本發(fā)明涉及宇航員太空作業(yè)裝置領域，具體涉及一種太空運動輔助方法及其裝置。

背景技術：
宇航員在星球表面活動及進行太空任務作業(yè)過程中，由于配套車輛的適應能力有限，宇航員需要攜帶搬運的物質(zhì)越來越多，譬如一些測量設備、實驗樣本等，而且宇航員經(jīng)常需要在溝壑、山丘、凹凸不平的環(huán)境中活動，宇航員在上述環(huán)境中活動會耗費大量的體力，常常造成宇航員很快疲憊以及身體損傷，極大的影響了宇航員的行進速度、活動范圍和機動能力。目前，為了增強宇航員運動能力，通常的做法都是盡可能地減輕宇航服的重量或減少負載，從而節(jié)約宇航員的體力，進而保證宇航員的行進速度、活動范圍和機動能力，但是，宇航服重量的減輕受限于宇航服需要完成的功能，負載的減輕受限于任務數(shù)量和太空工作內(nèi)容。因此，采用這些方法增強宇航員的運動能力，效果不明顯。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能夠有效增強宇航員運動能力的太空運動輔助方法。這種新的增強宇航員運動能力且降低宇航員太空運動能量消耗的太空運動輔助方法，具體采用如下方式實現(xiàn)：在宇航服上耦合外骨骼系統(tǒng)，該外骨骼系統(tǒng)包括仿形機械結構、人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和能源動力系統(tǒng)，通過人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)或運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信息處理后發(fā)送指令給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構驅動仿形機械結構輔助支撐宇航員負重或為宇航員的動作提供助力。本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述方法的太空運動輔助裝置，該太空運動輔助裝置，包括仿形機械結構和用于將仿形機械結構與宇航服耦合在一起的耦合組件，所述仿形機械結構包括下肢結構、髖部結構，所述下肢結構包括左腿結構與右腿結構，所述左腿結構與右腿結構均包括仿人體大腿結構、小腿結構和足部結構，所述大腿結構與小腿結構通過膝關節(jié)相連，所述小腿結構與足部結構通過踝關節(jié)相連；所述髖部結構與左腿結構、右腿結構分別通過髖關節(jié)相連所述髖關節(jié)、膝關節(jié)上均安裝有執(zhí)行機構；還包括人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及給人機接口系統(tǒng)、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)提能源動力的能源動力系統(tǒng)，人機接口系統(tǒng)基于無重力環(huán)境下人體運動動力學特征、微重力環(huán)境下人體運動動力學特征、月面重力環(huán)境下人體運動動力學特征、火星重力環(huán)境下人體運動動力學特征劃分運動步態(tài)，感知航天員的運動狀態(tài)、運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息確定髖關節(jié)、膝關節(jié)的力矩、阻尼、角度、角速度，并發(fā)送指令給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構驅動髖關節(jié)、膝關節(jié)進行關節(jié)運動或在關節(jié)處提供阻尼。進一步的是，所述髖部結構包括左側面支撐桿、右側面支撐、底部支撐橫桿，所述左側面支撐桿的前端與左腿結構的大腿結構頂端、右側面支撐桿的前端與右腿結構的大腿結構頂端均通過髖關節(jié)相連，底部支撐橫桿左端與左側面支撐桿固定連接，右端與右側面支撐桿固定連接。進一步的是，所述髖部結構還包括左彈性支撐元件與右彈性支撐元件，所述左彈性支撐元件一端固定在左側面支撐桿上，另一端固定在左腿結構的大腿結構上，所述右彈性支撐元件一端固定在右側面支撐桿上，另一端固定在右腿結構的大腿結構上。進一步的是，所述仿形機械結構還包括背部支撐結構，所述背部支撐結構包括左支撐豎桿與右支撐豎桿，所述左支撐豎桿的下端固定在左側面支撐桿上，所述右支撐豎桿的下端固定在右側面支撐桿上，所述背部支撐結構還包括支撐面板，所述支撐面板的兩側分別通過可調(diào)長度的懸掛結構固定在左側面支撐桿的末端和右側面支撐桿的末端。進一步的是，所述仿形機械結構還包括前胸負載結構，所述前胸負載結構包括左弧形支撐桿與右弧形支撐桿，所述左弧形支撐桿通過鉸接結構固定在左支撐豎桿的上端，右弧形支撐桿通過鉸接結構固定在右支撐豎桿的上端，所述左弧形支撐桿與右弧形支撐桿的自由端通過胸前懸掛桿相連。