CN113002810B - 分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统

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；

所述躯干悬吊系统中的主动恒力伺服系统安装在水平框架底部由悬挂支架、伺服电机、相机、直角变速器、齿轴、螺纹补偿环、螺钉、滚筒、吊索组成。所述悬挂支架主体为L型的板状结构，上端设计由螺纹副用于与其他机构装配，中间为正方形带有螺栓孔及轴孔的正方形板状结构用于与伺服电机和直角变速器的连接固定，下端是带有螺纹孔的板状结构，用于安装相机；所述伺服电机、直角变速器通过螺钉安装在悬挂支架上，伺服电机为直角变速器提供扭矩驱动其输出轴转动。所述直角变速器的输出轴设计为带有六个滑槽的齿轴，用于与滚筒中心的齿环配合，通过齿轴驱动滚筒转动，同时滚筒沿着齿轴上的滑槽沿轴线方向直线滑动；所述滚筒中心设计有与齿轴相配合的齿环结构，用于与齿轴配合传递扭矩，滚筒的内侧转轴外表面带有螺纹用于与螺纹补偿环内部螺纹配合；所述螺纹补偿环为端部带有法兰且内部具有螺纹的环装结构，其端部法兰通过螺栓与直角变速器的齿轴根部连接固定，与齿轴同轴配合，内部螺纹用于与滚筒的内侧转轴外表面螺纹配合；所述吊索缠绕在滚筒上，通过滚筒的转动实现对吊索的收放；所述相机安装在悬挂支架底部，通过图像实时监测吊索相对水平面的垂直度，测量其摆动角度。

所述主动恒力伺服系统其主要功能是在竖直方向上提供一个恒定的方向与重力方向相反的力。其工作原理为：采用伺服电机产生恒定扭矩，通过直角变速器的齿轴驱动滚筒，滚筒通过吊索对被吊物体上产生一个恒定竖直向上的补偿力，实现重力卸载；被吊物体在竖直方向上运动时滚筒通过转动收放吊索适应其运动。由于滚筒在收放吊索时，绕在滚筒上的吊索圈数会发生变化，所以竖直吊索相对于主动恒力伺服系统的位置会沿着齿轴轴线方向偏移。因此，本发明通过螺纹补偿环内部螺纹与滚筒的内侧转轴外表面的螺纹配合，使滚筒在转动过程中沿着齿轴轴线微动，实现对吊索的位置补偿，确保竖直吊索轴心线与悬挂支架顶端螺纹副轴线始终重合。

所述永磁恒力弹簧上下两端与吊索连接，其作用是提供位移补偿，提高主动恒力伺服系统抗扰动能力。

所述平衡梁为中间具有铰链的杆状结构；所述躯干连接器为中间为环形，两端伸出直杆的支撑结构，用于吊索与人体躯干的连接；所述吊索两端分别采用球副与躯干连接器和平衡梁连接，共同构成了平行四边形机构实现了躯干的左右摆动，以及前后俯仰；所述拉力传感器两端与吊索连接，测量吊索拉力，用于对伺服电机的反馈控制；由于平衡梁上端的吊索为柔性，所以亦可实现躯干的水平转动。安装在主动恒力伺服系统底部的相机可检测吊索与水平面之间的垂直度；采用基于单目视觉测量伺服驱动原理，以保持吊索相对于水平面竖直为目标，驱动桁车驱动器一、桁车驱动器二实现大范围二自由度平动。综上所述，躯干悬吊系统可实现人体躯干的空间六自由度运动。

所述四肢悬吊系统由被动随动机构、主动恒力伺服系统、吊索、拉力传感器、万象连接器组成。

所述被动随动机构是由零刚度平行四边形单元通过铰链连接而成的树形多自由度恒力机构；所述零刚度平行四边形单元由弹簧镶嵌于可活动的平行四边形机构内部构成，通过对弹簧刚度的合理配置可在铰链二轴线方向上产生恒定大小的力；多个零刚度平行四边形单元通过被动的铰链二连接起来构成树形被动随动机构，在水平方向上可通过多个铰链二的转动实现二自由度运动；在竖直方向上通过多个零刚度平行四边形单元的串联可实现一定范围内的上下运动，且可提供竖直向上的恒力。

