361上装配有小滑块362，小滑块362与滑块转接块363固定连接，滑块转接块363与前后两块光轴夹块一352和光轴夹块二364固定连接，所述的光轴夹块一352和光轴夹块二364之间固定着四个阵列的小光轴357，存在螺母块353安装在四个阵列的小光轴357上，且在螺母块353分别和前后两块光轴夹块352之间存在与四个阵列的小光轴357同轴配合安装的四个阵列的驱动弹簧358，前后两块光轴夹块一352和光轴夹块二364上下端通过定位螺栓359安装滑块侧板一351和滑块侧板二354，滑块侧板一351和滑块侧板二354的中心通过轴承螺栓360和垫片356安装滑块轴承355；
所述的关节基板335和关节盖板318之间存在支撑柱317、旋转转接块339、结构支撑块一340、结构支撑块二341和支撑块333装配连接，起到支撑的作用，旋转转接块339的一面连接扭转块316，旋转偏心块312与扭转块316通过止推轴承313和深沟球轴承314同轴心配合连接，且在旋转偏心块312与扭转块316之间存在四个阵列的直线弹簧315，旋转偏心块312的另一面与转接头311连接，在关节曲柄块322的轴心有通过编码器支架319连接的关节编码器321；
关节盖板318上与关节轴心同轴装配髋膝关节平衡杆一301和髋膝关节平衡杆二306，且与关节编码器321的输出轴连接，在关节曲柄块322的输出部分连接光轴固定块332，在光轴固定块332上两侧连接两个减震光轴331，直线轴承块323与两个减震光轴331配合安装并固定在气压杆套325上，气压杆套325内安装了气压杆330，气压杆330的输出端与关节曲柄块322连接，气压杆套325的另一端与内杆324连接，外杆327嵌套在内杆324上，弹簧铰接块326固定在外杆327上且对内杆324起到固定的作用，护具转接块329固定在内杆324上，且通过护具转接板328与大腿护具305小腿护具/307连接，内杆324与外杆327的嵌套连接构成了大腿杆304和小腿杆308。
所述的关节曲柄块322通过左右两侧对称的关节轴承一320和关节轴承二334分别装配在关节盖板318和关节基板335上，滑块轴承355连接Y型连杆350的一端，Y型连杆350的另一端连接在322关节曲柄块的偏心处。
所述的髋关节平衡杆一301和膝关节平衡杆二306之间连接有大腿平衡杆302，髋关节平衡杆一301、大腿平衡杆302、膝关节平衡杆二306和大腿杆304形成平行四边形，且存在大腿平衡弹簧303的一端连接在髋关节平衡杆一301上，另一端连接在大腿杆304上的弹簧铰接块326上，膝关节平衡杆二306和踝关节平衡杆401之间连接有小腿平衡杆309，膝关节平衡杆二306、小腿平衡杆309、踝关节平衡杆401和小腿杆308形成平行四边形，且存在小腿平衡弹簧310一端连接在膝关节平衡杆二306上，另一端连接在小腿杆308的弹簧铰接块326上，在踝关节平衡杆401和足部弹簧铰接块409之间存在足部平衡弹簧402。
所述的关节电机338通过电机固定环337加固于电机基板345。
所述的外骨骼腿部3末端设置外骨骼足部4，外骨骼足部4包括与小腿杆308末端连接的踝关节扭转块405，踝关节扭转块405下方设置踝关节内板407，踝关节内板407通过两个偏心支撑块412与踝关节外板404连接，在405踝关节扭转块和412偏心支撑块之间存在圆周阵列排布的四个406踝关节弹簧，踝关节外板404和踝关节内板407之间连接足部支撑块410，足部支撑块410与足底框架411固定连接，在足底框架411的踝关节一侧存在足部弹簧铰接块409，在足底框架411有足底硅胶垫408，踝关节转接轴403与踝关节外板404同轴心固定连接，踝关节平衡杆401的一端与踝关节转接轴403同轴心配合。
本发明的有益效果：