進一步的是，所述左支撐豎桿、右支撐豎桿、胸前懸掛桿上均設置有能夠懸掛物體的懸掛裝置。進一步的是，所述耦合組件包括設置在足部結構上的足部耦合裝置、設置在小腿結構上的小腿耦合裝置、設置在大腿結構上的大腿耦合裝置、設置在左側面支撐桿內(nèi)側和右側面支撐桿內(nèi)側的第一髖部耦合裝置、設置在左側面支撐桿前端和右側面支撐桿前端的第二髖部耦合裝置、設置在底部支撐橫桿上的第三髖部耦合裝置、設置在左支撐豎桿內(nèi)側和右支撐豎桿內(nèi)側的第一背部耦合裝置、設置在左支撐豎桿中部和右支撐豎桿中部的第二背部耦合裝置；所述足部耦合裝置、小腿耦合裝置、大腿耦合裝置為C形環(huán)或綁帶，所述第一髖部耦合裝置為插銷、環(huán)扣或鉚釘結構，所述第二髖部耦合裝置為腰帶，所述第三髖部耦合裝置、第一背部耦合裝置為插銷、環(huán)扣或鉚釘結構，所述第二背部耦合裝置為束帶或條帶。進一步的是，所述人機接口系統(tǒng)包括信息感知設備、輸入輸出設備、信息傳輸網(wǎng)絡、信息處理部件，所述信息感知設備包括壓力傳感器、慣性傳感器、關節(jié)編碼器、接觸式應變片、光纖傳感器、肌電傳感器、腦電傳感器、位移傳感器，旋轉編碼器、壓力開關、測距傳感器，所述輸入輸出設備包括鍵盤、麥克風、耳機、表情識別系統(tǒng)、眼球跟蹤系統(tǒng)。進一步的是，所述控制系統(tǒng)分別針對多種太空動作，并根據(jù)無重力環(huán)境下運動動力學特征、微重力環(huán)境下運動動力學特征、月面重力環(huán)境下運動動力學特征、火星重力環(huán)境下運動動力學特征，將各種太空動作分解為關節(jié)在各自由度上的轉動，并建立對應的關節(jié)角度、關節(jié)角速度、關節(jié)力矩在太空運動中隨時間變化的規(guī)律數(shù)據(jù)庫，作為反饋控制系統(tǒng)的期望輸入信號，根據(jù)人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)或運動意圖，選擇數(shù)據(jù)庫中的期望輸入信號，通過設計的協(xié)同控制律驅動每個自由度的執(zhí)行機構工作。本發(fā)明的有益效果：通過在宇航服上耦合仿形機械結構、人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和能源動力系統(tǒng)實現(xiàn)，通過人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)和運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信息處理后發(fā)送指令給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構驅動仿形機械結構輔助支撐宇航員負重或為宇航員的動作提供助力，大大降低了宇航員的能量消耗，進而提高宇航員承載能力、上下肢運動能力和信息處理能力，增強宇航員惡劣環(huán)境適應能力，輔助宇航員完成各種空間作業(yè)，而且仿形機械結構還可以保護宇航員身體，與宇航服形成雙重保護，避免宇航員受到損傷。附圖說明圖1是本發(fā)明太空運動輔助裝置的結構示意圖；圖中標記說明：大腿結構101、小腿結構102、足部結構103、膝關節(jié)104、踝關節(jié)105、髖關節(jié)201、左側面支撐桿202、右側面支撐桿203、左彈性支撐元件204、右彈性支撐元件205、底部支撐橫桿206、左支撐豎桿301、右支撐豎桿302、支撐面板304、左弧形支撐桿401、右弧形支撐桿402、胸前懸掛桿403、懸掛裝置5、執(zhí)行機構6、足部耦合裝置701、小腿耦合裝置702、大腿耦合裝置703、第一髖部耦合裝置704、第二髖部耦合裝置705、第三髖部耦合裝置706、第一背部耦合裝置707、第二背部耦合裝置708。具體實施方式在太空探索中，宇航員需要在多種復雜地形或環(huán)境下攜帶大量設備和標本進行長時間、大范圍地進行作業(yè)，因此，靈活、安全、長時、大范圍運動能力成為完成太空作業(yè)的重要保障，現(xiàn)有技術多從減輕宇航服重量，改進宇航服結構入手，實現(xiàn)節(jié)約宇航員的體力，進而保證宇航員的行進速度、活動范圍和機動能力，但受限于宇航服需要完成的功能及太空任務的需求，采用這些方法效果不明顯，因此，本發(fā)明提供了一種新的太空運動輔助方法。具體采用如下方式實現(xiàn)：在宇航服上耦合外骨骼系統(tǒng)，該外骨骼系統(tǒng)包括仿形機械結構、人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和能源動力系統(tǒng)，通過人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)或運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信息處理后發(fā)送指令給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構驅動仿形機械結構輔助支撐宇航員負重或為宇航員的動作提供助力。