一种模拟低重力环境下穿戴人员负载实验的装置的制作方法

本发明涉及航空实验模拟技术领域，更为具体地讲，是一种用于模拟在低重力环境下穿戴人员自身以及携带负载的情况。

技术背景

对于星表作业采集收集矿物等活动，要求穿戴人员能在低重力环境下能精确熟练的行走、使用工具、搬运负载等，在地面训练种通常使用失重飞行法或者水浮法来模拟低重力环境下状况，在这些地面训练方式下对于训练空间和时间有较大的限制，其中还有通过主动悬吊补偿重力方法，但对于负载控制系统复杂度高、难度大。如图1所示：本发明基于一种高稳定支架结构包括特殊滑轮组结构设计，以及对于穿戴人员外骨骼处符合人体需求的十一点悬挂点设计，提出一种被动重力补偿系统，在该装置设计下，各悬挂点间不会相互影响，同时提供独立的负载悬挂点，模拟穿戴人员搬运负载情况。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种整体结构简单、稳定性高、操作性简单、安全可靠的低重力环境下穿戴人员负载实验装置。在实验装置下能安全模拟低重力环境，穿戴人员行走以及搬运负载时状况。

本发明包括高稳定性支架结构、恒拉力装置、绳索、特殊动滑轮组件、水平移动调节平台、锁定装置、外骨骼十一悬挂点、安全防护装置，恒拉力装置固定在地面，在水平移动调节平台上有一组特殊动滑轮组，绳索起始段与恒拉力装置连接，经过高稳定性支架结构边缘特殊动滑轮和位于水平调节平台上特殊动滑轮组，连接至负载或者穿戴人员外骨骼装置，通过锁定装置锁定水平调节平台位置，以及通过锁定装置锁定悬挂点，在恒拉力装置处有安全防护装置，以保证物体不会突然坠落损耗以及保证测试人员安全。稳定性支架结构与恒拉力装置固定在地面，一组特殊动滑轮锁定在高稳定支架结构上方框架边缘，另一组特殊动滑轮锁定在水平移动调节平台，绳索通过两组特殊动滑轮，起始段连接恒拉力装置，恒拉力装置内部有减震弹簧，用于缓冲吊重运动冲击，减小恒拉力装置对人体肢体运动阻碍，绳索末端连接负载。高稳定支架结构，具有高稳定性特点，能正常搭载外骨骼的穿戴人员以及负载，不会影响穿戴人员运动。水平移动调节平台位于高稳定性支架结构上方，可在高稳定性支架结构上方在水平方向移动，通过锁定装置锁定水平方向位置。位于水平移动调节平台上的特殊动滑轮可沿水平移动调节平台轴向运动，位于高稳定性支架结构上方边缘上的特殊动滑轮可沿支撑杆件轴线运动，特殊动滑轮组件通过锁定装置固定在需要位置。通过水平移动调节平台以及位于其上的特殊动滑轮，按照外骨骼悬挂点构成十一点悬挂点，这些悬挂点从人体各关节平衡处出发，满足穿戴人员人体各种姿态需求，绳索起始段连接恒拉力装置，通过特殊动滑轮组件末端连接悬挂点。特殊动滑轮组件结构为椭圆形，通过电机调节旋转角度，以此影响从此通过的垂直绳索水平面上微小运动来使得绳索拉伸点跟随悬挂点运动。恒拉力装置分别提供外骨骼和穿戴人员以及实验负载相应悬挂力，以模拟在地球条件下穿戴人员在月球表面只有六分之一的重力情况。安全防护装置位于恒拉力装置，当绳索拉长超过一定范围或者绳索速度超过一定范围便会锁定绳索，防止悬挂装置掉落，保证实验穿戴人员负载安全。

本发明为解决以上问题所提供的技术方案是：一种模拟低重力环境下穿戴人员负载实验的装置，该装置包括：支架结构、绳索、恒拉力装置、水平移动调节平台、外骨骼；所述支架结构固定于地面上，恒拉力装置固定于支架结构尾部或前部；水平移动调节平台设置于支架结构顶部，支架结构顶部设置有导轨，水平移动调节平台可通过电机调节沿导轨水平移动，移动后通过固定装置固定；所述绳索一端连接恒拉力装置，绕过水平移动调节平台后另一端连接外骨骼，为外骨骼提供恒定的向上的拉力；所述支架结构位于恒拉力装置一侧的顶部末端设置有多个定滑轮，所述水平移动调节平台内设置有多个特殊动滑轮，特殊动滑轮个数与定滑轮个数相同；每个定滑轮对应一个特殊动滑轮，对应一条绳索，每一条绳索一端连接恒拉力装置依次绕过定滑轮、特殊动滑轮后连接外骨骼上的挂点,所述特殊动滑轮包括：转动杆、滑轮，所述转动杆一端铰接于水平移动调节平台上，另一端设置一个滑轮，通过额外的电机控制转动杆的转动角度，来前后轻微平移竖直方向的拉力位置。其中定滑轮依次与对应的特殊动滑轮配对，并且在同一平面上平行，可防止绳索间的缠绕，以减少摩檫力和干扰，为了减小由悬挂点微小运动导致垂直绳索不再垂直使得垂直方向恒拉力减小所带来的误差，因此通过椭圆形状的特殊动滑轮来进行微小的调节，以达到减小装置误差的目的。

