一种主被动混合驱动自适应重力卸载宇航员地面训练系统

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，具体涉及一种主被动混合驱动自适应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。

技术实现要素：

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混合驱动自适应重力卸载宇航员地面训练系统，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：一种主被动混合驱动自适应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自适应重力卸载系统组成。

所述桁车二自由度运动平台由导轨一，桁车驱动器一，导轨二，桁车驱动器二组成，安装在桁架结构上，其作用是为自适应重力卸载系统提供在水平面内的二自由度大范围运动；所述导轨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；所述导轨二两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。

所述自适应重力卸载系统由伺服转台，主动恒力系统，被动自适应悬吊系统组成，通过螺栓安装在桁车二自由度运动平台上，其作用是为人体提供竖直方向的大范围运动以及躯干、四肢、头部的空间姿态调整。

所述伺服转台，主体为扁平圆柱体，通过顶的部法兰装配在桁车二自由度运动平台底部，在驱动系统的控制下可绕偏平圆柱体轴线转动，轴线垂直于水平面，其作用是为主动恒力系统以及被动自适应悬吊系统7提供在水平面内的转动自由度。

所述主动恒力系统，由连接器，主动伺服系统，被动恒力系统一，动滑轮，主吊索组成，通过连接器顶部的法兰装配在伺服转台底部，其作用是通过主吊索为被动自适应悬吊系统提供竖直向上的恒力以及在竖直方向上的大范围运动。

所述由连接器，主体为顶部设计有法兰，底部设计有螺纹接口的板筋焊接框架结构，其作用是连接主动伺服系统，被动恒力系统一，并保证主动伺服系统，被动恒力系统一的相对位置不变。

所述主动伺服系统，由连接支架二、相机、直角变速器、齿轴二、螺纹补偿环、卷筒二、副吊索三组成。所述连接支架二主体为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连接支架二上，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二，用于与卷筒二中心的齿环配合，通过齿轴二驱动卷筒二转动，同时卷筒沿着齿轴二上的滑槽沿轴线方向直线滑动；所述卷筒二中心设计有与齿轴二相配合的齿环结构，用于与齿轴二配合传递扭矩，卷筒二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二根部连接固定，与齿轴二同轴配合，内部螺纹用于与卷筒二的内侧转轴外表面螺纹配合；所述副吊索三缠绕在卷筒二上，通过卷筒的转动实现对副吊索三的收放；由于卷筒二在收放副吊索三时，绕在卷筒二上的副吊索三圈数会发生变化，所以副吊索三竖直部分相对于卷筒二的位置会沿着齿轴二轴线方向偏移。因此，本发明通过螺纹补偿环内部螺纹与卷筒二的内侧转轴外表面的螺纹配合，使卷筒二在转动过程中沿着齿轴二轴线微动，实现对副吊索三的位置补偿，确保副吊索三竖直部轴心线与连接支架二顶端螺纹副轴线始终重合；所述相机安装在连接支架二底部，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。主动伺服系统通过连接支架二顶部的螺栓与连接器底部螺纹接口配合，安装在连接器底部。

所述被动恒力系统一，由直线轴承，滑轨，限位块，连接器，固定板，气缸，双槽动滑轮，钢索，凸轮组，行星变速器，卷筒一，连接支架一组成。所述直线轴承装配在滑轨上，可沿滑轨直线运动形成直线滑动副，滑轨底端安装在连接支架一的矩形槽内，槽的一侧设计有对应的安装板，安装板上设计有与滑轨上螺孔对应的安装孔，通过螺栓将滑轨与连接支架一连接固定；所述限位块安装在滑轨的顶端用于限制直线轴承沿滑轨运动的范围，防止直线轴承脱落；所述连接器，主体为u型框架结构，通过螺栓安装在直线轴承上，端面设计有轴，用于安装双槽动滑轮；所述固定板主体结构为中间设计由圆孔的矩形板，采用螺栓装配在连接器的底部，用于安装气缸；所述气缸缸体通过颈部的螺栓结构装配在固定板上，可随着直线轴承沿滑轨上下直线运动，气缸活塞杆通过铰链装配在连接支架一上，气缸为直线轴承提供了一个向上的推力；所述双槽动滑轮，为具有两个环形槽的滑轮，各个环形槽可分别容纳一根钢索，双槽动滑轮安装在连接器的端部的轴上，可绕此轴轴心线自由转动；所述行星变速器通过螺栓安装在连接支架一的底部；所述凸轮组由凸轮一和凸轮二构成，固定安装在行星变速器的短轴上，可随着短轴转动，凸轮一和凸轮二的边缘设计由线槽用于容纳钢索；所述钢索共两条，两端分别与双槽动滑轮和凸轮组的凸轮一、凸轮二固定连接；所述卷筒一为中心带有齿环的卷筒结构，其通过中心的齿环与行星变速器的齿轴一配合装配在齿轴一上，通过齿轴一驱动卷筒一转动的同时，卷筒一可沿齿轴一的键槽在齿轴一的轴心线滑动；卷筒一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行星变速器的齿轴一根部连接固定，与齿轴一同轴配合，内部螺纹用于与卷筒一的内侧转轴外表面螺纹配合；所述副吊索三两端分别缠绕在卷筒一和卷筒二上，通过卷筒一和卷筒二的转动实现对吊索的收放。被动恒力系统一通过连接支架一顶部的连接螺杆与连接器底部螺纹接口配合，安装在连接器底部。