通過在宇航服上耦合仿形機械結構、人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和能源動力系統(tǒng)實現(xiàn)，通過人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)和運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信息處理后發(fā)送指令給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構驅動仿形機械結構輔助支撐宇航員負重或為宇航員的動作提供助力，大大降低了宇航員的能量消耗，進而提高宇航員承載能力、上下肢運動能力和信息處理能力，增強宇航員惡劣環(huán)境適應能力，輔助宇航員完成各種空間作業(yè)，而且仿形機械結構還可以保護宇航員身體，與宇航服形成雙重保護，避免宇航員受到損傷。本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述方法的太空運動輔助裝置，如圖1所示，該太空運動輔助裝置，包括仿形機械結構和用于將仿形機械結構與宇航服耦合在一起的耦合組件，所述仿形機械結構包括下肢結構、髖部結構，所述下肢結構包括左腿結構與右腿結構，所述左腿結構與右腿結構均包括仿人體大腿結構101、小腿結構102和足部結構103，所述大腿結構101與小腿結構102通過膝關節(jié)104相連，所述小腿結構102與足部結構103通過踝關節(jié)105相連；所述髖部結構與左腿結構、右腿結構分別通過髖關節(jié)201相連所述髖關節(jié)201、膝關節(jié)104上均安裝有執(zhí)行機構6，還包括人機接口系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及給人機接口系統(tǒng)、執(zhí)行機構6、控制系統(tǒng)提能源動力的能源動力系統(tǒng)，人機接口系統(tǒng)基于無重力環(huán)境下人體運動動力學特征、微重力環(huán)境下人體運動動力學特征、月面重力環(huán)境下人體運動動力學特征、火星重力環(huán)境下人體運動動力學特征劃分運動步態(tài)，感知航天員的運動狀態(tài)、運動意圖并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息確定髖關節(jié)201、膝關節(jié)104的力矩、阻尼、角度、角速度，并發(fā)送指令給執(zhí)行機構6，執(zhí)行機構6驅動髖關節(jié)201、膝關節(jié)104進行關節(jié)運動或在關節(jié)處提供阻尼。在上述結構中，所述髖部結構的具體構成如下：所述髖部結構包括左側面支撐桿202、右側面支撐桿203、底部支撐橫桿206，所述左側面支撐桿202的前端與左腿結構的大腿結構101頂端、右側面支撐桿203的前端與右腿結構的大腿結構101頂端均通過髖關節(jié)201相連，底部支撐橫桿206左端與左側面支撐桿202固定連接，右端與右側面支撐桿203固定連接。該髖部結構構成簡單，加工方便，且支撐效果較好。進一步的是，所述髖部結構還包括左彈性支撐元件204與右彈性支撐元件205，所述左彈性支撐元件204一端固定在左側面支撐桿202上，另一端固定在左腿結構的大腿結構101上，所述右彈性支撐元件205一端固定在右側面支撐桿203上，另一端固定在右腿結構的大腿結構101上。當豎直向下方向力量過大時，左彈性支撐元件204與右彈性支撐元件205能夠提供阻尼，且阻尼的大小與豎直向下方向力量的大小和速度有關，同時在周期性的髖部運動中，左彈性支撐元件204與右彈性支撐元件205能夠為大腿結構101運動提供旋轉動力。為了提高仿形機械結構的支撐效果，所述仿形機械結構還包括背部支撐結構，所述背部支撐結構包括左支撐豎桿301與右支撐豎桿302，所述左支撐豎桿301的下端固定在左側面支撐桿202上，所述右支撐豎桿302的下端固定在右側面支撐桿203上，該背部支撐結構構成簡單，加工方便。為了進一步增強背部支撐結構的支撐效果，所述背部支撐結構還包括支撐面板304，所述支撐面板304的兩側分別通過可調(diào)長度的懸掛結構固定在左側面支撐桿202的末端和右側面支撐桿203的末端，所述支撐面板304可以是平板、絲網(wǎng)等。所述可調(diào)長度的懸掛結構可以掛繩、絲扣等結構。所述的左右側面支撐桿可通過安裝延伸桿向后延伸長度。