所述被动随动机构中的主动恒力伺服系统通过悬挂支架顶端的螺纹副装配在被动随动机构的末端，共同构成了主被动串联恒力系统；主动恒力伺服系统通过收放吊索提供竖直方向上恒定补偿力的大范围位移跟踪，被动跟随机构利用在竖直方向上构成的可动恒力机构实现小范围位移补偿，增强此系统竖直方向上的抗扰动能力。

所述万象连接器由U形吊架、壳体、外轴承、液环组成；所述U形吊架主体为U形，顶端与吊索连接，末端设计有铰链，用于与外轴承两侧的铰链配合；所述壳体主体结构为空心圆柱体，用于为液环提供外部约束；所述外轴承安装在壳体外侧，外环上设计有铰链，与U形吊架铰接共同构成二自由度万象旋转机构；所述液环主体为空心环形结构，内部填充液体，安装在壳体内部，其作用是利用液体的流动性使人体与接触面上的压力均匀分布，减轻人体的不适感。

本发明与现有悬吊式宇航员地面微低重力模拟训练设备相比具有如下优点：

(1)本发明采用了桁车二自由度运动平台与分布式重力卸载平台相结合的二级运动平台设计策略，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；在桁车二自由度运动平台上安装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，很大程度上简化了训练系统运动机构复杂程度；同时满足了宇航员多姿态、多运动模式的训练需求。

(2)本发明的目的在于针对人体连续质量特征采用多点分布式重力卸载的策略，可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。

(3)本发明结合人体质量分布特征，针对质量大的躯干部位采用了大功率主动恒力伺服系统串联永磁恒力弹簧的主被动恒力控制模式，并采用平衡梁等承载能力强的机构实现对躯干进行重力卸载；对于头部、四肢等质量较小的部位采用了承载能力弱，运动灵活性强的零刚度被动恒力随动机构串联小功率主动恒力伺服系统的重力卸载方式；实现了人体质量的模块化分级重力卸载，简化了补偿系统的机构。

(4)质量大的躯干部位对应的吊索拉力也是最大的，由于吊索与水平面不竖直产生的水平力较大，这将严重影响人体在浮基状态下的运动速度和位姿。基于此本发明针对躯干重力卸载系统采用基于单目视觉测量伺服驱动原理，以保持其吊索相对于水平面竖直为目标，驱动桁车驱动器一、桁车驱动器二实现吊索的主动跟随运动；对于质量较小的头部、四肢等部位采用由零刚度平行四边形单元通过铰链连接而成的树形多自由度被动恒力机构实现吊索对头部、四肢等部位的运动跟随；有效控制误差的同时大幅度降低了随动系统的复杂程度。

(5)本发明通过螺纹补偿环内部螺纹与滚筒的内侧转轴外表面的螺纹配合，使滚筒在转动过程中沿着齿轴轴线微动，实现对吊索的位置补偿，确保竖直吊索轴心线与悬挂支架顶端螺纹副轴线始终重合，有效降低了吊索位置偏移对视觉测量系统的干扰，提高了躯干悬吊系统的主动随动控制精度。

(6)所述万象连接器内部的液环主体为空心环形结构，内部填充液体，安装在壳体内部，利用液体的流动性使人体与接触面上的压力均匀分布，减轻人体的不适感，提升了设备的舒适度。

