專利名稱：懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天員科研訓(xùn)練用裝置，特別涉及一種失重環(huán)境地面模擬訓(xùn)練和實驗研究平臺，屬于航天員訓(xùn)練地面模擬設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
要圓滿完成載人航天飛行任務(wù)，航天員可以說是最核心的決定因素之一。故其身體健康狀態(tài)與操作能力就顯得至關(guān)重要，但是由于其工作環(huán)境是太空，他們需要面對多種特殊的環(huán)境條件。完全或部分的失重就是這些特殊環(huán)境條件中最普遍且無法避免的一種。 為了保證航天員在執(zhí)行飛行任務(wù)過程中能夠順利地在航天器的艙內(nèi)外完成飛行監(jiān)視、操作、控制、通信、維修以及科學(xué)研究等特殊工作任務(wù)并進行正常的生活，就必須對他們進行嚴(yán)格的訓(xùn)練，使他們對航天特殊環(huán)境因素有很強的適應(yīng)能力。同時還必須參考訓(xùn)練情況，為航天員制定出適當(dāng)、有效的對抗措施，從而把太空特殊環(huán)境中的不利因素對他們的影響盡量降到最低。既然失重是一種普遍的特殊環(huán)境，也是對航天員操作和健康影響較大的外在因素，我們就必須在地面采取各種方法營造類似于失重的條件，在其中對航天員實施訓(xùn)練，使航天員在真實的太空失重環(huán)境下也能對各項操作到達游刃有余的境界。目前，在地面普遍采用的失重訓(xùn)練方法主要有失重飛機訓(xùn)練、中性浮力水槽訓(xùn)練、懸吊訓(xùn)練等，其側(cè)重點各有不同。其中懸吊訓(xùn)練可以在普通的地面環(huán)境中實施，具有安全性較高、操作較簡單、訓(xùn)練靈活性較高、實現(xiàn)成本低等特點。目前，國外已有的幾種典型地面模擬失重懸吊訓(xùn)練裝置包括NASA的減重力行走模擬器(Reduced Gravity Walking Simulator)和零重力運動模擬器(Zero-gravity Locomotion Simulator)。我國現(xiàn)有的地面懸吊訓(xùn)練裝置主要是出艙活動訓(xùn)練模擬器內(nèi)的懸吊裝置，該裝置屬于出艙活動訓(xùn)練模擬器的一個部分，是在航天員穿著艙外服的狀態(tài)下利用氣動提升裝置將航天員呈體位垂直態(tài)吊離地面，使航天員在懸吊狀態(tài)下進行相關(guān)的操作。其缺點在于訓(xùn)練過程中航天員呈豎直體態(tài)，導(dǎo)致盡管其被懸吊起來而處于懸空狀態(tài)，但沿身體軸線方向還是能感受到重力的作用，對失重感覺的體驗比較不真實；該裝置只能在航天員穿著艙外訓(xùn)練航天服的條件下進行懸吊，從而降低了訓(xùn)練科目設(shè)置的靈活性；垂直體位的情況下想實現(xiàn)部分失重情況的模擬需要調(diào)節(jié)吊帶拉力，這就增加了對系統(tǒng)設(shè)計計算的難度；該裝置是出艙活動訓(xùn)練模擬器的一個子結(jié)構(gòu)，不能單獨啟動這一塊機構(gòu)進行訓(xùn)練，也不能隨意移動該懸吊機構(gòu)配合不同的訓(xùn)練平臺實施訓(xùn)練。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于航天員科研訓(xùn)練領(lǐng)域的懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練裝置。它不僅可以自由地移動到適當(dāng)位置與各種訓(xùn)練平臺組合來達到不同的訓(xùn)練和科研實驗?zāi)康?，還可以方便地基本實現(xiàn)完全或部分失重環(huán)境的模擬。