本发明采用外骨骼技术设计了一套航天员低重力训练模拟系统：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。支架底部的双跑道式跑步机，可针对左右两腿分别模拟不同的步行环境。该系统能在地球表面模拟不同的太空环境重力，使宇航员得到真实的训练。
外骨骼的底座有双跑道跑步机，外骨骼的背部存在两组平行四边形和主动弹簧减重机构，且导向滑轮的位置可以控制电机调整；在外骨骼背部存在被动的弹簧减重机构；在外骨骼的大腿和小腿部存在被动的平行四边形弹簧减重机构，髋膝关节采用曲柄滑块传动的串联弹性驱动关节；踝关节采用被动弹簧减重机构。整个方案中采用将弹簧串联和并联在驱动关节中结合的方式，在起到减重功能的同时，能够动态跟踪人体运动，起到柔顺交互的作用。
附图说明
图1是航天员低重力运动模拟外骨骼整体系统。
图2是整体重力平衡机构示意图。
图3是重力平衡机构部分零件示意图。
图4是背部和下肢外骨骼部分示意图。
图5是背部减重机构示意图。
图6是下肢外骨骼部分示意图。
图7是髋/膝曲柄滑块式的串联弹性驱动器模块爆炸图。
图8是髋/膝曲柄滑块式的串联弹性驱动器模块部分零件图。
图9是髋/膝曲柄滑块式的串联弹性驱动器模块滑块零件图。
图10是弹性滑块体设计示意图。
图11是外骨骼足部示意图。
本发明包含1整体重力平衡机构；2外骨骼背部平衡机构；3外骨骼腿部；4外骨骼足部，共四个部分组成。
101竖架，102支架底座，103直线电机一，104直线电机二，105平衡电机支架，106丝杆光轴二，107滑块二，108平衡弹簧一，109平衡弹簧二，110滑块一，111丝杆光轴一，112绳索二，113竖架滑轮轴二，114竖架滑轮二，115大臂调节丝杆，116大臂调节电机，117竖架滑轮轴一，118竖架滑轮一，119大臂螺母块，120大臂滑轮组，121导向滑轮一，122绳索一，123后臂竖杆，124后臂底杆，125前臂底杆，126前臂编码器，127后臂编码器，128中竖杆，129小臂调节电机，130后臂上杆，131前臂上杆，132导向滑轮二，133导向滑轮三，134前臂竖杆，135小臂调节丝杆，136小臂螺母块，137左跑道电机，138右跑道电机，139跑道滚轴，140左跑道带，141右跑道带，142旋转轴承座一，143旋转轴承座二，144铰接块一，145铰接块二，146铰接块三，147铰接块四，148调节滑槽，149竖架轴孔一，150竖架轴孔二。
201背板，202背部轴承块1，203背部轴承块2，204背部减重弹簧，205背部减重板，206腰板，207腰杆。
301髋关节平衡杆，302大腿平衡杆，303大腿平衡弹簧，304大腿杆，305大腿护具，306膝关节平衡杆，307小腿护具，308小腿杆，309小腿平衡杆，310小腿平衡弹簧，311转接头，312旋转偏心块，313止推轴承，314深沟球轴承，315直线弹簧，316扭转块，317支撑柱，318关节盖板，319编码器支架，320关节轴承1，321关节编码器，322关节曲柄块，323直线轴承块，324内杆，325气压杆套，326弹簧铰接块，327外杆，328护具转接板，329护具转接块，330气压杆，331减震光轴，332光轴固定块，333支撑块，334关节轴承2，335关节基板，336电机编码器，337电机固定环，338关节电机，339旋转转接块，340结构支撑块1，341结构支撑块2，342电机同步轮，343同步带，344丝杆同步轮，345电机基板，346电机固定块，347丝杆轴承块1，348丝杆轴承块2，349丝杆，350Y型连杆，351滑块侧板1，352光轴夹块1，353螺母块，354滑块侧板2，355滑块轴承，356垫片，357小光轴，358驱动弹簧，359定位螺栓，360轴承螺栓，361方轨，362小滑块，363滑块转接块，364光轴夹块2。401踝关节平衡杆，402足部平衡弹簧，403踝关节转接轴，404踝关节外板，405踝关节扭转块，406踝关节弹簧，407踝关节内板，408足底硅胶垫，409足部弹簧铰接块，410足部支撑块，411足底框架，412偏心支撑块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：该发明专利针对一种航天员低重力运动模拟外骨骼整体系统进行设计，包含1整体重力平衡机构、2外骨骼背部平衡机构、3外骨骼腿部、4外骨骼足部共四个部分组成，如图1所示。