附图说明

图1为本发明的总体结构原理图；

图2为本发明的运动系统结构原理图；

图3为本发明的躯干重力卸载系统结构原理图；

图4为本发明的被动随动系统俯视图；

图5为本发明的被动随动系统零刚度随动单元结构示意图；

图6为本发明伺服主动恒力系统驱动原理示意图；

图7为本发明伺服主动恒力系统爆炸图；

图8为本发明伺服主动恒力系统驱动轴剖切图；

图9为本发明伺服主动恒力系统驱动轴剖切局部视图；

图10为本发明人体万象连接器结构示意图；

图11为本发明人体万象连接器爆炸图

图中：1轨道一，2桁架，3桁车驱动器一，4桁车驱动器二，5悬吊系统，6轨道二，7刚性平台支架，8被动跟随机构，9主动恒力伺服系统，10平衡梁，11吊索，12拉力传感器，13万象连接器，14刚性立柱，15拉索，16永磁恒力弹簧，17水平框架，18躯干连接器，19弹簧，20平行四边形机构，21铰链一，22铰链二，23平行四边形恒力机构，24悬挂支架，25伺服电机，26相机，27直角变速器，28齿轴，29螺纹补偿环，30螺钉，31滚筒，32齿环，33U形吊架，34壳体，35轴承圈，36液环，37外轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅附图，本说明书附图所示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-2所示本发明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2、轨道一1、轨道二6、桁车驱动器一3、桁车驱动器二4组成；所述桁架2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，起作用是为主体由桁车二自由度运动平台的轨道一1、轨道二6提供安装空间及支撑，同时为桁车驱动器一3、桁车驱动器二4提供运行空间；所述轨道一1安装在桁架2两侧横梁上；所述桁车驱动器一3安装在导轨一1上，在自身电机的驱动下可沿导轨一1直线运动；所述导轨2两端通过螺栓分别安装固定在两台桁车驱动器一3的底部，两台桁车驱动器一3沿着导轨一1同步直线运动实现导轨二6的直线运动；所述桁车驱动器二4安装在导轨二6上，在自身电机的驱动下可沿导轨二2直线运动；通过桁车驱动器一3、桁车驱动器二4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7、悬吊系统5构成。

所述刚性平台支架7由刚性立柱14、拉索15、水平框架17组成；所述刚性立柱14为圆柱体结构，具有较高的强度和抗弯能力，上端与桁车驱动器二4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17通过螺纹副固定连接；所述拉锁15共四根，为细长圆柱体结构，两端分别与刚性立柱14和水平框架17固定连接，增强刚性立柱14和水平框架17的连接刚度，维持水平框架17保持水平状态。

所述悬吊系统5由躯干悬吊系统与四肢悬吊系统构成。

如图3所示，所述躯干悬吊系统由主动恒力伺服系统9、永磁恒力弹簧16、平衡梁10、吊索11、拉力传感器12、躯干连接器18组成；

如图6-9所示，所述躯干悬吊系统中的主动恒力伺服系统9安装在水平框架17底部由悬挂支架24、伺服电机25、相机26、直角变速器27、齿轴28、螺纹补偿环29、螺钉30、滚筒31、吊索组成。所述悬挂支架24主体为L型的板状结构，上端设计由螺纹副用于与其他机构装配，中间为正方形带有螺栓孔及轴孔的正方形板状结构用于与伺服电机25和直角变速器27的连接固定，下端是带有螺纹孔的板状结构，用于安装相机；所述伺服电机25、直角变速器27通过螺钉安装在悬挂支架24上，伺服电机25为直角变速器27提供扭矩驱动其输出轴转动。所述直角变速器27的输出轴设计为带有六个滑槽的齿轴28，用于与滚筒31中心的齿环32配个，通过齿轴28驱动滚筒31转动，同时滚筒沿着齿轴28上的滑槽沿轴线方向直线滑动；所述滚筒31中心设计有与齿轴28相配合的齿环32结构，用于与齿轴28配合传递扭矩，滚筒31的内侧转轴外表面带有螺纹用于与螺纹补偿环29内部螺纹配合；所述螺纹补偿环29为端部带有法兰且内部具有螺纹的环装结构，其端部法兰通过螺栓与直角变速器27的齿轴28根部连接固定，与齿轴28同轴配合，内部螺纹用于与滚筒31的内侧转轴外表面螺纹配合；所述吊索缠绕在滚筒上，通过滚筒的转动实现对吊索的收放；所述相机安装在悬挂支架24底部，通过图像实时监测吊索相对水平面的垂直度，测量其摆动角度。