所述被动恒力系统一工作原理如下：气缸的推力迫使直线轴承沿滑轨向上运动，推动双槽动滑轮远离凸轮组，使缠绕在双槽动滑轮和凸轮组上的柔性钢索张紧，并使钢索产生一定的拉力。由于双槽动滑轮为等半径滑轮且可自由转动，由力矩平衡原理可知其左右两侧的钢索所产生的拉力相等；凸轮组内的凸轮一和凸轮二边缘的线槽为半径不等的曲线轮廓，双槽动滑轮两侧的钢索分别缠绕在凸轮一和凸轮二的线槽内；通过对凸轮一和凸轮二边缘的曲线轮廓进行设计，控制缠绕在凸轮一和凸轮二上的钢索中心线到凸轮组的转轴轴线的距离。由于凸轮一和凸轮二相互独立边缘的曲线轮廓互不干扰，可分别灵活控制缠绕在凸轮一和凸轮二上的钢索中心线到凸轮组的转轴轴线的距离。因为两条钢索的提供的拉力相等，所以当缠绕在凸轮一和凸轮二上的钢索中心线到凸轮组的转轴轴线的距离不等时，由力矩平衡原理可知凸轮组将会在行星变速器短轴上产生驱动扭矩；因此对凸轮一和凸轮二边缘的曲线轮廓进行优化设计，可使凸轮组在行星变速器短轴上产生恒定不变驱动扭矩。凸轮组短轴端输入恒定的驱动力矩通过行星减速机将转动形成放大后通过齿轴一驱动卷筒一转动实现对副吊索三的收放。由于卷筒一在收放副吊索三时，绕在卷筒一上的副吊索三圈数会发生变化，所以同样存在副吊索三竖直部分相对于卷筒一的位置会沿着齿轴一轴线方向偏移的问题。因此，本发明采用了与主动伺服系统相同的方法，通过螺纹补偿环内部螺纹与卷筒一的内侧转轴外表面的螺纹配合，使卷筒一在转动过程中沿着齿轴一轴线微动，实现对副吊索三的位置补偿，确保副吊索三竖直部轴心线与连接支架一的螺纹杆轴线始终重合。这使得在副吊索三的拉力与连接支架一的螺纹杆同轴，不会引发多余的装配力矩。因此被动恒力系统一通过卷筒一对副吊索三的收放在副吊索三的竖直部分提供了一个可大范围移动的恒定拉力。

所述气缸的驱动分为纯被动式驱动、主被动混合驱动两种模式。其中纯被动式驱动模式为将气缸的气体回路彻底关闭，使其成为一个纯被动的气弹簧，气缸活塞杆往复运动过程中缸体内气体总量不变，通过气缸控制封闭空间内的气体的总量，可使气缸活塞杆往复运动过程中，气缸活塞杆运动到相同位置时缸体内气体压力成线性比例变化，进而实现对被动恒力系统一输出的恒拉力大小进行调节。主被动混合驱动模式气缸的气体回路没有被彻底关闭，在纯被动式驱动模基础上，对气缸活塞杆往复运动过程中缸体内气体总量进行少量的添加或减少，从而克服被动系统中摩擦力对系统输出恒力的影响，进一步提高副吊索三的恒力输出精度。