如图2图3所示：整个系统以支架底座102为支撑，竖架101在支架底座102的背部固定，直线电机一103和直线电机二104通过平衡电机支架105与支架底座102的底部固定连接，在平衡电机支架105上存在丝杆光轴一111和丝杆光轴二106，滑块二107与直线电机二104的螺母连接，并且可在丝杆光轴106上滑动；滑块一110与直线电机一103的螺母连接，并且可在丝杆光轴一111上滑动。在竖架101上存在调节滑槽148、竖架轴孔一149和竖架轴孔二150。竖架滑轮一118通过竖架滑轮轴一117安装在竖架轴孔一149中；竖架滑轮二114通过竖架滑轮轴二113安装在竖架轴孔二150中。后臂竖杆123通过旋转轴承座一142和旋转轴承座二143限位固定在支架底座102的上部，且在123两端存在铰接孔分别连接后臂底杆124和后臂上杆130的一端；后臂底杆124和后臂上杆130的另一端分别与铰接块二和144铰接块一145连接。
中竖杆128的靠下左右两侧存在对称分布的铰接块一144、铰接块二145、铰接块三146和铰接块四147。前臂上杆131和前臂底杆125的一端分别与铰接块147四和铰接块三146连接；前臂上杆131和前臂底杆125的另一端分别与前臂竖杆134的两端连接。后臂竖杆123、后臂上杆130、中竖杆128和后臂底杆124构成铰接的平行四边形；同样的，前臂竖杆134、前臂上杆131、中竖杆128和前臂底杆125构成铰接的平行四边形。在中竖杆上128安装有小臂调节电机129，小臂调节电机129的输出轴连接小臂调节丝杆135，在小臂调节丝杆135上安装有小臂螺母块136。小臂螺母块136的两侧对称安装导向滑轮三133，导向滑轮三133的滑轮轴可沿中竖杆128的槽内滑动。在后臂上杆130靠近铰接块一144的一端安装了导向滑轮二132；后臂上杆130和后臂竖杆123的铰接处安装了导向滑轮一121。绳索一122的一端连接在前臂上杆131靠近前臂竖杆134的一端，依次经过导向滑轮三133、导向滑轮二132、导向滑轮一121、竖架滑轮一118，通过平衡弹簧一108连接在滑块一110上。在竖架101的最顶端安装有大臂调节电机116，大臂调节电机116的输出轴与大臂调节丝杆115连接，大臂调节丝杆115上安装有大臂螺母块119，大臂螺母块119上安装了大臂滑轮组120，且大臂滑轮组120的轴心可在调节滑槽148中滑动。绳索二112的一端与后臂上杆130靠近导向滑轮二132的一端固定连接，依次经过大臂滑轮组120、竖架滑轮二114通过平衡弹簧二109与滑块二107连接。在支架底座102的底部，有沿前后方向阵列的跑道滚轴139，跑道滚轴139支撑起左跑道带140和右跑道带141，左跑道带140和右跑道带141分别由安装在支架底座102左右两侧的左跑道电机137和右跑道电机138驱动。
如图4图5所示：在背板201的背部存在背部轴承块一202和背部轴承块二203，前臂竖杆134连接在背部轴承块一202和背部轴承快二203之间。腰板206与背板201之间装配有腰杆207。背部减重板205的底端与腰板206铰接，背部减重板205的顶端通过背部减重弹簧204与背板201连接。