所述主动恒力伺服系统9其主要功能是在竖直方向上提供一个恒定的方向与重力方向相反的力。其工作原理为：采用伺服电机25产生恒定扭矩，通过直角变速器27的齿轴28驱动滚筒31，滚筒31通过吊索11在被吊物体上产生一个恒定竖直向上的补偿力，实现重力卸载；被吊物体在竖直方向上运动时滚筒31通过转动收放吊索11适应其运动。由于滚筒31在收放吊索11时，绕在滚筒31上的吊索11圈数会发生变化，所以竖直吊索11相对于主动恒力伺服系统9的位置会沿着齿轴28轴线方向偏移。因此，本发明通过螺纹补偿环29内部螺纹与滚筒31的内侧转轴外表面的螺纹配合，使滚筒31在转动过程中沿着齿轴28轴线微动，实现对吊索11的位置补偿，确保竖直吊索11轴心线与悬挂支架24顶端螺纹副轴线始终重合。

如图3所示，所述永磁恒力弹簧16上下两端与吊索连接，其作用是提供位移补偿，提高主动恒力伺服系统9抗扰动能力。

所述平衡梁10为中间具有铰链的杆状结构；所述躯干连接器18为中间为环形，两端伸出直杆的支撑结构，用于吊索11与人体躯干的连接；所述吊索11两端分别采用球副与躯干连接器18和平衡梁10连接，共同构成了平行四边形机构实现了躯干的左右摆动，以及前后俯仰；所述拉力传感器12两端与吊索连接，测量吊索拉力，用于对伺服电机25的反馈控制；由于平衡梁10上端的吊索11为柔性，所以亦可实现躯干的水平转动。安装在主动恒力伺服系统9底部的相机26可检测吊索11与水平面之间的垂直度；采用基于单目视觉测量伺服驱动原理，以保持吊索11相对于水平面竖直为目标，驱动桁车驱动器一3、桁车驱动器二4实现大范围二自由度平动。综上所述，躯干悬吊系统可实现人体躯干的空间六自由度运动。

如图4-5所示，所述四肢悬吊系统由被动随动机构8、主动恒力伺服系统9、吊索11、拉力传感器12、万象连接器13组成。

所述被动随动机构8是由零刚度平行四边形单元通过铰链连接而成的树形多自由度恒力机构；所述零刚度平行四边形单元由弹簧19镶嵌于可活动的平行四边形机构20内部构成，通过对弹簧刚度的合理配置可在铰链二22轴线方向上产生恒定大小的力；多个零刚度平行四边形单元通过被动的铰链二22连接起来构成树形被动随动机构，在水平方向上可通过多个铰链二22的转动实现二自由度运动；在竖直方向上通过多个零刚度平行四边形单元的串联可实现一定范围内的上下运动，且可提供竖直向上的恒力。

所述被动随动机构8中的主动恒力伺服系统9通过悬挂支架24顶端的螺纹副装配在被动随动机构8的末端，共同构成了主被动串联恒力系统；主动恒力伺服系统9通过收放吊索11提供竖直方向上恒定补偿力的大范围位移跟踪，被动跟随机构8利用在竖直方向上构成的可动恒力机构实现小范围位移补偿，增强此系统竖直方向上的抗扰动能力。