所述动滑轮，装配在主动伺服系统和被动恒力系统一所驱动的副吊索三上所述主吊索装配在动滑轮底部用于为被动自适应悬吊系统提供竖直向上的恒定补偿力；

所述主动恒力系统的工作原理如下：动滑轮装配在副吊索三上，副吊索三两端分别缠绕在主动伺服系统、被动恒力系统一的卷筒一、卷筒二上，由主动伺服系统，被动恒力系统一共同驱动；被动恒力系统一通过自身凸轮组实现了恒定扭矩的输出，在卷筒一上施加恒定驱动扭矩，进而在有效行程内维持副吊索三的拉力恒定不变；动滑轮上下运动过程中被动恒力系统一保证了副吊索三的拉力恒定，进而保证了装配在动滑轮下端的主吊索的拉力恒定；主动伺服系统通过自身的动力系统驱动卷筒二对副吊索三进行收放，将被动恒力系统一的卷筒一的旋转始终维持在在有效行程内，弥补了被动恒力系统一恒力补偿行程有限的问题。实现对主吊索提供了在竖直方向上的大范围运动，同时保持了竖直向上的力恒定不变。主动伺服系统底部的相机可对卷筒二对应的副吊索三相对于水平面的倾角进行实时监测，以保持副吊索三相对于水平面竖直为目标，通过控制系统驱动桁车驱动器一、桁车驱动器二、伺服转台，实现大范围二自由度平动及在水平面内的自由转动。

所述被动自适应悬吊系统，主要由被动随动系统、被动恒力系统二、人机连接系统三部分构成，主要作用是分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时实现人体多姿态，多运动模式训练的运动需求。

所述被动随动系统，是由零刚度平行四边形支架不断串联构成的树型可动框架结构；所述平行四边形支架由顶部球铰链，平行四边形机构，弹簧，内螺纹杆，丝杠，底端球铰链，连接吊索构成。所述顶部球铰链位于零刚度平行四边形支架顶部，用于与上一级零刚度平行四边形支架的底端球铰链连接构成树型结构；所述弹簧安装在平行四边形机构内构成了零刚度平行四边机构，两个这样的零刚度平行四边机构共同构成了零刚度平行四边形支架主体框架；所述内螺纹杆通过螺栓固定在零刚度平行四边形支架主体框架底部；所述丝杠通过螺纹副装配在内螺纹杆的内部，丝杠末端设计有底端球铰链，用于连接副吊索四。

所述被动恒力系统二采用了与被动恒力系统一相同结构，通过连接螺杆顶部的球副与零刚度平行四边形支架的底端球铰链配合，装配在丝杠末端，主要作用是为副吊索一提供恒定拉力。

所述人机连接系统由躯干连接机构、万向人机连接器组成，所述躯干连接机构由平衡梁，副吊索二，固定圈组成，两两之间均采用球铰连接，使躯干可进行空间三自由度转动；所述万向人机连接器由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向旋转机构；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。

所述被动自适应悬吊系统工作原理如下：零刚度平行四边形支架两侧的底端球铰链分别装配有被动恒力系统二，如图5所示，在零刚度平行四边形支架两侧的副吊索一中产生大小不等恒定的拉力f2、f1；通过对零刚度平行四边形支架两侧的装配的弹簧刚度进行优化配置可在分别底端球铰链处在竖直方向上提供与两端副吊索一大小相等方向相反的恒定拉力-f2、-f1，使整体在竖直方向上达到平衡状态。通过转动内螺纹杆内的丝杠，调节两侧副吊索一到零刚度平行四边形支架转心的力臂，达到力矩平衡，即f2·d2＝f1·d1；当零刚度平行四边形支架两侧副吊索一所连接的重力补偿目标发生相对运动时会引发两侧副吊索一左右摆动，当副吊索一向左摆动到达f1-l时，对应的力臂为d1-l，由几何关系可知d1-l＞d1，由于被动恒力系统二保持了副吊索一的拉力不变，所以f1-l＝f1；则：f1-l·d1-l＞f1·d1；因此，此时无法到力矩平衡条件，丝杠将顺时针旋转使副吊索一重新调整到到竖直状态，达到新的平衡；当副吊索一向右摆动到达f1-r时，对应的力臂为d1-r，由几何关系可知d1-r＜d1，由于被动恒力系统二保持了副吊索一的拉力不变，所以f1-r＝f1；则：f1-r·d1-r＜f1·d1；因此，此时无法到力矩平衡条件，丝杠将逆时针旋转使副吊索一重新调整到到竖直状态，达到新的平衡。基于以上调节原理，采用多个零刚度平行四边形支架不断串联构成的树型可动框架结构，在最底层装配被动恒力系统二后，即可实现分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时实现吊索对躯干、四肢、头部的跟随运动，最终将所有载荷汇集到主吊索上，使主吊索的轴心线始终通过人体的中心，避免了现有悬吊技术中吊索对人体空间三自由度姿态调整的力矩干扰，转动满足人体多姿态、多运动模式训练的运动需求。

