下肢微重力模拟外骨骼系统的研究

针对悬吊式微重力环境模拟系统无法补偿人体下肢重力负荷的不足,设计了用于补偿人体下肢重力负荷的外骨骼系统。外骨骼系统采用被动重力补偿方法实现对下肢的重力补偿,能够对重力补偿水平进行调节控制。根据重力补偿原理,采用刚度矩阵法,对重力补偿设计公式进行推导,建立弹簧参数与系统几何惯性参数之间的关系。研究分析重力补偿对人体下肢系统动力学性能的影响,最后利用ADAMS软件对下肢系统模型进行仿真,仿真结果验证了外骨骼系统重力补偿原理和设计公式的正确性以及在实际运用中的可行性和合理性。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

一种无源被动式人体低重力模拟系统的力学性能仿真分析

针对未来登陆月球或火星的航天员在地面进行低重力模拟训练的需要,设计了一种采用被动重力平衡技术的人体低重力模拟外骨骼系统,利用弹簧平行四边形机构实现对人体重力的补偿。首先,基于势能守恒原理设计了躯干重力平衡外骨骼和下肢重力平衡外骨骼;然后,通过人体生物力学仿真软件对外骨骼系统进行了仿真分析,分别在月球环境和地面穿戴外骨骼环境下进行了搬运重物和步行运动,并对比了运动时的地面反作用力、肌肉力等数据。仿真结果表明：该人体低重力模拟系统可以使受训者的关节和肌肉感受到失去部分重力载荷,能够较为准确地模拟低重力环境下的运动效果,具有可行性。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

水槽训练航天服中性浮力配平方法

实现水槽训练航天服的中性浮力状态是在水槽中实施航天员出舱活动程序训练的前提条件。针对引进的俄罗斯水槽训练航天服配重分布特点,结合在俄罗斯受训体会及两次大型水下试验的摸索,提出水槽训练航天服中性浮力配平目标及实施方法。     

用于微低重力模拟装置的主动补偿控制方法

针对一类微低重力模拟装置因惯性力和弹簧重力导致模拟精度受限的问题,研究采用主动补偿装置改善模拟精度的控制方法。基于势能守恒原理和第二类Lagrange方程建立了考虑弹簧重力的动力学模型,采用三阶观测器对模拟装置内的关节速度、加速度进行观测,两者结合给出了弹簧重力及系统惯性力补偿模型。以某微低重力模拟装置为应用对象,在模拟月球重力环境下的跳跃试验中验证补偿策略的有效性。试验结果表明：该补偿方法能够有效提高微低重力模拟装置运动过程中的失重模拟精度。     

悬吊式微低重力环境模拟技术研究现状与展望

宇航空间中的微低重力环境使得所处其中的航天器和宇航员表现出与在地面重力环境下不同的受力状态和动态性能,因此需要在地面对这种微低重力环境进行模拟。综述了目前常用的几种微低重力模拟方法,其中悬吊法因为模拟时间长、模拟范围大、不引入附加惯量的优势被广泛采用。从微低重力模拟原理角度对现有的悬吊式微低重力模拟系统研究成果进行了分类和国内外研究现状的综述。根据微低重力模拟的需求归纳了悬吊式微低重力模拟系统的2条设计准则和3个关键技术,详细综述了这3个关键技术的研究现状。探讨了未来悬吊式微低重力模拟系统设计方面和3个关键技术方面的发展趋势。     

虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。     

模拟不同重力水平下多种步态中下肢关节运动特征研究

为探索低重力环境对人体行走和跑步时下肢关节运动特性的影响,搭建了一种悬吊式低重力模拟装置,采用惯性运动捕捉系统,对9名男性受试者在常规重力(1g)、模拟火星重力(1/3g)和模拟月球重力(l/6g)条件下的平地行走(速度4 km/h)、平地慢跑(速度7 km/h)和坡地行走(速度3.6 km/h、坡度15°)进行运动测量,得到了不同重力水平下平地与坡地行走和跑步时髋、膝与踝关节的关节活动范围等运动学数据。结果表明,下肢各关节在矢状面上的屈曲/伸展活动范围远大于冠状面的内收/外展和横截面上的内旋/外旋活动。模拟低重力条件下,髋关节和膝关节在各个平面上的活动范围均明显减小,踝关节活动角度无显著变化规律。通过分析一个步态周期内各关节在矢状面上的角度变化发现,低重力条件下,步态运动的支撑时相变短,摆动时相变长,步态更加缓慢,且倾向于采用一种行走-蹦跳的步态策略。基于以上实验结果,梳理出了满足平地与坡地多种步态需求的下肢关节活动范围,并对星际航天服下肢关节配置进行了初步讨论。     

水下训练服中性浮力姿态的一种量化测试方法

出舱活动模拟失重试验和训练中,复杂作业时需要水下训练服的姿态在直立位、水平位之间调整,由于缺乏对服装中性浮力姿态的定量描述,通常情况下配平难以达到模拟在轨失重状态时姿态大范围变化要求。分析了水下训练服的姿态及其受力关系,总结了水下训练服中性浮力姿态描述的定量指标,提出了一种姿态测试方法,设计并研制了一套姿态测试系统,并对水下训练服进行实际测试。结果表明：该指标可有效描述水下训练服的中性浮力配平姿态,提高配平效果。该指标也适用于其他水下中性浮力设备。