如图10-11所示，所述万象连接器13由U形吊架33、壳体34、外轴承37、液环36组成；所述U形吊架33主体为U形，顶端与吊索连接，末端设计有铰链，用于与外轴承37两侧的铰链配合；所述壳体34主体结构为空心圆柱体，用于为液环36提供外部约束；所述外轴承37安装在壳体34外侧，外环上设计有铰链，与U形吊架33铰接共同构成二自由度万象旋转机构；所述液环36主体为空心环形结构，内部填充液体，安装在壳体内部，其作用是利用液体的流动性使人体与接触面上的压力均匀分布，减轻人体的不适感。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.分布式多位姿运动重力卸载宇航员地面训练系统，其特征在于，包括桁车二自由度运动平台、分布式重力卸载平台；所述桁车二自由度运动平台用于实现人体整体在水平面内的二自由度大范围运动；所述分布式重力卸载平台安装在桁车二自由度运动平台上，用于实现人体整体在竖直方向上的大范围运动、空间三自由度转动，以及人体自身的小范围的姿态调整；

所述桁车二自由度运动平台由桁架(2)、轨道一(1)、轨道二(6)、桁车驱动器一(3)、桁车驱动器二(4)组成；所述轨道一(1)安装在桁架(2)两侧横梁上，所述桁车驱动器一(3)安装在轨道一(1)上且可沿轨道一(1)直线运动；所述轨道二(6)的两端分别安装在一个桁车驱动器一(3)底部，所述桁车驱动器二(4)安装在轨道二(6)上且可沿轨道二(6)直线运动；

所述分布式重力卸载平台包括刚性平台支架(7)、悬吊系统(5)；所述刚性平台支架(7)安装在桁车二自由度运动平台底部，可绕其竖直轴线自由转动，用于为人体整体提供水平转动自由度，同时底部设计有水平框架(17)为悬吊系统(5)提供安装位置和空间；所述悬吊系统(5)安装在水平框架(17)上，用于为人体躯干、头部、四肢提供与重力方向相反的恒定补偿力，实现人体整体在竖直方向上的大范围运动、除水平转动外的其他空间二自由度转动，以及人体自身的小范围的姿态调整；

所述悬吊系统(5)包括躯干悬吊系统、四肢悬吊系统；所述躯干悬吊系统，在竖直方向上采用主动恒力控制为质量较大的躯干部位提供恒定补偿力，在水平方向通过对桁车二自由度运动平台主动控制实现跟随运动，进而保持吊索(11)的竖直，降低了由于吊索(11)倾斜产生的水平力误差；所述四肢悬吊系统用于为四肢及头部提供重力补偿，在竖直方向是依然采用主动恒力，水平方向采用由零刚度平行四边形单元通过铰链连接而成的树形多自由度被动恒力机构实现了吊索的跟随运动；

所述躯干悬吊系统包括主动恒力伺服系统(9)、永磁恒力弹簧(16)、平衡梁(10)、吊索(11)、拉力传感器(12)、躯干连接器(18)；所述主动恒力伺服系统(9)安装在水平框架(17)底部，用于为躯干提供竖直向上的恒定补偿力，底部相机可检测其对应吊索(11)与水平面的垂直度，为主动随动系统提供控制依据；所述平衡梁(10)、躯干连接器(18)、吊索(11)共同构成了顶部为单索悬吊的空间平行四边形机构实现了躯干的左右摆动、前后俯仰及水平转动；

