一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天生命科學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器及使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國正在建設(shè)規(guī)模較大、長期有人參與的國家級太空實(shí)驗(yàn)室，介時(shí)我國航天員將在太空失重中進(jìn)行太空作業(yè)，航天員的身體健康狀況將成為決定其在空間站內(nèi)工作效率高低的至關(guān)重要的因素。然而，航天員健康在太空中會受到失重、真空、輻射等嚴(yán)酷太空環(huán)境的考驗(yàn)，其中失重對身體的影響是無法避免的。研究表明:失重會導(dǎo)致航天員生理和心理等方面一系列的問題，嚴(yán)重時(shí)甚至能威脅到航天員的生命。
[0003]目前，航天員主要通過企鵝服、自行車功量計(jì)、抗阻力訓(xùn)練器及太空跑臺等體育訓(xùn)練措施對抗失重產(chǎn)生的影響。然而，當(dāng)前的訓(xùn)練設(shè)備大都是讓航天員重復(fù)枯燥的簡單運(yùn)動，人機(jī)交互以及娛樂性都較差，使得訓(xùn)練效果大大的降低。劃船訓(xùn)練對人體關(guān)節(jié)沖擊小，能夠改善心肺功能，促進(jìn)血液循環(huán)，鍛煉全身肌肉，提高中樞神經(jīng)對全身肌肉的支配效果，適合航天員在失重環(huán)境中開展實(shí)施，提高訓(xùn)練效果。目前，國內(nèi)外相關(guān)專利中:一種雙槳劃船訓(xùn)練器(CN201320103131.3)，通過電磁阻力器模擬劃船時(shí)的阻力，然后利用齒輪、皮帶等構(gòu)件將阻力傳遞給人體；多功能劃船訓(xùn)練器(CN200820107173.3)，可模仿實(shí)船的前后移動和左右晃動以及對劃船者下肢力量的控制和運(yùn)用進(jìn)行仿真訓(xùn)練，通過導(dǎo)軌的滑阻、扇葉的風(fēng)阻以及電機(jī)的磁阻提供運(yùn)動阻力；健腹劃船組合訓(xùn)練器(CN201520046106.5)通過彈性組件模擬運(yùn)動阻力。目前的劃船訓(xùn)練器材運(yùn)動形式簡單，多使用風(fēng)輪或摩擦阻尼器作為運(yùn)動負(fù)載，同時(shí)無法真實(shí)地模擬劃船運(yùn)動的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)和負(fù)載的變化。此外，當(dāng)前地面上通用的劃船訓(xùn)練器體積和質(zhì)量較大，安裝操作復(fù)雜，不便于運(yùn)輸、安裝和操作，不適于在寸土如金的航天器內(nèi)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器及使用方法，解決了現(xiàn)有太空失重環(huán)境下訓(xùn)練器械效果不明顯，訓(xùn)練器互動性、適應(yīng)性和可調(diào)節(jié)性能差等缺點(diǎn)，不僅適用于太空失重環(huán)境中的航天員，同時(shí)也適用于需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練或正常鍛煉的普通人。
[0005]本發(fā)明提到的一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器，包括三個(gè)負(fù)載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分，其中，負(fù)載控制單元由柔索纏繞輪、電機(jī)支架、力矩電機(jī)和導(dǎo)向輪組成，柔索纏繞在柔索纏繞輪上并經(jīng)過導(dǎo)向輪改變傳遞方向，柔索的末端與船槳末端相連，柔索的伸縮量通過電機(jī)末端編碼器測量；
船槳單元由船槳、船槳支架組成，船槳通過球鉸機(jī)構(gòu)與船槳支架連接，柔索與船槳末端通過套筒連接，繩索穿過可自由轉(zhuǎn)動的套筒與船槳上相連，通過螺母擋圈限制柔索的徑向滑動；
座椅單元由座椅、導(dǎo)軌、拉伸彈簧和腳踏板組成，座椅可在導(dǎo)軌上滑動，通過拉伸彈簧與腳踏板連接，自由狀態(tài)下，座椅被拉緊在導(dǎo)軌前部，訓(xùn)練時(shí)，拉伸彈簧提供運(yùn)動阻力以及座椅歸位的恢復(fù)力，對航天員腿部和腰腹部肌肉進(jìn)行有效訓(xùn)練；
虛擬顯示單元部分主要由顯示屏組成，控制系統(tǒng)根據(jù)三根柔索的伸縮量可以確定船槳的位置，顯示屏模擬虛擬水面，并實(shí)時(shí)顯示船槳在水中位置，同時(shí)，顯示屏還顯示人體生理數(shù)據(jù)，供相關(guān)人員監(jiān)測和分析。
[0006]優(yōu)選的，三個(gè)導(dǎo)向輪和套筒構(gòu)成空間四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，三根柔索構(gòu)成空間四面體的三個(gè)棱邊，形成空間力，三根柔索在套筒上施加的力可以分解為沿著船槳軸線的分力、船槳水平方向的徑向力和船槳豎直方向的徑向力，其中，沿著船槳的徑向力由球鉸機(jī)構(gòu)來承受，船槳水平方向的徑向力和豎直方向的徑向力分別模擬船槳在水中水平方向的阻力和豎直方向的阻力。
[0007]上述的套筒上設(shè)有多組小孔，柔索穿過小孔。