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、本发明一种主被动混合驱动自适应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与自适应重力卸载系统。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；所述自适应重力卸载系统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，以及人体自身的躯干、四肢、头部的小范围的姿态调整；采用多级运动平台配合的运动模式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，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、本发明的自适应重力卸载系统，其特征还在于，包括伺服转台，主动恒力系统，被动自适应悬吊系统；所述伺服转台，装配在桁车二自由度运动平台底部，为主动恒力系统以及被动自适应悬吊系统提供了在水平面内的转动自由度。所述主动恒力系统，由连接器，主动伺服系统，被动恒力系统一，动滑轮，主吊索组成，通过连接器顶部的法兰装配在伺服转台底部，通过主吊索为被动自适应悬吊系统提供竖直向上的恒力以及在竖直方向上的大范围运动；所述所述被动自适应悬吊系统，主要由被动随动系统、被动恒力系统二、人机连接系统三部分构成，分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时实现人体多姿态，多运动模式训练的运动需求；自适应重力卸载系统整体通过树形分叉的方式将集中载荷逐步分散成多点对人体躯、干四肢、头部等构成的多体系统实时分布重力补偿，实现了多运动模式、高仿真、高沉浸感的微低重力模拟训练需求。

3、本发明的主动恒力系统，其特征还在于，动滑轮装配在副吊索三上，副吊索三两端分别缠绕在主动伺服系统、被动恒力系统一的卷筒一、卷筒二上，由主动伺服系统，被动恒力系统一共同驱动；被动恒力系统一使其卷筒一在有效行程内维持副吊索三的拉力恒定不变；主动伺服系统的卷筒二对副吊索三进行收放，将被动恒力系统一的卷筒一的旋转始终维持在在有效行程内，弥补了被动恒力系统一恒力补偿行程有限的问题；两者相互配合实现了主吊索在竖直方向上的大范围运动，同时保持了竖直向上的力恒定不变。

4、本发明的主动恒力系统中的主动伺服系统底部的相机可对卷筒二对应的副吊索三相对于水平面的倾角进行实时监测，以保持副吊索三相对于水平面竖直为目标，通过控制系统驱动桁车驱动器一、桁车驱动器二、伺服转台，实现大范围二自由度平动及在水平面内的自由转动，消除了由于常规悬吊系统中吊索两端相对转动导致内部的力矩积累的现象。

5、本发明的主动恒力系统的被动恒力系统一，采用凸轮一和凸轮二构成的凸轮组通过两根钢索牵引双槽动滑轮的方式压缩气缸实现恒定扭矩输出；驱动行星变速器将行程放大，通过卷筒一对副吊索三的收放实现大行程的被动恒力补偿。

6、本发明的被动恒力系统一中的气缸驱动方法可有纯被动式驱动、主被动混合驱动两种模式；其中纯被动式驱动模式是将气缸的气体回路彻底关闭，使其成为一个纯被动的气弹簧，气缸活塞杆往复运动过程中缸体内气体总量不变，通过气缸控制封闭空间内的气体的总量，可使气缸活塞杆往复运动过程中，气缸活塞杆运动到相同位置时缸体内气体压力成线性比例变化，进而实现对被动恒力系统一输出的恒拉力大小进行调节；主被动混合驱动模式气缸的气体回路没有被彻底关闭，在纯被动式驱动模基础上，对气缸活塞杆往复运动过程中缸体内气体总量进行少量的添加或减少，从而克服被动系统中摩擦力对系统输出恒力的影响，进一步提高副吊索三的恒力输出精度。

7、本发明得到被动随动系统的主体为采用多个零刚度平行四边形支架不断串联构成的树型可动框架结构，在最底层零刚度平行四边形支架两侧的底端球铰链分别装配有被动恒力系统二，在零刚度平行四边形支架两侧的副吊索一中产生大小不等恒定的拉力；分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时通过力矩平衡原理实现吊索对躯干、四肢、头部的跟随运动，最终将所有载荷汇集到主吊索上，使主吊索的轴心线始终通过人体的中心，避免了现有悬吊技术中吊索对人体空间三自由度姿态调整的力矩干扰。