一种模拟低重力环境下穿戴人员负载实验的装置，该装置包括：支架结构、绳索、恒拉力装置、水平移动调节平台、外骨骼；所述支架结构固定于地面上，恒拉力装置固定于支架结构尾部或前部；水平移动调节平台设置于支架结构顶部，支架结构顶部设置有导轨，水平移动调节平台可通过电机调节沿导轨水平移动，移动后通过固定装置固定；所述绳索一端连接恒拉力装置，绕过水平移动调节平台后另一端连接外骨骼，为外骨骼提供恒定的向上的拉力；所述支架结构位于恒拉力装置一侧的顶部末端设置有n个定滑轮，所述水平移动调节平台内设置有n个定滑轮和n个的特殊动滑轮，所述水平移动调节平台内的n个定滑轮作用是使绳索由水平前后走向改变为水平左右走向；然后绳索绕过特殊动滑轮拉力变为竖直走向；所述特殊动滑轮包括：转动杆、滑轮，所述转动杆一端铰接于水平移动调节平台上，另一端设置一个滑轮，通过额外的电机控制转动杆的转动角度，来左右轻微平移竖直方向的拉力位置。

进一步的，所述定滑轮和特殊动滑轮各自设置于单独的水平横杆上，定滑轮和特殊动滑轮可沿水平横杆的轴向运动。

进一步的，所述恒拉力装置内部设置有恒有减震弹簧，用于缓冲吊重运动冲击，减小恒拉力装置对人体肢体运动阻碍。

进一步的，所述恒拉力装置内设置有安全保护装置，所述安全保护装置包括:测速传感器、电磁阀模块、弹性铁质卡口、mcu控制模块，mcu控制模块通过测速传感器读取绳索与恒拉力装置的相对速度，控制电磁模块，若绳索速度测得超出阈值则关闭电磁阀，使得弹性铁质卡口与绳索卡死，用于防止恒拉力装置失灵时对绳索进行抱死。

进一步的，所述水平移动调节平台上设置有锁定装置，用于将水平移动调节平台锁定在轨道上。

进一步的，所述外骨骼上包括11个挂点，依次包括左右小腿重心点、左右大腿重心点、左右前臂重心点、左右上臂重心点、尾椎骨与颈椎骨悬挂点、腹部悬挂点。

本发明提供一种整体结构简单、稳定性高、操作性简单、安全可靠的低重力环境下穿戴人员负载实验装置。在实验装置下能安全模拟低重力环境，穿戴人员行走以及搬运负载时状况。

附图说明

图1为本发明的低重力环境下穿戴人员负载实验装置结构示意图；

图2为本发明的低重力环境下穿戴人员负载实验装置结构简图1；

图3为本发明的低重力环境下穿戴人员负载实验装置结构简图2。

图4为本发明的低重力环境下穿戴人员负载实验装置的特殊动滑轮结构简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行进一步说明。

低重力环境下穿戴人员负载实验装置，其特征在于：所述的高稳定性支架结构(1)、恒拉力装置(2)、绳索(3)、特殊动滑轮组件(4)、水平移动调节平台(5)、锁定装置(6)、外骨骼十一悬挂点(7)、安全防护装置(8)、减震弹簧(9)，恒拉力装置(2)固定在地面，在水平移动调节平台(5)上有一组特殊动滑轮组(4)，绳索(3)起始段与恒拉力装置(2)连接，经过高稳定性支架结构(1)边缘特殊动滑轮(4)和位于水平调节平台(5)上特殊动滑轮组(4)，连接至负载或者穿戴人员外骨骼装置，通过锁定装置(6)锁定水平调节平台(5)位置，以及通过锁定装置(6)锁定外骨骼十一悬挂点(7)，在恒拉力装置(2)有安全防护装置(8)。

高稳定性支架结构(1)与恒拉力装置(2)固定在地面，一组特殊动滑轮(4)锁定在高稳定支架结构上方框架边缘，另一组特殊动滑轮(4)锁定在水平移动调节平台(5)，绳索(3)通过两组特殊动滑轮(4)，起始段连接恒拉力装置(2)，末端连接负载。

高稳定支架结构(1)，具有高稳定性特点，能正常搭载外骨骼的穿戴人员以及负载，不会影响穿戴人员运动，并且随穿戴人员在上面行走时，不会使其大幅度摇晃，以增加检测稳定性。