[0008]另外，三個(gè)負(fù)載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作，其中，控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)負(fù)載控制器組成，上位機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)編碼器檢測到的柔索的伸縮量確定船槳末端在虛擬水面中位置以及船槳在水中的劃動速度、劃動阻力；通過顯示屏為航天員模擬當(dāng)前狀態(tài)下的水面、船槳、水面附近的風(fēng)景以及航天員身體健康狀況，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識可確定船槳末端的阻力，然后將阻力分解為各柔索上的期望分力4，上位機(jī)控制系統(tǒng)向各個(gè)負(fù)載控制單元發(fā)送指令，負(fù)載控制單元實(shí)時(shí)采集電機(jī)的驅(qū)動電流/，根據(jù)I=G/，為電機(jī)的驅(qū)動力矩，G為電機(jī)力矩系數(shù)，可確定各個(gè)柔索的張力，控制各個(gè)負(fù)載控制單元分別向船槳施加阻力?，整個(gè)訓(xùn)練過程中，航天員做主動運(yùn)動，而劃船訓(xùn)練器處于被動跟隨狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明提到的一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器的使用方法，包括以下步驟:
使用時(shí)，航天員面向顯示屏坐在座椅上并將自己固定，雙腳踏在腳踏板上，雙手握住船槳，與此同時(shí)，顯示屏顯示虛擬水面以及船槳；
劃船時(shí)分為四個(gè)階段:出水階段，雙腳蹬緊腳踏板，雙腿伸直，雙臂下壓船槳，船槳末端抬高，此時(shí)拉伸彈簧完全拉伸，船槳末端僅受負(fù)載控制單元模擬的豎直向下的出水阻力；回槳階段，緩緩屈膝，肩部放松，雙臂逐漸收回，將船槳收至胸前，拉伸彈簧收緊，此時(shí)船槳末端不受任何負(fù)載力；入水階段，雙臂用力上抬船槳，船槳末端入水，此時(shí)船槳末端僅受負(fù)載控制單元模擬的豎直向上的入水阻力；推槳階段，雙腳蹬緊腳踏板，雙腿用力伸直，雙臂用力向前推動船槳至遠(yuǎn)離胸部的位置，此時(shí)拉伸彈簧又被完全拉伸，船槳末端受負(fù)載控制單元模擬的豎直向前的推動力；
在劃船過程中，顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示船槳的運(yùn)動以及船體前進(jìn)時(shí)環(huán)境的變化。
[0010]本發(fā)明的有益效果具體如下:
(1)柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，訓(xùn)練器整體結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、占用空間小，拆卸和安裝方便，便于空間運(yùn)輸和使用；
(2)纏繞輪和導(dǎo)向輪可以減小繩傳動的摩擦阻力，提高了工作效率，同時(shí)可以提高傳動的可靠性和平穩(wěn)性； (3)劃船訓(xùn)練器柔索作為力傳遞元件，通過三個(gè)柔索構(gòu)成空間四邊形的棱邊，還有空間四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)，能形成空間力，這樣簡化復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)柔索的柔順性較好，能夠避免剛性沖擊，提高劃船訓(xùn)練的舒適性和安全性；
(4)訓(xùn)練過程中，通過虛擬顯示系統(tǒng)，可以使訓(xùn)練人員體會到劃船的樂趣，緩解訓(xùn)練人員由于單一訓(xùn)練動作而產(chǎn)生的疲勞感。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的柔索驅(qū)動劃船訓(xùn)練器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的柔索驅(qū)動劃船訓(xùn)練器的側(cè)視圖；
圖3是本發(fā)明的柔索驅(qū)動劃船訓(xùn)練器船槳末端局部放大圖；
圖4是本發(fā)明的柔索驅(qū)動劃船訓(xùn)練器控制原理方框圖；
上圖中:柔索纏繞輪1、電機(jī)支架2、力矩電機(jī)3、導(dǎo)向輪4、柔索5、船槳6、船槳支架7、球鉸機(jī)構(gòu)8、座椅9、導(dǎo)軌10、拉伸彈簧11、腳踏板12、顯示屏13、套筒14。
【具體實(shí)施方式】
[0012]結(jié)合附圖1-3，對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
本發(fā)明提到的一種用于失重環(huán)境的柔索驅(qū)動航天員劃船訓(xùn)練器，包括三個(gè)負(fù)載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分，其中:
負(fù)載控制單元由柔索纏繞輪1、電機(jī)支架2、力矩電機(jī)3和導(dǎo)向輪4組成。柔索5纏繞在柔索纏繞輪I上并經(jīng)過導(dǎo)向輪4改變傳遞方向，柔索5末端與船槳6末端相連，柔索5的伸縮量通過電機(jī)末端編碼器測量。
[0013]船槳單元由船槳6、船槳支架7組成，船槳6通過球鉸機(jī)構(gòu)8與船槳支架7連接。柔索5與船槳6末端連接的局部放大圖如圖3所示，繩索5穿過自由轉(zhuǎn)動的套筒14與船槳6上相連，通過螺母擋圈限制柔索5的徑向滑動。
[0014]設(shè)計(jì)安裝時(shí)，3個(gè)導(dǎo)向輪4和套筒14構(gòu)成空間四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，3根柔索5構(gòu)成空間四面體的3個(gè)棱邊。3根柔索5在套筒14上施加的力可以分解為沿著船槳軸線的分力、船槳水平方向的徑向力和船槳豎直方向的徑向力。其中，沿著船槳6的徑向力由球鉸機(jī)構(gòu)8來承受，船槳6水平方向的徑向力和豎直方向的徑向力分別模擬船槳在水中水平方向的阻力和豎直方向的阻力。