附图说明

图1是本发明的总体结构原理图；

图2是本发明的局部运动系统结构原理图一；

图3是本发明的局部运动系统结构原理图二；

图4是本发明的躯干悬吊系统示意图；

图5是本发明被动自适应随动系统零刚度平行四边形随动单元结构示意图；

图6是本发明主动恒力系统驱动原理示意图；

图7是本发明被动恒力系统驱动原理示意图一；

图8是本发明被动恒力系统驱动原理示意图二；

图9是本发明主动伺服系统驱动原理示意图；

图10是本发明主动伺服系统爆炸图；

图11是本发明主动伺服系统驱动轴剖面图；

图12是本发明人体万向连接器结构示意图；

图13是本发明人体万向连接器爆炸图。

图中：1、导轨一，2、桁车驱动器一，2、导轨二，4、桁车驱动器二，5、伺服转台，6、主动恒力系统，7、被动自适应悬吊系统，8、人体，9、连接器，10、主动伺服系统，11、被动恒力系统一，12、动滑轮，13、主吊索，14、零刚度平行四边形支架，15、被动恒力系统二，16、副吊索一，17、万向人机连接器，18、球铰链，19、平衡梁，20、副吊索二，21、固定圈，22、相机，23、副吊索三，24、限位块，25、直线轴承，26、双槽动滑轮，27、钢索，28、连接铰链，29、凸轮组，30、气缸，31、连接器，32、连接螺杆，33、固定板，34、气缸活塞杆，35、卷筒一，36、齿轴一，37、行星变速器，38、连接支架一，39、滑轨，40、凸轮一，41、凸轮二，42、连接支架二，43、伺服电机，44、卷筒二，45、齿轴二，46、支教变速器，47、螺纹补偿环，48、齿环，49、拉力传感器，50、u形支架，51、外壳，52、轴承外圈，53、环形气囊，54、轴承，55、顶部球铰链，56、平行四边形机构，57、弹簧，58、内螺纹杆，59、丝杠，60、底端球铰链，61、副吊索四。

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所示，是本发明的总体结构原理图；本发明的主被动混合驱动自适应重力卸载宇航员地面训练系统，其特征于主体由桁车二自由度运动平台与自适应重力卸载系统组成。

所述桁车二自由度运动平台由导轨一1，桁车驱动器一2，导轨二3，桁车驱动器二4组成，安装在桁架结构上，其作用是为自适应重力卸载系统提供在水平面内的二自度大范围运动；所述导轨一1安装在桁架两侧横梁上；所述桁车驱动器一2安装在导轨一上，在自身电机的驱动下可沿导轨一1直线运动；所述导轨二3两端通过螺栓分别安装固定在两台桁车驱动器一2的底部，两台桁车驱动器一沿着导轨一1同步直线运动实现导轨二3的直线运动；所述桁车驱动器二4安装在导轨二3上，在自身电机的驱动下可沿导轨二3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。

如图2、图3所示，分别是本发明的局部运动系统结构原理图一、本发明的局部运动系统结构原理图一，所述自适应重力卸载系统由伺服转台5，主动恒力系统6，被动自适应悬吊系统7组成，通过螺栓安装在桁车二自由度运动平台上，其作用是为人体提供竖直方向的大范围运动以及躯干、四肢、头部的空间姿态调整。

所述伺服转台5，主体为扁平圆柱体，通过顶的部法兰装配在桁车二自由度运动平台底部，在驱动系统的控制下可绕偏平圆柱体轴线转动，轴线垂直于水平面，其作用是为主动恒力系统6以及被动自适应悬吊系统7提供在水平面内的转动自由度。

如图6所示，是本发明主动恒力系统6驱动原理示意图，所述主动恒力系统6，由连接器9，主动伺服系统10，被动恒力系统一11，动滑轮12，主吊索13组成，通过连接器9顶部的法兰装配在伺服转台5底部，其作用是通过主吊索13为被动自适应悬吊系统7提供竖直向上的恒力以及在竖直方向上的大范围运动。

所述由连接器9，主体为顶部设计有法兰，底部设计有螺纹接口的板筋焊接框架结构，其作用是连接主动伺服系统10，被动恒力系统一11，并保证主动伺服系统10，被动恒力系统一11的相对位置不变。