水平移动调节平台(5)位于高稳定性支架结构(1)上方，可在高稳定性支架结构(1)上方在水平方向移动，通过锁定装置(6)锁定水平方向位置。

位于水平移动调节平台(5)上的特殊动滑轮(4)可沿水平移动调节平台(5)轴向运动，位于高稳定性支架结构(1)上方边缘上的特殊动滑轮(4)可沿支撑杆件轴线运动，特殊动滑轮组件(4)通过锁定装置(6)固定在需要位置。

通过水平移动调节平台(5)以及位于其上的特殊动滑轮(4)，按照外骨骼悬挂点构成十一点悬挂点(7)，这些悬挂点从人体各关节平衡处出发，满足穿戴人员人体各种姿态需求，绳索(3)起始段连接恒拉力装置(2)，通过特殊动滑轮组件(4)末端连接悬挂点。

特殊动滑轮(4)，通过内部电机调整外部椭圆形滑轮旋转角度，其中外部椭圆形滑轮末端有小型动滑轮，用于通过绳索(3)，减小特殊动滑轮(4)与绳索(3)之间的摩擦，其中调整旋转角度是为了微小调节因绳索末端悬挂点位置微小改变导致悬挂力垂直分力减小，椭圆形动滑轮(4)旋转使得绳索(3)在水平方向上可以有微小的偏移，以减小实验装置误差。

恒拉力装置(2)分别提供外骨骼和穿戴人员以及实验负载相应悬挂力，以模拟在地球条件下穿戴人员在月球表面只有六分之一的重力情况。

安全防护装置(8)位于恒拉力装置(2)，当绳索(3)拉长超过一定范围便会锁定绳索(3)，防止悬挂装置掉落，保证实验穿戴人员负载安全。

恒拉力装置(2)内部有减震弹簧(9)，用于缓冲吊重运动冲击，减小恒拉力装置对人体肢体运动阻碍，以减小运动过程中吊重加速度对恒拉力的影响。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方案，本实施方案包括高稳定性支架结构1、恒拉力装置2、绳索3、特殊动滑轮组件4、水平移动调节平台5、锁定装置6、外骨骼十一悬挂点7、安全防护装置8，恒拉力装置1固定在地面，在水平移动调节平台5上有一组特殊动滑轮组，绳索3起始段与恒拉力装置2连接，经过高稳定性支架结构1边缘特殊动滑轮和位于水平调节平台5上特殊动滑轮组3，连接至负载或者穿戴人员外骨骼装置，通过锁定装置6锁定水平调节平台5位置，以及通过锁定装置锁定悬挂点

具体实施方式二：结合图2说明本实施方案，本实施方式所述的高稳定性支架1还包括第一特殊动滑轮4，水平移动调节平台5，第二特殊动滑轮位于水平移动调节平台上，两个特殊动滑轮在一定斜平面上，绳索末端依次绕过第一特殊动滑轮，第二特殊动滑轮、安全防护装置后与恒拉力装置连接，其他组成关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方案，本实施方案所述的恒拉力装置2是通过预先配置砝码来完成抵消负载六分之五重力，恒拉力装置2里有多组砝码箱，绳索3起始段与某一砝码箱连接，经过安全防护装置8、第二特殊动滑轮4-1、第一特殊动滑轮4-2后末端连接负载，其他组成关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方案：本实施方案方式所述的十一悬挂点7满足穿戴人员在运动过程中的关节相互位置关系，通过调节第一特殊动滑轮4-1、水平移动平台5与相应锁定装置6可以按照不同比例的人体模型设定悬挂点，其他组成关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方案：本实施方案说述的特殊动滑轮4其结构是椭圆形滑轮和其末端小型动滑轮组合起来，其中椭圆形动滑轮是通过电机调节其旋转角度，其旋转角度来调节连接悬挂点处垂直方向绳索3的水平运动，用来减小沿垂直绳索3方向恒拉力因悬挂点在水平方向有微小摆动导致垂直方向分力减小，因此通过特殊动滑轮4来调节跟随悬挂点在水平方向上微小的运动，以减小装置整体误差。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方案：本实施方案所述的安全防护装置8是通过位置传感器和速度传感器配合检测绳索移动的距离和速度，当绳索运动过长或者速度过快会启动内部锁死装置，保证穿戴人员安全和负载稳定。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方案：本实施方案说述的减震弹簧9是用于减小恒拉力装置内部吊重运动中惯性对于恒拉力的影响，用于缓冲吊重运动冲击，减小恒拉力装置对人体肢体运动阻碍。

工作原理

在竖直方向，绳索3可以提供与恒拉力装置2数值相同的方向相反的恒拉力，以达到重力补偿的效果，同时十一悬挂点7位置与实际穿戴人员运动位置竖直方向夹角较小，因此在一定范围内可以忽略竖直方向偏离导致竖直方向拉力变化的影响，同时恒拉力装置内部有弹簧减震装置用于缓冲吊重在运动过程中惯性冲击，减小恒拉力装置对人体肢体运动阻碍。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。