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本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種懸吊式地面模擬失重訓(xùn)練科研裝置，包括懸吊支撐架、起吊支架、減力齒輪箱、腳限位器以及肢體綁縛系統(tǒng)，其特征在于所述的懸吊支撐架底部裝有可制動腳輪，從而可實現(xiàn)整個裝置的自由移動及固定，所述的起吊支架軸線與水平面夾角可以隨意調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述的懸吊支撐架由支撐架立柱、支撐架橫梁、支撐架肋板、調(diào)整橫梁和調(diào)整滑輪組成，所述的支撐架立柱與支撐架橫梁以及支撐架肋板與支撐架立柱、支撐架肋板與支撐架橫梁之間采用螺紋連接，所述的支撐架橫梁、支撐架立柱均為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部安裝有兩個起吊滑輪，滑輪上繞有起吊鋼絲繩，繩的一端用掛鉤與起吊支架相連，另一端穿過支撐架橫梁和支撐架立柱纏繞在齒輪箱內(nèi)的小齒輪軸上，所述的用于支承調(diào)整滑輪的調(diào)整橫梁通過螺紋連接固定在支撐架橫梁上，所述的可制動腳輪通過螺紋連接與支撐架立柱底部相連。本發(fā)明所述的起吊支架由起吊支架龍骨、調(diào)整橫梁、調(diào)整線、頭部橫梁、軀干橫梁、 大腿橫梁和小腿橫梁組成，所述的調(diào)整橫梁與起吊支架龍骨間采用螺紋連接，所述的調(diào)整線一端與調(diào)整橫梁上的吊環(huán)固連，另一端繞過調(diào)整滑輪后纏繞于支撐架立柱上的掛鉤，所述的頭部橫梁、軀干橫梁、大腿橫梁和小腿橫梁均套裝在起吊支架龍骨上，可以在龍骨上自由滑動，調(diào)整到適當(dāng)位置后用蝶形螺母固定。本發(fā)明所述的齒輪箱包括一對嚙合齒輪、箱體和手輪，采用螺紋連接方式安裝在支撐架立柱中部。本發(fā)明所述的肢體綁縛系統(tǒng)主要包括安全頭盔、胸腹支承墊、大腿束縛帶、小腿束縛帶，所述的安全頭盔、胸腹支承墊、大腿束縛帶、小腿束縛帶分別用掛鉤和連接繩與頭部橫梁、軀干橫梁、大腿橫梁和小腿橫梁上的吊環(huán)對應(yīng)相連。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果①由于采用了安裝有可制動腳輪的門式懸吊支撐架，避免了現(xiàn)有懸吊訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量過大、移動困難等缺點， 不僅使裝置本身的結(jié)構(gòu)更簡單，節(jié)省了空間，更有利于裝置與不同訓(xùn)練臺的方便組合。②起吊支架與水平面的夾角可實現(xiàn)從0°到90° (不含)的變化，從而可以簡單地基本模擬完全失重到部分重力環(huán)境。③通過人工轉(zhuǎn)動齒輪箱手輪就可以升降起吊支架，升降到所需高度后將鎖緊銷釘插入齒輪箱鎖緊輪輪轂上的制動孔即可實現(xiàn)齒輪制動從而達到鎖定訓(xùn)練高度的目的，使得升降操作更加靈活方便，還避免了如電、氣等資源的浪費，降低了訓(xùn)練成本。④根據(jù)齒輪傳動增速減力的特點，手輪力遠遠小于被起吊者重力，減小了訓(xùn)練實施者的操作負荷。⑤肢體綁縛系統(tǒng)和相應(yīng)的起吊支架部件采用的綁縛方式為針對被懸吊者肢體的各大部位質(zhì)心分別懸吊，增加了被懸吊者的舒適度，而且各個懸吊部件之間互為冗余保障， 提高了懸吊訓(xùn)練的安全性。


圖1為懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為懸吊支撐架示意圖。圖3為減力齒輪箱示意圖。圖4為起吊滑輪安裝關(guān)系剖面圖。圖5為齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖6為大腿橫梁及其上螺紋連接件裝配關(guān)系剖面圖。圖7為腳限制器示意圖。圖8為立柱滑套系統(tǒng)剖視圖。圖9為立柱滑套系統(tǒng)及相關(guān)零件裝配關(guān)系示意圖。