如图6图7图8图9图10所示：腰杆207的左右两端分别连接外骨骼的两条腿，腿部机构的髋关节和膝关节模块为相同的驱动方式。关节驱动模块通过端部的转接头311与腰杆207连接。电机基板345装配在关节基板335上，关节电机338通过电机固定块346固定在电机基板345上，存在电机固定环337将关节电机338加固于电机基板345上，关节电机338的末端为电机编码器336，关节电机338的输出轴与电机同步轮342连接。存在丝杆轴承块一347和丝杆轴承块二348将丝杆349装配在关节基板335上，丝杆349同关节电机338输出轴的一侧安装了丝杆同步轮344。电机同步轮342和丝杆同步轮344之间有同步带343传动，在电机基板345的底部存在方轨361，方轨361上装配有小滑块362，小滑块362与滑块363转接块固定连接，存在前后两块光轴夹块一352、光轴夹块二364和滑块转接块363固定连接，前后两块光轴夹块一352和光轴夹块二364之间固定着四个阵列的小光轴357，存在螺母块353安装在四个阵列的小光轴357上，且在螺母块353分别和前后两块光轴夹块352和光轴夹块二364之间存在与四个阵列的小光轴357同轴配合安装的四个阵列的驱动弹簧358。滑块侧板一351和滑块侧板354通过定位螺栓359安装在前后两块光轴夹块352和光轴夹块二364上。有轴承螺栓360和垫片356将滑块轴承355安装在滑块侧板一351和滑块侧板二354的中心。
关节曲柄块322通过左右两侧对称的关节轴承一320和关节轴承二334分别装配在关节盖板318和关节基板335上。存在Y型连杆350的一端与滑块轴承355连接，另一端连接在关节曲柄块322的偏心处。在关节基板335和关节盖板318之间存在支撑柱317、旋转转接块339、结构支撑块一340、结构支撑块二341和支撑块333装配连接，起到支撑的作用。旋转转接块339的一面连接扭转块316，旋转偏心块312与扭转块316通过止推轴承313和深沟球轴承314同轴心配合连接，且在旋转偏心块312与扭转块316之间存在四个阵列的直线弹簧315。旋转偏心块312的另一面与转接头311连接。在关节曲柄块322的轴心有通过编码器支架319连接的关节编码器321。髋膝关节平衡杆301/306的一端与关节轴心同轴装配在关节盖板318上，且与关节编码器321的输出轴连接。在关节曲柄块322的输出部分连接光轴固定块332，在光轴固定块332上两侧连接两个减震光轴331，直线轴承块323与两个减震光轴331配合安装并固定在气压杆套325上，气压杆套325内安装了气压杆330，330气压杆的输出端与322关节曲柄块连接。325气压杆套的另一端与324内杆连接，外杆327嵌套在内杆324上，弹簧铰接块326固定在外杆327上且对内杆324起到固定的作用。护具转接块329固定在内杆324上，且通过护具转接板328与大腿护具305、小腿护具307连接。内杆324与外杆327的嵌套连接构成了大腿杆304和小腿杆308。
如图11所示：髋膝关节模组首尾连接，在小腿杆308的末端连接踝关节扭转块405，踝关节内板407通过两个偏心支撑块412与踝关节外板404连接，在踝关节扭转块405和偏心支撑块412之间存在圆周阵列排布的四个踝关节弹簧406。踝关节外板404和踝关节内板407之间连接足部支撑块410，足部支撑块410与足底框架411固定连接，在足底框架411的踝关节一侧存在足部弹簧铰接块409，在足底框架411有足底硅胶垫408。踝关节转接轴403与踝关节外板404同轴心固定连接，踝关节平衡杆401的一端与踝关节转接轴403同轴心配合。
对于外骨骼的腿部整体，髋关节平衡杆301和膝关节平衡杆306之间连接有大腿平衡杆302。髋关节平衡杆301、大腿平衡杆302、膝关节平衡杆306和大腿杆形304成平行四边形，且存在大腿平衡弹簧303的一端连接在髋关节平衡杆301上，另一端连接在大腿杆304上的弹簧铰接块326上。膝关节平衡杆306和踝关节平衡杆401之间连接有小腿平衡杆309。膝关节平衡杆306、小腿平衡杆309、踝关节平衡杆401和小腿杆308形成平行四边形，且存在小腿平衡弹簧310一端连接在膝关节平衡杆306上，另一端连接在小腿杆308的弹簧铰接块326上。同时，在踝关节平衡杆401和足部弹簧铰接块409之间存在足部平衡弹簧402。