如图9、图10、图11所示，分别是本发明主动伺服系统驱动原理示意图、本发明主动伺服系统爆炸图、本发明主动伺服系统驱动轴剖面图；所述主动伺服系统10，由连接支架二42、相机22、直角变速器46、齿轴二45、螺纹补偿环47、卷筒二44、副吊索三23组成。所述连接支架二42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43和直角变速器46的连接固定，下端是带有螺纹孔的板状结构，用于安装相机22；所述伺服电机43、直角变速器46通过螺钉安装在连接支架二42上，伺服电机43为直角变速器46提供扭矩驱动其输出轴转动。所述直角变速器46的输出轴设计为带有六个滑槽的齿轴二45，用于与卷筒二44中心的齿环48配合，通过齿轴二45驱动卷筒二44转动，同时卷筒沿着齿轴二45上的滑槽沿轴线方向直线滑动；所述卷筒二44中心设计有与齿轴二45相配合的齿环48结构，用于与齿轴二45配合传递扭矩，卷筒二44的内侧转轴外表面带有螺纹用于与螺纹补偿环47内部螺纹配合；所述螺纹补偿环47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46的齿轴二45根部连接固定，与齿轴二45同轴配合，内部螺纹用于与卷筒二44的内侧转轴外表面螺纹配合；所述副吊索三23缠绕在卷筒二44上，通过卷筒的转动实现对副吊索三23的收放；由于卷筒二44在收放副吊索三23时，绕在卷筒二44上的副吊索三23圈数会发生变化，所以副吊索三23竖直部分相对于卷筒二44的位置会沿着齿轴二45轴线方向偏移。因此，本发明通过螺纹补偿环47内部螺纹与卷筒二44的内侧转轴外表面的螺纹配合，使卷筒二44在转动过程中沿着齿轴二45轴线微动，实现对副吊索三23的位置补偿，确保副吊索三23竖直部轴心线与连接支架二42顶端螺纹副轴线始终重合；所述相机安装在连接支架二42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。主动伺服系统10通过连接支架二42顶部的螺栓与连接器9底部螺纹接口配合，安装在连接器9底部。

如图7、图8所示，分别是本发明被动恒力系统驱动原理示意图一、本发明被动恒力系统驱动原理示意图二；所述被动恒力系统一11，由直线轴承25，滑轨39，限位块24，连接器31，固定板33，气缸30，双槽动滑轮26，钢索27，凸轮组29，行星变速器37，卷筒一35，连接支架一38组成。所述直线轴承25装配在滑轨39上，可沿滑轨39直线运动形成直线滑动副，滑轨39底端安装在连接支架一38的矩形槽内，槽的一侧设计有对应的安装板，安装板上设计有与滑轨39上螺孔对应的安装孔，通过螺栓将滑轨39与连接支架一38连接固定；所述限位块24安装在滑轨39的顶端用于限制直线轴承25沿滑轨39运动的范围，防止直线轴承25脱落；所述连接器31，主体为u型框架结构，通过螺栓安装在直线轴承25上，端面设计有轴，用于安装双槽动滑轮26；所述固定板33主体结构为中间设计由圆孔的34矩形板，采用螺栓装配在连接器31的底部，用于安装气缸30；所述气缸30缸体通过颈部的螺栓结构装配在固定板33上，可随着直线轴承25沿滑轨39上下直线运动，气缸活塞杆通过铰链装配在连接支架一38上，气缸30为直线轴承25提供了一个向上的推力；所述双槽动滑轮26，为具有两个环形槽的滑轮，各个环形槽可分别容纳一根钢索27，双槽动滑轮26安装在连接器31的端部的轴上，可绕此轴轴心线自由转动；所述行星变速器37通过螺栓安装在连接支架一38的底部；所述凸轮组29由凸轮一40和凸轮二41构成，固定安装在行星变速器37的短轴上，可随着短轴转动，凸轮一40和凸轮二41的边缘设计由线槽用于容纳钢索27；所述钢索27共两条，两端分别与双槽动滑轮26和凸轮组29的凸轮一40、凸轮二固定连接；所述卷筒一35为中心带有齿环的卷筒结构，其通过中心的齿环与行星变速器37的齿轴一36配合装配在齿轴一36上，通过齿轴一36驱动卷筒一35转动的同时，卷筒一35可沿齿轴一36的键槽在齿轴一36的轴心线滑动；卷筒一35的内侧转轴外表面带有螺纹用于与螺纹补偿环47内部螺纹配合；所述螺纹补偿环47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行星变速器37的齿轴一36根部连接固定，与齿轴一36同轴配合，内部螺纹用于与卷筒一35的内侧转轴外表面螺纹配合；所述副吊索三23两端分别缠绕在卷筒一35和卷筒二44上，通过卷筒一35和卷筒二44的转动实现对吊索的收放。被动恒力系统一11通过连接支架一38顶部的连接螺杆32与连接器9底部螺纹接口配合，安装在连接器9底部。

