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一、立题依据（用前景。附主要参考文献（800字）[1。自主动机器在许多域具有分广阔用前景的用前景。为移动器人随着我国载人航天工程的不断深入，未来将组建短期有六人共存、长期有三人留守的永久性空间，会有的天员需要往地球与空间间，以实现间实验室的轮流值守[-3。航天员在太空中长期飞行，就意味着他们将长期在微重力和低重力环织发生钙化，还可能导致病理性骨折[-6。因此，对失重环境中的宇航员进行相应的对抗失重[78]，抑制和减轻失重环境对宇航员带来的不利影响，以保障宇航员的健康，一直是载人航天工程中航天医学研究的重目前，经过科学研究表明[9]：对抗失重锻炼对减轻甚至消除失重影响的效果是非常明显的。如在空生活326天的年科虽在后因劳而逐渐止了工，但仍照专家订3096的情况还好。另一名航天员瓦·，在完成175天太空飞行后8个月，又进行185天太空4.5千克。这些都表明，对抗失重锻炼是有效的消除模拟地球引力和负载，加强对抗失重锻炼是对抗骨质疏松、骨骼肌萎缩和心血管功能紊乱等空间适应综合症的有效措施1-1]。对抗失重锻炼能提高航天员心理稳定性、降低生理失调，还能减轻航天返回到地面的行走过对抗失重的锻炼目仍要受到重和环行。目前，失重环境中的锻炼项目主要是应用自行车功量计[5、企鹅服[6、太空跑步机16]、负压筒以及抗阻力训练器[1]等设备进行对抗失重的锻炼。但现有的对抗失重的训练技术，即使在最大功率输出时也无法达到运动强度的要求，如文献[18]对国际空间站中宇航员进行对抗失重锻炼（E）时的足底压力进行了测量与统计分析，发现：即使自行车功量计等1G7%于负载明小于在G境所受的负，在这的负载力下锻达调节精度高、装置、不需量供应、研究低本、操作简单、易于的新增重技术的研究成果，还可以应用于以下诸多方面，如：外骨骼重力增加机构可以用于关运动康复训练； 运动惯性参辨识方法可于航天员舱外作业动力学建模运动仿真。因此本课题有重要理论研价值和阔实际应用景。在太空微重力或低重力环境进行锻炼的过程中，模拟地球的引力和负载，使航天员关节的重力增加方法主要有以下几类：自行车功量计[15][16][1]、负压筒17。自行车功量计是由自行车车身和绑缚背带组成。在对抗失重的锻炼过程中，锻炼者的锻炼。“”和礼390440企鹅服是科学家为航天员设计的服装，因外型像企鹅而得名。它具有弹性，能给穿着者的一定的压力，对失重给予一定的补偿。在失重环境下，企鹅服是模拟在在1G8490牛的弹性带拉力。都规定，每次在微3－4326天的航天员年科，在1000多千米。然而在失重环境中依靠弹性带的拉力来增大地面接触力的效果十分有限，另外由于伸长量的变化也使得足底的接触力会发生非常明显的变化。 功能失调，减缓失重过程中血往头上涌的现象。航天员在计划返回前10天内，一般进行5次与锻炼，然而它的作用也非常的局限，对身体其他部位的血液流通不能起到很好的促进作我国载人航天工程中宇航员也要利用企鹅服、行车功量计、拉力器等进行对失重的锻炼，有关锻炼效果的详细数据尚无文献 。为帮助宇航员在失重环境中进行卧推训练，哈尔滨工业大学提出一种基于并联柔索驱动机构的宇航员康复训练机器人19]，可对宇航从上述分析可以看出，目前现有的对抗失重方式主要有：自行车功量计、企鹅服、太空跑步机、负压筒以及抗阻力训练器等，每种方法都有各自的优缺点，谁也不能取代谁。