本发明的工作原理：
做为航天员低重力模拟训练系统，是保证在对人体重力减重的同时，又要保证人体具有足够的运动自由度，即减少外骨骼系统对人体运动的约束。
采用绳驱动的双平行四边形静态重力补偿机构(后臂竖杆123、后臂上杆130、中竖杆128和后臂底杆124构成铰接的平行四边形；前臂竖杆134、前臂上杆131、中竖杆128和前臂底杆125构成铰接的平行四边形。)进行串联连接；且后臂竖杆123与支架底座102通过旋转轴承座一142和旋转轴承座二143铰接；前臂竖杆134与背板通过201背部轴承块一202和背部轴承块二203铰接。可实现航天员在训练时能够在跑道的前后方向、竖直方向和左右方向上根据实际需要进行移动，在机构补偿竖直向上的支撑力的同时，尽可能减少对航天员其它方向运动自由度的约束，同时能够主动调整机构内传递力的关系，消除机构自身的惯性效果，可适用不同重量的训练者。在与人体结合的外骨骼系统部分，上肢背部平衡弹簧(背部减重弹簧204)用于人体上半身的重力补偿，下肢外骨骼的髋关节和膝关节分别有髋关节串联弹性驱动器和膝关节串联弹性驱动器驱动外骨骼结构(如图7图8图9图10的描述：关节曲柄块322安装在与关节旋转同轴心的位置，图10是弹性滑块设计示意，滑块的滑块侧板一351、光轴夹块一352、滑块侧板二354和光轴夹块二364固连成一个整体滑块框架。螺母块353可沿整体内部固定的四个小光轴357的轴向运动，且螺母块353与整体滑块框架之间通过驱动弹簧358耦合。整体滑块框架可沿方轨361方向滑动，整体滑块框架通过Y型连杆350与关节曲柄块322铰接。因此整体滑块框架、Y型连杆350和关节曲柄块322构成了曲柄滑块机构。丝杆349与方轨361方向平行，关节电机338通过电机同步轮342、同步带343和丝杆同步轮344的传动对丝杆349传动，进而驱动螺母块353沿方轨361运动。螺母块353的移动会使得滑块框架移动，从而驱动了关节曲柄块322的转动。这个机构的巧妙之处在于：关节曲柄块322做为关节的输出端与人体腿部连接，当外骨骼腿部与人体之间存在交互力，则会引起驱动弹簧358发生形变，且驱动弹簧358的形变大小和方向可由电机编码器336和关节编码器321的差值测出，即可感知人机之间的交互力，实时改变关节的运动轨迹，实现人机柔顺交互，使下肢外骨骼可跟随人体运动。)在运动过程中做主动重力补偿，满足人体在运动过程中的动态载荷消除，最终主被动结合实现准确的重力补偿。
航天员可穿戴系统中的下肢外骨骼部分，下肢外骨骼的腿部的髋关节和膝关节采用了曲柄滑块式的串联弹性驱动器进行驱动，同时髋关节、膝关节和踝关节都并联的了被动的直线弹簧(分别是大腿平衡弹簧303、小腿平衡弹簧310和足部平衡弹簧402)可分别将外骨骼和人体整体的大腿部分、小腿部分和足部的重力进行抵消。而髋关节和膝关节所采用的曲柄滑块式的串联弹性驱动器具有柔顺驱动的特点，串联弹性驱动器在人体和外骨骼之间的交互过程中可感知力的大小和方向，使得外骨骼和人体之间的运动变得顺滑。
在人体运动过程中，人体和下肢外骨骼的整体重力由外骨骼背部连接的双平行四边形静态重力补偿机构平衡，背部的两个平行四边形(即后臂竖杆123、后臂上杆130、中竖杆128和后臂底杆124构成铰接的平行四边形2；前臂竖杆134、前臂上杆131、中竖杆128和前臂底杆125构成铰接的平行四边形1。)分别由绳索连接的串联弹性驱动(人体和外骨骼的全部重力分担在两个平行四边形中：通过绳索一122连接平行四边形1中前臂上杆131，将平行四边形1中分担的重力的分力传导至的平衡弹簧一108中，且在人体运动过程中平衡弹簧一108的刚度可由直线电机一103调节；通过绳索二112连接平行四边形2中的后臂上杆130，将平行四边形2中分担的重力的分力传导至的平衡弹簧二109中，且在人体运动过程中平衡弹簧一109的刚度可由直线电机二104调节。