所述被动恒力系统一11工作原理如下：气缸30的推力迫使直线轴承25沿滑轨39向上运动，推动双槽动滑轮26远离凸轮组29，使缠绕在双槽动滑轮26和凸轮组29上的柔性钢索27张紧，并使钢索27产生一定的拉力。由于双槽动滑轮26为等半径滑轮且可自由转动，由力矩平衡原理可知其左右两侧的钢索27所产生的拉力相等；凸轮组29内的凸轮一40和凸轮二41边缘的线槽为半径不等的曲线轮廓，双槽动滑轮26两侧的钢索27分别缠绕在凸轮一40和凸轮二41的线槽内；通过对凸轮一40和凸轮二41边缘的曲线轮廓进行设计，控制缠绕在凸轮一40和凸轮二41上的钢索27中心线到凸轮组29的转轴轴线的距离。由于凸轮一40和凸轮二41相互独立边缘的曲线轮廓互不干扰，可分别灵活控制缠绕在凸轮一40和凸轮二41上的钢索27中心线到凸轮组29的转轴轴线的距离。因为两条钢索27的提供的拉力相等，所以当缠绕在凸轮一40和凸轮二41上的钢索27中心线到凸轮组29的转轴轴线的距离不等时，由力矩平衡原理可知凸轮组29将会在行星变速器37短轴上产生驱动扭矩；因此对凸轮一40和凸轮二41边缘的曲线轮廓进行优化设计，可使凸轮组29在行星变速器37短轴上产生恒定不变驱动扭矩。凸轮组29短轴端输入恒定的驱动力矩通过行星减速机37将转动形成放大后通过齿轴一36驱动卷筒一35转动实现对副吊索三23的收放。由于卷筒一35在收放副吊索三23时，绕在卷筒一35上的副吊索三23圈数会发生变化，所以同样存在副吊索三23竖直部分相对于卷筒一35的位置会沿着齿轴一36轴线方向偏移的问题。因此，本发明采用了与主动伺服系统10相同的方法，通过螺纹补偿环内部螺纹与卷筒一35的内侧转轴外表面的螺纹配合，使卷筒一35在转动过程中沿着齿轴一36轴线微动，实现对副吊索三23的位置补偿，确保副吊索三23竖直部轴心线与连接支架一38的螺纹杆32轴线始终重合。这使得在副吊索三23的拉力与连接支架一38的螺纹杆同轴，不会引发多余的装配力矩。因此被动恒力系统一11通过卷筒一35对副吊索三23的收放在副吊索三23的竖直部分提供了一个可大范围移动的恒定拉力。

所述气缸30的驱动分为纯被动式驱动、主被动混合驱动两种模式。其中纯被动式驱动模式为将气缸30的气体回路彻底关闭，使其成为一个纯被动的气弹簧，气缸活塞杆34往复运动过程中缸体内气体总量不变，通过气缸30控制封闭空间内的气体的总量，可使气缸活塞杆34往复运动过程中，气缸活塞杆34运动到相同位置时缸体内气体压力成线性比例变化，进而实现对被动恒力系统一11输出的恒拉力大小进行调节。主被动混合驱动模式气缸30的气体回路没有被彻底关闭，在纯被动式驱动模基础上，对气缸活塞杆34往复运动过程中缸体内气体总量进行少量的添加或减少，从未克服被动系统中摩擦力对系统输出恒力的影响，进一步提高副吊索三23的恒力输出精度。

所述动滑轮12，装配在主动伺服系统10和被动恒力系统一11所驱动的副吊索三23上所述主吊索13装配在动滑轮12底部用于为被动自适应悬吊系统7的竖直向上的恒定补偿力；

所述主动恒力系统6的工作原理如下：动滑轮12装配在副吊索三23，副吊索三23两端分别缠绕在主动伺服系统10、被动恒力系统一11的卷筒一35、卷筒二44上，由主动伺服系统10，被动恒力系统一11共同驱动；被动恒力系统一11通过自身凸轮组29实现了恒定扭矩的输出，在卷筒一35施加恒定驱动扭矩，进而在有效行程内维持副吊索三23的拉力恒定不变；动滑轮12上下运动过程中被动恒力系统一11保证了副吊索三23的拉力恒定，进而保证了装配在动滑轮12下端的主吊索13的拉力恒定；主动伺服系统10通过自身的动力系统驱动卷筒二44对副吊索三23进行收放，将被动恒力系统一11的卷筒一35的旋转始终维持在在有效行程内，弥补了被动恒力系统一11恒力补偿行程有限的问题。实现对主吊索13提供了在竖直方向上的大范围运动，同时保持了竖直向上的力恒定不变。主动伺服系统10底部的相机22可对卷筒二44对应的副吊索三23相对于水平面的倾角进行实时监测，以保持副吊索三23相对于水平面竖直为目标，通过控制系统驱动桁车驱动器一2、桁车驱动器二4、伺服转台5，实现大范围二自由度平动及在水平面内的自由转动。