、锻炼有效的新型对抗失重 的重力势能，实现 在地面活动时所受重力负载的模拟，能够用于宇航员的对抗]( ’sSpaceActivitiesin2006》[J] ,2006(11):10-MooreAD,LeeSMC,StengerMB,etal.Foot sduringexerciseontheInternationalSpaceStation[J].JournalofBiomechanics,2010,43(15):3020-3027.EnglishKE,LoehrJA,LaughlinMA,etal.CardiovascularexerciseintheU.S.spaceprogram:Psat,presentandfuture[J].ActaAstronautica,2010,66(7/8):974-988. 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(IDETC),Aug.15-18,2010,Montreal,Paper#DETC2010-29079.二、研究内容和目标（说明课题的具体研究内容，研究目标和效果，以及拟解决的关键科学问题。此部分为重点阐述内容（不少于500字）随着航天技术的发展，人类对太空的探索进入了一个新的阶段，载人航天将会是各国航天事业的研究重点。载人航天是一项有航天员参与的，探索、开发和利用太空资源的活动，是一个国家综合国力的象征。虽然世界上航天大国都相继研制出空间机器人对某些及探测器进行相关的修理工作以及探测工作，但相对于载人航天，直接把航天员送上太空进行相关的实验载人航天飞行的重要标志是有人类的参与，航天员的特殊作用表现在能够对航天器及其舱载设备实施有效的监督、控制、操作、照料、和管理，进行科学实验等方面。同时训练有素的航天员可以发挥人的能动性、创造性、高度思维和应变能力，以及及时发现、处理和解决问题，提高航天飞行安全性，从而可极大地提高飞行任务的成功率。但是，空间的微重力环境不同于人类熟悉的地面环境，长时间处于微重力状态会引起骨质疏松、骨骼肌萎缩和心血管功能紊乱等适应性改变，即空间适应综合征。这些变化对宇航员的健康和工作都有不利的影响。因此，对失重环境中的宇航员进行相应的对抗失重锻炼，抑制和减轻失重环境对宇航员带来的不利影响，以保障宇航员的健康，一直是载人航天工程中航天医学研究的重要研究内容。航天医学研究结果表明：模拟地球引力和负载，加强对抗失重锻炼是对抗骨质疏松、骨骼肌萎缩和心血管功能紊乱等空间适应综合症的有效措施。目前，国际空间站中的宇航员主要采用自行车功量计、企鹅服、太空跑步机以及抗阻力训练器等设备进行对抗失重的锻炼。这些设备可以模拟在地面活动时肌肉所受的重力负载，能够用于宇航员的上肢、下肢与背部骨骼肌的锻炼。文献[4]对国际空间站中宇航员进行对抗失重锻炼（ED）时的足底压力进行了测量与统计分析，发现：即使自行车功量计等锻炼设备输出最大的功率，宇航员的足底压力仅为地面1G环境中的70在1G的负载。因此，虽然国际空间站上的宇航员进行抗失重锻炼，但是宇航员的骨骼密度和强度、肌和0.9%6积减少约20。我国载人航天工程中宇航员主要利用企鹅服、自行车功量计、拉力[9将振动装置与弹力负荷装置联合使用，以对抗重力肌的萎缩，取得了较好的防护效果，他们称此联合装备为aeo空间训练系统(aeoeranngem)[1]该课题提出了一种失重环境下的增重技术。该增重技术利用弹簧的弹性势能实现对人体在地面（1G环境，g=9.8）活动时所受重力负载的模拟，能够用于宇航员的对抗失重锻炼。与已有的宇航员对抗阻力训练相比较，该增重技术其是一套无动力的机构，不需要外部供电，也不需要控制系统，利用弹簧的弹性势能增加的重力势能，因而具有系统结构简单、安全和良好的稳定性等特点；同时，该增重技术施加于的负载具有更大的调整范围，甚至可以超过地面（1G环境）时所需重力负载的要求，能够实现更好的对抗失重防护效果，也建立相应三维模型先进行仿真分析，验证方法的正确性。