人体和外骨骼的重力由两个首尾连接的平行四边形机构以及绳索弹簧机构共同承担。且针对于不同体重的穿戴者，小臂调节电机129可驱动导向滑轮三133上下移动，从而调节绳索一122在机构几何关系中的长度比例；大臂调节电机116可驱动大臂滑轮组120上下移动，从而调节绳索二112在机构几何关系中的长度比例。改变绳长在双平行四边形机构中的几何关系比例可实现不同重量的平衡效果。)对重力进行实时补偿。而可调节位置的滑轮机构(导向滑轮三133和大臂滑轮组120)可对绳索和平行四边形连杆之间构成的几何关系进行调节，以适应不同重力的可穿戴者，增加该系统对不同穿戴者的适用性。
受训者穿戴此系统后可在配备的跑步机上进行站立、走动、跑步、跳跃、转向等各种运动。同时可调整跑步机的两个跑道不同的运动速度，以实现对不同路况的模拟。整体系统可在地球表面从最大程度上地还原航天员在太空中的运动环境，使得航天员在进行太空作业前得到充分的训练。

Claims (10)

1.一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的整体重力平衡机构(1)包括起支撑作用的支架底座(102)，支架底座(102)上北部固定有竖架(101)，竖架(101)下部设置有平衡电机支架(105)，平衡电机支架(105)上安装有直线电机一(103)和直线电机二(104)，所述的平衡电机支架(105)上设置有丝杆光轴一(111)和丝杆光轴二(106)，直线电机二(104)上连接滑块二(107)并在丝杆光轴二(106)上滑动，直线电机一(103)上连接滑块一(110)并在丝杆光轴一上滑动，所述的竖架(101)两侧开有调节滑槽(148)、竖架轴孔一(149)和竖架轴孔二(150)，竖架轴孔一(149)上通过竖架滑轮轴一(117)设置有竖架滑轮一(118)，竖架轴孔二(150)中通过竖架滑轮轴二(113)设置竖架滑轮二(114)。
3.根据权利要求2所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的支架底座(102)上部设置有后臂竖杆(123)，后臂竖杆(123)两端存在铰接孔，铰接孔分别连接后臂底杆(124)和后臂上杆(130)的一端；后臂底杆(124)和后臂上杆(130)的另一端分别与铰接块二(145)和铰接块一(144)连接，铰接块一(144)、铰接块二(145)、铰接块三(146)和铰接块四(147)分别对称分布在中竖杆(128)的靠下左右两侧，铰接块三(146)和铰接块四(147)分别连接前臂上杆(131)和前臂底杆(125)的一端，前臂上杆(131)和前臂底杆(125)的另一端分别与前臂竖杆(134)的两端连接，所述的中竖杆(128)上安装有小臂调节电机(129)，小臂调节电机(129)的输出轴连接小臂调节丝杆(135)，在小臂调节丝杆(135)上安装有小臂螺母块(136)，小臂螺母块(136)的两侧对称安装导向滑轮三(133)，导向滑轮三的滑轮轴可沿中竖杆(128)的槽内滑动，所述的后臂上杆(130)靠近铰接块一(144)的一端安装了导向滑轮二(132)；后臂上杆(130)和后臂竖杆(123)的铰接处安装了导向滑轮一(121)，前臂上杆(131)靠近前臂竖杆(134)的一端连接绳索一(122)，绳索一(122)依次穿过导向滑轮三(133)、导向滑轮二(132)、导向滑轮一(121)、竖架滑轮一(118)，通过平衡弹簧一(108)连接在滑块一(110)上。
4.根据权利要求2所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的后臂竖杆(123)、后臂上杆(130)、中竖杆(128)和后臂底杆(124)构成铰接的平行四边形；前臂竖杆(134)、前臂上杆(131)、中竖杆(128)和前臂底杆(125)构成铰接的平行四边形。