如图2、图3、图4所示，分别是本发明的局部运动系统结构原理图一、本发明的局部运动系统结构原理图二、本发明的躯干悬吊系统示意图；所述被动自适应悬吊系统7，主要由被动随动系统、被动恒力系统二15、人机连接系统三部分构成，主要作用是分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时实现人体多姿态，多运动模式训练的运动需求。

所述被动随动系统，是由零刚度平行四边形支架14不断串联构成的树型可动框架结构；所述平行四边形支架14由顶部球铰链55，平行四边形机构56，弹簧57，内螺纹杆58，丝杠59，底端球铰链60，连接吊索61构成。所述顶部球铰链55位于零刚度平行四边形支架14顶部，用于与上一级零刚度平行四边形支架14的底端球铰链60连接构成树型结构；所述弹簧57安装在平行四边形机构56内构成了零刚度平行四边机构，两个这样的零刚度平行四边机构共同构成了零刚度平行四边形支架14主体框架；所述内螺纹杆58通过螺栓固定在零刚度平行四边形支架14主体框架底部；所述丝杠59通过螺纹副装配在内螺纹杆58的内部，丝杠59末端设计有底端球铰链60，用于连接副吊索四61。

所述被动恒力系统二15采用了与被动恒力系统一11相同结构，通过连接螺杆32顶部的球副与零刚度平行四边形支架14的底端球铰链60配合，装配在丝杠59末端，主要作用是为副吊索一16提供恒定拉力。

如图4、图12、图13所示，分别是本发明的躯干悬吊系统示意图、本发明人体万向连接器结构示意图、本发明人体万向连接器爆炸图；所述人机连接系统由躯干连接机构、万向人机连接器17组成，所述躯干连接机构由平衡19梁，副吊索二20，固定圈21组成，两两之间均采用球铰连接，使躯干可进行空间三自由度转动；所述万向人机连接器17由u形吊架50、壳体51、外轴承54、液环53组成；所述u形吊架50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54两侧的铰链配合；所述壳体51主体结构为空心圆柱体，用于为液环53提供外部约束；所述外轴承54安装在壳体51外侧，外环上设计有铰链，与u形吊架50铰接共同构成二自由度万向旋转机构；所述液环53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。

如图5所示，是本发明被动自适应随动系统零刚度平行四边形随动单元结构示意图；所述被动自适应悬吊系统7工作原理如下：零刚度平行四边形支架14两侧的底端球铰链60分别装配有被动恒力系统二15，如图5所示，在零刚度平行四边形支架14两侧的副吊索一16中产生大小不等恒定的拉力f2、f1；通过对零刚度平行四边形支架14两侧的装配的弹簧刚度进行优化配置可在分别底端球铰链60处在竖直方向上提供与两端副吊索一16大小相等方向相反的恒定拉力-f2、-f1，使整体在竖直方向上达到平衡状态。通过转动调节内螺纹杆58内的丝杠59，调节两侧副吊索一16到在零刚度平行四边形支架14转心的力臂，达到力矩平平衡，即f2·d2＝f1·d1；当零刚度平行四边形支架14两侧副吊索一16所连接的重力补偿目标发生相对运动时会引发两侧副吊索一16左右摆动，当副吊索一16向左摆动到达f1-l时，对应的力臂为d1-l，由几何关系可知d1-l＞d1，由于被动恒力系统二15保持了副吊索一16的拉力不变，所以f1-l＝f1；则：f1-l·d1-l＞f1·d1；因此，此时无法到力矩平衡条件，丝杠59将顺时针旋转使副吊索一16重新调整到到竖直状态，达到新的平衡；当副吊索一16向右摆动到达f1-r时，对应的力臂为d1-r，由几何关系可知d1-r＜d1，由于被动恒力系统二15保持了副吊索一16的拉力不变，所以f1-r＝f1；则：f1-r·d1-r＜f1·d1；因此，此时无法到力矩平衡条件，丝杠59将逆时针旋转使副吊索一16重新调整到到竖直状态，达到新的平衡。基于以上调节原理，采用多个零刚度平行四边形支架14不断串联构成的树型可动框架结构，在最底层装配被动恒力系统二15后，即可实现分别为人体躯干、四肢、头部提供垂直与水平面竖直向上的恒定的补偿力，同时实现吊索对躯干、四肢、头部的跟随运动，最终将所有载荷汇集到主吊索13上，使主吊索13的轴心线始终通过人体的中心，避免了现有悬吊技术中吊索对人体空间三自由度姿态调整的力矩干扰，转动满足人体多姿态，多运动模式训练的运动需求。

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。