再设计选择合适的弹簧和设计合理平衡机构，从而组装成一套完整的模拟系统，进而进行一系列的实验研究，研究该机构的正确失重环境下的增重技术总体方案研究。通过对国内外增重技术的研究现状进行调研，提出失重环境下的增重技术研究的总体方案。重力增加机构的动力学特性分析与优化设计。针对本课题所增重技术，研究重力增加机构的动力学特性，比较在真实重力环境中的运动情况（如地面接触力、关节力矩等）与在增重训练设备中的运动情况，以验证系统设计是否可行。由于失重训练的动力学特性。因此，全面分析重力增加机构的动力学特性以及影响因素，在此基础上，优化重力增加机构的设计方案，以获得最佳的增重训练动力学性能，是本课题研究能环节惯性参数辨识方法研究。将按骨性标志分割成若干段，每个段被称为人体环节。所有环节的惯性参数（如质量、质心位置及惯性张量）的总和称为环节惯性参数。准确知道环节惯性参数是失重环境下的增重技术的先决条件。只有在获得环节惯性参数后，才能确定重力增加机构中重要参数的取值（如弹簧的刚度系统、弹簧悬挂点的高度等。虽然可以被作为一个多刚体系统，但是受限于惯性参数的方法，如落体测试法、振摆测试法等并不适合。因此，研究环节惯性参数的辨环节惯性参数自适应补偿方法研究。每个的环节惯性参数都不一样，所以不同在利用这套机构进行对抗失重锻炼时，为了达到最佳的失重效果，必须依据具体的环节惯性参数对机构进行相应配置，例如悬挂弹簧的刚度系数、弹簧悬挂点的高度等。如果不同参加失重训练都需要手动的重新配置，那么将严重影响对抗失重锻炼的效率。因此，研究不同地面重力模拟设备的原型系统研制与实验研究。针对本课题增重技术，研制空间增重训练设备的原型系统，包括机械零件设计与加工、控制系统软硬件的开发等。开展相关增重训练的实验研究，收集并分析实验数据，评估系统性能，并进 （1）增重比例可以任意选择（从0%至无限，只要弹簧强度满足要求和在 损害的身体机能100%1G重力环境，可用于空间站等微重力环境下模62%（2）5，满足在行走、跳跃、跑步等（3）52（4）空间增重模拟设备80Kg（5）可用于增重训练的项目至少包括：行走、跑步、跳跃等。（1）研究低成本、易于、操作简单的新型增重技术，用于航天员可以在空间微重力环境中进行太空行走等增重训练，以全面对抗（2）炎、烧伤、肌肉萎缩而导致的行走这一常见病症，亟需研究开发面向的增重步行复健装置，这是一极为有效的医疗康复。骤及其可行性等（800字）综合分析现有的对抗失重锻炼技术的特点，提出失重环境下的增重技术，解决增重机构设计与动力学仿真特性分析、运动数据的获取与运动惯性参数辨识等关键问增重技术基于弹簧弹力沿竖直方向分量守恒，即任意时刻机构运动到任意位置时，弹簧弹力沿其悬挂点与机构旋转点连线方向的分力大小恒定的原理。本课题已经完成了初步的方案设计与论证工作，拟采用弹簧和机械框架相结合用于对抗失重锻炼的增重设备。机械框架拟采用两个平行四边形机构、上肢连接架和三根零初长弹簧（zro-na-enghrng，00）5个自由度，即15532矢状面内水平轴的转动。事实上，该部分的运动在的跑步、行走等锻炼活动中只占据很小的比例。由于增重机构伸出的长度受限，所以设计了导轨系统，使得在导轨上行走。增重机构的所有关节都设计为关节，因此当活动时增重机构能够跟随的在动力学特性分析方面，针对增重锻炼项目（如：行走、跑步等）的具体需求，分析增重机构的设计约束。依据重力增加条件，推导各个弹簧的刚度系数。