5.根据权利要求2所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的竖架(101)的最顶端安装有大臂调节电机(116)，大臂调节电机(116)的输出轴与大臂调节丝杆(115)连接，大臂调节丝杆(115)上安装有大臂螺母块(119)，大臂螺母块(119)上安装了大臂滑轮组(120)，且大臂滑轮组(120)的轴心可在调节滑槽(148)中滑动，后臂上杆(130)靠近导向滑轮二(132)的一端固定连接绳索二(112)的一端，依次经过大臂滑轮组(120)、竖架滑轮二(114)通过平衡弹簧二(109)与滑块二(107)连接，在支架底座(102)的底部，有沿前后方向阵列的跑道滚轴(139)，跑道滚轴(139)支撑起左跑道带(140)和右跑道带(141)。
6.根据权利要求5所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的左跑道带(140)和右跑道带(141)分别由安装在支架底座(102)左右两侧的左跑道电机(137)和右跑道电机(138)驱动；
所述的滑块二(107)与直线电机二(104)的螺母连接，滑块一(110)与直线电机一(103)的螺母连接，所述的后臂竖杆(123)通过旋转轴承座一(142)和旋转轴承二(143)限位固定。
7.根据权利要求1所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的外骨骼背部平衡机构(2)包括背板(201)和腰板(206)，在背板(201)的背部存在背部轴承块一(202)和背部轴承块二(203)，前臂竖杆(134)连接在背部轴承块一(202)和背部轴承块二(203)之间，腰板(206)与背板(201)之间装配有腰杆(207)，背部减重板(205)的底端与腰板(206)铰接，背部减重板(205)的顶端通过背部减重弹簧(204)与背板(201)连接。
8.根据权利要求1所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的外骨骼腿部(3)包括关节驱动模块，关节驱动模块通过端部的转接头(311)与腰杆(207)连接，所述的关节驱动模块包括电机基板(345)，电机基板(345)装配在关节基板(335)上，电机基板(345)上通过电机固定块(346)连接关节电机(338)，关节电机的末端(338)为电机编码器(336)，关节电机(338)的输出轴与电机同步轮(342)连接，关节基板(335)上通过丝杆轴承块一(347)和丝杆轴承块二(348)装配丝杆(349)，丝杆(349)同关节电机(338)输出轴的一侧安装了丝杆同步轮(344)，电机同步轮(342)和丝杆同步轮(344)之间有同步带(343)传动，电机基板(345)的底部存在方轨(361)，方轨(361)上装配有小滑块(362)，小滑块(362)与滑块转接块(363)固定连接，滑块转接块(363)与前后两块光轴夹块一(352)和光轴夹块二(364)固定连接，所述的光轴夹块一(352)和光轴夹块二(364)之间固定着四个阵列的小光轴(357)，存在螺母块(353)安装在四个阵列的小光轴(357)上，且在螺母块(353)分别和前后两块光轴夹块(352)之间存在与四个阵列的小光轴(357)同轴配合安装的四个阵列的驱动弹簧(358)，前后两块光轴夹块一(352)和光轴夹块二(364)上下端通过定位螺栓(359)安装滑块侧板一(351)和滑块侧板二(354)，滑块侧板一(351)和滑块侧板二(354)的中心通过轴承螺栓(360)和垫片(356)安装滑块轴承(355)；