具體實施例方式圖1為懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其主要由底部裝有可制動腳輪11的懸吊支撐架1、由起吊鋼絲繩22懸吊于懸吊支撐架橫梁80的起吊支架2、 固定在懸吊支撐架立柱上的齒輪箱3、可以與懸吊支撐架立柱相對滑動的腳限位器4以及連接在起吊支架各肢體橫梁上的肢體綁縛系統(tǒng)5組成。其中，起吊支架2的水平位置要求為起吊支架相應(yīng)于被懸吊者的腳側(cè)一端到該側(cè)支撐架橫梁立柱的距離應(yīng)保證被懸吊者的雙腳能踩到腳限制器4，起吊支架相應(yīng)于被懸吊者頭側(cè)一端與該側(cè)支撐架橫梁立柱之間的距離應(yīng)大于1米。圖2為懸吊支撐架示意圖。其主要由頭側(cè)支撐架立柱6、支撐架橫梁7和腳側(cè)支撐架立柱12組成，三者之間以螺絲連接的方式連接為門式框架，兩條支撐架肋板10分別連接于相應(yīng)的支撐架立柱和支撐架橫梁之間以提高增加前述門式框架的剛度和穩(wěn)定性，調(diào)整橫梁8兩端各有一個調(diào)整滑輪9，在該橫梁中部用螺栓將其固定于支撐架橫梁7中部，支撐架橫梁80和支撐架立柱6、12均為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部安裝有兩個起吊滑輪，頭側(cè)支撐架立柱6 中部焊接四個掛鉤50用于纏繞并固定調(diào)整繩，腳側(cè)支撐架立柱12中部開孔52用于安裝齒輪箱3中的小齒輪軸，四個可制動腳輪11分別用螺栓固定在兩條支撐架立柱底部。圖3為齒輪箱外部整體結(jié)構(gòu)示意圖。箱體可以拆卸為六塊，彼此之間采用螺絲連接，鎖緊銷13穿過外側(cè)箱體上的孔插在箱體上，手輪14與箱體內(nèi)小齒輪軸之間采用平鍵連接。圖4為起吊滑輪安裝關(guān)系剖面圖。兩個起吊滑輪15均以橫穿支撐架橫梁的軸支承的方式安裝在支撐架橫梁7的內(nèi)部，起吊鋼絲繩16 —端連接起吊支架2的掛鉤，另一端繞過起吊滑輪15后穿過腳側(cè)支撐架立柱12內(nèi)部的空腔纏繞并固定在齒輪箱3內(nèi)的小齒輪 17的軸上。圖5為齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。主要包括一對嚙合齒輪小齒輪17和大齒輪18，以及連接到大齒輪軸上的鎖緊輪19，鎖緊輪19輪轂上開了如圖所示的圓孔(制動孔191)，當(dāng)鎖緊銷13插入后實現(xiàn)齒輪制動，大齒輪18的軸一端搭接于齒輪箱箱壁，另一端用平鍵與手輪 14連接。旋動手輪14帶動大齒輪18轉(zhuǎn)動，從而帶動與之嚙合的小齒輪17轉(zhuǎn)動，纏繞在小齒輪軸上的起吊鋼絲繩16纏繞圈數(shù)發(fā)生變化，實現(xiàn)起吊支架2的升降，鎖緊銷13插入鎖緊輪19輪轂上的制動孔191后齒輪不能轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)起吊支架2的高度維持。圖6為肢體橫梁及其上螺紋連接件裝配關(guān)系剖面圖。大腿橫梁20包括底部開槽的橫梁主體和焊接在主體上表面中點處的套筒201，槽中裝有兩個滑塊螺栓22，兩螺栓分別與兩個吊環(huán)螺母23配合，擰緊螺母23可實現(xiàn)滑塊螺栓在大腿橫梁上的固定，套筒201套裝在起吊支架2的龍骨上，旋緊蝶形螺母21可實現(xiàn)大腿橫梁20與起吊支架2的龍骨之間相對位置的固定。頭部橫梁、軀干橫梁和小腿橫梁的結(jié)構(gòu)及工作原理與大腿橫梁相同。圖7為腳限制器示意圖。腳限制器4主要包括踏板M、立柱滑套系統(tǒng)25、蝶形螺母沈和壓緊把手32。踏板M可以與滑套系統(tǒng)25相對滑動，旋緊蝶形螺母沈可實現(xiàn)前述二者的相對固定。立柱滑套系統(tǒng)25可沿腳側(cè)支撐架立柱12上下滑動，扳動壓緊把手32可實現(xiàn)滑套系統(tǒng)在立柱上的固定。 圖9為立柱滑套系統(tǒng)沿A-A方向剖切后及其相關(guān)零件裝配關(guān)系示意圖。主要包括壓緊把手32、壓緊塊27、滑動軸承輥子觀、滑動側(cè)固定塊四、立柱滑套主體30和壓緊側(cè)固定塊31。壓緊塊27接近立柱側(cè)面材質(zhì)為橡膠，壓下壓緊把手32可令壓緊塊27貼附到腳側(cè)支撐架立柱12上實現(xiàn)摩擦制動?；瑒觽?cè)固定塊四與立柱滑套主體30、壓緊側(cè)固定塊31 與立柱滑套主體30之間均采用螺紋連接，滑動軸承輥子28共有四個。