為了進一步提高仿形機械結構的負載能力，所述仿形機械結構還包括前胸負載結構，所述前胸負載結構包括左弧形支撐桿401與右弧形支撐桿402，所述左弧形支撐桿401通過鉸接結構固定在左支撐豎桿301的上端，右弧形支撐桿402通過鉸接結構固定在右支撐豎桿302的上端，所述左弧形支撐桿401與右弧形支撐桿402的自由端通過胸前懸掛桿403相連。該前胸負載結構構成簡單，加工方便，且負載效果較好，而且將左弧形支撐桿401通過鉸接結構固定在左支撐豎桿301的上端，將右弧形支撐桿402通過鉸接結構固定在右支撐豎桿302的上端，可以自由的調(diào)整左弧形支撐桿401與左支撐豎桿301之間的角度、右弧形支撐桿402與右支撐豎桿302之間的角度。為了便于懸掛各種測量設備、實驗樣本等，所述左支撐豎桿301、右支撐豎桿302、胸前懸掛桿403上均設置有能夠懸掛物體的懸掛裝置5，所述懸掛裝置5可以是狗扣、鎖扣等。為了保證仿形機械結構能夠與宇航服以及宇航員牢固的結合在一起，所述耦合組件包括設置在足部結構103上的足部耦合裝置701、設置在小腿結構102上的小腿耦合裝置702、設置在大腿結構101上的大腿耦合裝置703、設置在左側面支撐桿202內(nèi)側和右側面支撐桿203內(nèi)側的第一髖部耦合裝置704、設置在左側面支撐桿202前端和右側面支撐桿203前端的第二髖部耦合裝置705、設置在底部支撐橫桿206上的第三髖部耦合裝置706、設置在左支撐豎桿301內(nèi)側和右支撐豎桿302內(nèi)側的第一背部耦合裝置707、設置在左支撐豎桿301中部和右支撐豎桿302中部的第二背部耦合裝置708；所述足部耦合裝置701、小腿耦合裝置702、大腿耦合裝置703可以采用C形環(huán)、綁帶或環(huán)扣等多種固定件，所述第一髖部耦合裝置704一般與宇航服腰部的硬性結構相連，通常采用插銷、環(huán)扣或鉚釘結構等各種固定件相連，所述第二髖部耦合裝置705可以為腰帶，將腰帶分成兩段分別固定在左側面支撐桿202前端和右側面支撐桿203前端，使用時直接扣合即可，所述扣合方式可以采用紐扣、魔術貼、插銷等方式實現(xiàn)，所述第三髖部耦合裝置706、第一背部耦合裝置707一般與宇航服的硬性結構相連，通常采用插銷、環(huán)扣或鉚釘結構等各種固定結構相連，所述第二背部耦合裝置708可以為束帶或條帶等，可分別固定于前胸和后背。為了保證全面地感知宇航員的運動狀態(tài)、運動意圖和生理心理狀態(tài)，所述人機接口系統(tǒng)包括信息感知設備、輸入輸出設備、信息傳輸網(wǎng)絡、信息處理部件，所述信息感知設備包括壓力傳感器、慣性傳感器、關節(jié)編碼器、接觸式應變片、光纖傳感器、肌電傳感器、腦電傳感器、位移傳感器，旋轉編碼器、壓力開關、測距傳感器，所述輸入輸出設備包括鍵盤、麥克風、耳機、表情識別系統(tǒng)、眼球跟蹤系統(tǒng)。人機接口系統(tǒng)根據(jù)各傳感器和輸入輸出設備的信息，根據(jù)重力環(huán)境特征，對宇航員各種動作步態(tài)進行機器自學習，實時預測宇航員的運動意圖，感知宇航員的運動狀態(tài)和生理心理狀態(tài)以及環(huán)境信息，并實時傳輸給控制系統(tǒng)。為了精確控制膝關節(jié)104與髖關節(jié)201的關節(jié)運動，所述執(zhí)行機構6采用電動舵機系統(tǒng)，電動舵機系統(tǒng)負載能力強，轉速高，響應快，可實現(xiàn)精確控制。電動舵機系統(tǒng)主要包括：舵機控制器、驅動電路（內(nèi)含脈寬調(diào)制PWM生成）、伺服電機、諧波減速器等?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)各關節(jié)旋轉角度、旋轉角速度、關節(jié)力矩以及機械結構末端位移、線速度和加速度等反饋信息，通過設計的閉環(huán)反饋控制律給出脈寬調(diào)制PWM控制指令，驅動執(zhí)行機構帶動仿形結構。另外，太空運動輔助裝置中的各部件，以及宇航服中的各部件均通過公用信息網(wǎng)絡，相互發(fā)送和接收信息。公用信息網(wǎng)絡的通信協(xié)議可采用CAN或Zigbee。最后，控制系統(tǒng)是根據(jù)無重力環(huán)境下運動動力學特征、微重力環(huán)境下運動動力學特征、月面重力環(huán)境下運動動力學特征、火星重力環(huán)境下運動動力學特征分別針對行走、跳躍、抓舉等多種太空動作，將動作分解為關節(jié)在各自由度上的轉動，并建立對應的關節(jié)角度、關節(jié)角速度、關節(jié)力矩等在太空運動中隨時間變化的規(guī)律數(shù)據(jù)庫，作為反饋控制系統(tǒng)的期望輸入信號，根據(jù)人機接口系統(tǒng)感知宇航員的運動狀態(tài)或運動意圖，選擇數(shù)據(jù)庫中的期望輸入信號，通過設計的協(xié)同控制律驅動關節(jié)的執(zhí)行機構工作，達到在太空運動中，輔助支撐宇航員負重或為宇航員的動作提供助力的目的。