所述主动恒力伺服系统包括悬挂支架(24)、伺服电机(25)、相机(26)、直角变速器(27)、齿轴(28)、螺纹补偿环(29)、螺钉(30)、滚筒(31)、吊索(11)；所述悬挂支架(24)主体为L型的板状结构，上端设计螺纹副用于与其他机构装配，中间为正方形带有螺栓孔及轴孔的正方形板状结构，用于与伺服电机(25)和直角变速器(27)的连接固定，下端是带有螺纹孔的板状结构，用于安装相机(26)；所述伺服电机(25)、直角变速器(27)通过螺钉安装在悬挂支架(24)上，伺服电机(25)为直角变速器(27)提供扭矩，驱动其输出轴转动；所述直角变速器(27)的输出轴设计为带有六个滑槽的齿轴(28)，用于与滚筒(31)中心的齿环(32)配合，通过齿轴(28)驱动滚筒(31)转动，同时滚筒沿着齿轴(28)上的滑槽沿轴线方向直线滑动；所述滚筒(31)中心设计有与齿轴(28)相配合的齿环(32)结构，用于与齿轴(28)配合传递扭矩，滚筒(31)的内侧转轴外表面带有螺纹用于与螺纹补偿环(29)内部螺纹配合；所述螺纹补偿环(29)为端部带有法兰且内部具有螺纹的环状结构，其端部法兰通过螺栓与直角变速器(27)的齿轴(28)根部连接固定，与齿轴(28)同轴配合，内部螺纹用于与滚筒(31)的内侧转轴外表面螺纹配合，使滚筒(31)在转动过程中沿着齿轴(28)轴线微动，实现对吊索(11)的位置补偿，确保竖直吊索(11)轴心线与悬挂支架(24)顶端螺纹副轴线始终重合；有效避免了滚筒(31)在收放吊索(11)时，由于绕在滚筒(31)上的吊索(11)圈数会发生变化导致竖直吊索(11)相对于主动恒力伺服系统(9)中相机(26)的位置会沿着齿轴(28)轴线方向偏移引发的对吊索位置的视觉测量误差。

2.根据权利要求1所述的地面训练系统，其特征还在于，所述刚性平台支架包括刚性立柱(14)、拉索(15)、水平框架(17)；拉索(15)共四根，为细长圆柱体结构，两端分别与刚性立柱(14)和水平框架(17)固定连接，用于增强刚性立柱(14)和水平框架(17)的连接刚度，维持水平框架(17)保持水平状态。

3.根据权利要求1所述的地面训练系统，其特征还在于，所述四肢悬吊系统包括被动随动机构(8)、主动恒力伺服系统(9)、吊索(11)、拉力传感器(12)、万象连接器(13)；所述被动随动机构(8)是由零刚度平行四边形单元通过铰链连接而成的树形多自由度恒力机构；在水平方向实现系统内吊索(11)对四肢的运动跟随，保持相应的吊索(11)保持竖直以减小水平方向力误差；在竖直方向上与主动恒力伺服系统(9)串联，对位移进行被动补偿，提高恒力控制的抗扰动能力。

4.根据权利要求3所述的地面训练系统，其特征还在于，所述被动随动机构(8)由零刚度平行四边形单元通过铰链连接构成；所述零刚度平行四边形单元由弹簧(19)镶嵌于可活动的平行四边形机构(20)内部构成，通过对弹簧刚度的合理配置可在铰链二(22)轴线方向上产生恒定大小的力；多个零刚度平行四边形单元通过被动的铰链二(22)连接起来构成树形被动随动机构，在水平方向上可通过多个铰链二(22)的转动实现二自由度运动；在竖直方向上通过多个零刚度平行四边形单元的串联可实现一定范围内的上下运动，且可提供竖直向上的恒力。

5.根据权利要求3所述的地面训练系统，其特征还在于，所述万象连接器(13)包括U形吊架(33)、壳体(34)、外轴承(37)、液环(36)组成；所述U形吊架(33)主体为U形，顶端与吊索连接，末端设计有铰链，用于与外轴承(37)两侧的铰链配合；所述壳体(34)主体结构为空心圆柱体，用于为液环(36)提供外部约束；所述外轴承(37)安装在壳体(34)外侧，外环上设计有铰链，与U形吊架(33)铰接共同构成二自由度万象旋转机构；所述液环(36)主体为空心环形结构，内部填充液体，安装在壳体内部，其作用是利用液体的流动性使人体与接触面上的压力均匀分布，减轻人体的不适感。

Images