權(quán)利要求
1.一種懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練模擬器，包括一個懸空式水平起吊支架，該起吊支架帶有用于將人體懸系于其下方的懸掛系統(tǒng)，所述懸掛系統(tǒng)包括將人體的頭部、軀干、大腿和小腿依序并列懸掛于所述起吊支架上的肢體綁縛系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬器，其特征在于，還包括一個懸吊支撐架，該懸吊支承架包括一個懸吊支撐架橫梁和兩個于該橫梁兩端處支承著該橫梁的懸吊支撐架立柱，所述水平起吊支架可用卷揚纜索懸吊于支撐架橫梁上；在懸吊支撐架橫梁上裝有第一滑輪系統(tǒng)，用以從中穿過卷揚纜索來吊起所述起吊支架，在懸吊支撐架橫梁上還裝有第二滑輪系統(tǒng)，用以從中穿過調(diào)整繩而連接于所述起吊支架臨近所述頭部的端部，與卷揚纜索相配合來調(diào)整所述起吊支架的水平度或傾斜度。
3.如權(quán)利要求2所述的模擬器，其特征在于，在所述立柱之一上裝有卷揚機構(gòu)用于卷揚所述卷揚纜索；所述橫梁和立柱是中空結(jié)構(gòu)，所述卷揚纜索在中空結(jié)構(gòu)內(nèi)走繩。
4.如權(quán)利要求3所述的模擬器，其特征在于，所述卷揚機構(gòu)包括一個用于卷揚所述纜索的卷揚軸和一個與該卷揚軸機械聯(lián)動的鎖緊輪，該鎖緊輪上具有一系列均布于圓周上的制動孔與一個鎖緊銷相配合，鎖緊銷相對于該立柱沿所述圓周方向固定，當(dāng)鎖緊銷插入其中任一個制動孔時，就能把鎖緊輪和卷揚軸制動。
5.如權(quán)利要求4所屬的模擬器，其特征在于，所述卷揚機構(gòu)包括一個固定到卷揚軸上的小齒輪和一個驅(qū)動所述小齒輪的大齒輪，所述鎖緊輪與大齒輪相互之間固定連接。
6.如權(quán)利要求1所述的模擬器，其特征在于，用于頭部、軀干和大腿及小腿的肢體綁縛系統(tǒng)包括一個橫交跨連于起吊支架并可順其縱向相對滑動變位的肢體橫梁，該肢體橫梁有一個套管滑動套接到所述起吊支架上，有一個螺栓與所述套管上的螺紋通孔相連接并可頂緊所述起吊支架，以此使肢體橫梁與起吊支架之間相對定位。
7.如權(quán)利要求2所述的模擬器，其特征在于，還包括一個腳限制器，腳限制器包括一個可套在其中一個立柱上上下滑動的立柱滑套系統(tǒng)和一對連接到該立柱滑套系統(tǒng)上的腳踏板。
8.如權(quán)利要求7所述的模擬器，其特征在于，腳踏板與立柱滑套系統(tǒng)安裝成可相對水平滑動。
9.如權(quán)利要求8所述的模擬器，其特征在于，立柱滑套系統(tǒng)與相應(yīng)的立柱之間是通過輥子或滾輪接合的，輥子安裝定位到滑套系統(tǒng)上。
10.如權(quán)利要求7、8所述的模擬器，其特征在于，滑套系統(tǒng)上裝有一個可與立柱壓緊定位的壓緊塊，該壓緊塊背對所述立柱的一側(cè)與一個安裝到滑套系統(tǒng)上的壓緊把手的凸輪軸相頂接，通過凸輪軸向壓緊塊傳遞位移和壓力。
全文摘要
一種懸吊式地面模擬失重科研訓(xùn)練模擬器，包括一個懸空式水平起吊支架，該起吊支架帶有用于將人體懸系于其下方的懸掛系統(tǒng)，所述懸掛系統(tǒng)包括將人體的頭部、軀干、大腿和小腿依序并列懸掛于所述起吊支架上的肢體綁縛系統(tǒng)。
文檔編號G09B9/00GK102208141SQ201010137879
公開日2011年10月5日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者吳斌 申請人:中國航天員科研訓(xùn)練中心