所述的关节基板(335)和关节盖板(318)之间存在支撑柱(317)、旋转转接块(339)、结构支撑块一(340)、结构支撑块二(341)和支撑块(333)装配连接，起到支撑的作用，旋转转接块(339)的一面连接扭转块(316)，旋转偏心块(312)与扭转块(316)通过止推轴承(313)和深沟球轴承(314)同轴心配合连接，且在旋转偏心块(312)与扭转块(316)之间存在四个阵列的直线弹簧(315)，旋转偏心块(312)的另一面与转接头(311)连接，在关节曲柄块(322)的轴心有通过编码器支架(319)连接的关节编码器(321)；
关节盖板(318)上与关节轴心同轴装配髋膝关节平衡杆一(301)和髋膝关节平衡杆二(306)，且与关节编码器(321)的输出轴连接，在关节曲柄块(322)的输出部分连接光轴固定块(332)，在光轴固定块(332)上两侧连接两个减震光轴(331)，直线轴承块(323)与两个减震光轴(331)配合安装并固定在气压杆套(325)上，气压杆套(325)内安装了气压杆(330)，气压杆(330)的输出端与关节曲柄块(322)连接，气压杆套(325)的另一端与内杆(324)连接，外杆(327)嵌套在内杆(324)上，弹簧铰接块(326)固定在外杆(327)上且对内杆(324)起到固定的作用，护具转接块(329)固定在内杆(324)上，且通过护具转接板(328)与大腿护具(305)和小腿护具(307)连接，内杆(324)与外杆(327)的嵌套连接构成了大腿杆(304)和小腿杆(308)；
所述的关节曲柄块(322)通过左右两侧对称的关节轴承一(320)和关节轴承二(334)分别装配在关节盖板(318)和关节基板(335)上，滑块轴承(355)连接Y型连杆(350)的一端，Y型连杆(350)的另一端连接在(322)关节曲柄块的偏心处。
9.根据权利要求8所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的髋关节平衡杆一(301)和膝关节平衡杆二(306)之间连接有大腿平衡杆302，髋关节平衡杆一(301)、大腿平衡杆(302)、膝关节平衡杆二(306)和大腿杆(304)形成平行四边形，且存在大腿平衡弹簧(303)的一端连接在髋关节平衡杆一(301)上，另一端连接在大腿杆(304)上的弹簧铰接块(326)上，膝关节平衡杆二(306)和踝关节平衡杆(401)之间连接有小腿平衡杆(309)，膝关节平衡杆二(306)、小腿平衡杆(309)、踝关节平衡杆(401)和小腿杆(308)形成平行四边形，且存在小腿平衡弹簧(310)一端连接在膝关节平衡杆二(306)上，另一端连接在小腿杆(308)的弹簧铰接块(326)上，在踝关节平衡杆(401)和足部弹簧铰接块(409)之间存在足部平衡弹簧(402)；
所述的关节电机(338)通过电机固定环(337)加固于电机基板(345)。
10.根据权利要求1所述的一种航天员低重力运动模拟外骨骼，其特征在于，所述的外骨骼腿部(3)末端设置外骨骼足部(4)，外骨骼足部(4)包括与小腿杆(308)末端连接的踝关节扭转块(405)，踝关节扭转块(405)下方设置踝关节内板(407)，踝关节内板(407)通过两个偏心支撑块(412)与踝关节外板(404)连接，在(405)踝关节扭转块和(412)偏心支撑块之间存在圆周阵列排布的四个(406)踝关节弹簧，踝关节外板(404)和踝关节内板(407)之间连接足部支撑块(410)，足部支撑块(410)与足底框架(411)固定连接，在足底框架(411)的踝关节一侧存在足部弹簧铰接块(409)，在足底框架(411)有足底硅胶垫(408)，踝关节转接轴(403)与踝关节外板(404)同轴心固定连接，踝关节平衡杆(401)的一端与踝关节转接轴(403)同轴心配合。
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