利用机械系统动力学分析软件Aas和运动仿真件LieOD建立运动、增重机的动力学仿真型。在此仿真模型上，开展如下两项工作：①对增重锻炼项目（如：行走、跑步等）进行仿真研究，同时利用 大学的图形建立的运动捕捉数据库（即UGrahcabonapueDaabae）行比研究。该运动捕数据库含了各种微重力环境（如560.62g、05g、g等）的运动数据且免费，为本课的研究提供了很好的基础。②通过添加摩擦约束，研究增重机构本身的质量分布以及运动副的摩擦力力矩对增训练的力学特的影响实际的机设计提基础。在优化设计方面，利用增重机构连接部分的平行四边形的框架结构，可以为的下肢连接外骨骼机构，从而使腿部的髋关节、膝关节和踝关节受到一定大小的力和力矩 刚体的惯性参数（刚体的质量、质心位置和惯性张量）是对机构进行动力学分析、优化控制和确定结构性能的重要参数。如何估计 的惯性参数，并且用于增重机构的设计，是本课题中的重要部分。只有在获得 环节惯性参数后，才能确定重力增加机构中重要参数的取值，虽然 可以作为一个多刚体系统，但是由于受限于 的特殊性，传统的测量或识别惯性参数的方法，如落体测量法、振摆测量法等并不适应。本文基于多刚体模型，运用一种基于动量、动量矩定理的惯性参数识别方法。具体方法如下：①将 视为多刚体统，利用冲量定理和动量矩定理建立 的动力学模型。②将动力学模型简化为关于未知的环节惯性参数的线性方程组；而方程组中其他参数则基于传感器的测量数据直接获取或 拟采用的传感器包括：①与地面的接触力传感器，用于地面对的支撑力。②基于立体视觉的运动捕捉系统，用于测量各个“刚体”的运动参数，如线速度、角速度等，以及通过计算或的各个关节的角度数据。运动捕捉系统拟采用NaturalPoint公司OptiTrack6FLEX：V100R2视觉相机、ARENA运动捕捉软件以及由于不同的各个环节的惯性参数是不一样的，为了达到最佳的增重效果，必须依据相应的环节惯性参数对机构进行配置。在本课题中，将弹簧的悬挂点高度d节的参数。依据不同的环节惯性参数，利用弹簧的悬挂点高度计算求解各个弹簧所对应的悬挂点。同时，针对每个需要自动调整的弹簧悬挂点设计一套伺服驱动机构，主要包括axnElo悬挂点高度针对本课题失重环境下的增重技术，研制增重训练设备的原型系统，包括机械零件设计与加工、控制系统软硬件的开发等。开展相关增重训练的实验研究，收根据失重环境下的增重技术的研究方案，方法中平行四边形机构和弹簧的选择在具体的设计加工工作中是可以完全实现的。由日方程推导可知，只要系统的总势能保持不变，系统就处于静态平衡状态，而平衡状态计算出的弹簧刚度系数以及悬挂点位置等参数，和弹簧向下悬挂的增重部分是完全等价的。所以根据研究方法和技术路线，准确地设计机构和弹簧，正确优化机构设计并组装系统，该套重力增加方法是可行的。①本课题提出失重环境下的增重技术，并研制了用于增重训练的原型系统。相对于现有的企鹅服、自行车功量计、太空跑步机以及抗阻力训练器等增重方式，本课题所提出的增重技术，没有企鹅服的长时间穿着要求，也没有自行车功量计、太空跑步机等效率的限制，具有系统结构简单、安全和良好的稳定性等特点，同时降低了机构的能耗与制作工艺要求，大幅度降低了生产成本；本技术的增重负载有很大的调整范围，对的增重效果不仅可以达到地面所受的负载，还可以地面负载，对于微重力环境中的宇航员，超过地面时所受的重力负载，能够实现更好的对抗失重防护效果，也可以缩短宇航员的锻炼时间。本课题的增重原型系统具有一定可折叠性，在不需要进行对抗阻力锻炼的时候可以折叠并固定于墙面，行成很小的体积，以适应太空舱或航天飞机里空间狭小，同时满足宇航员进行对抗阻力锻炼的需要。另外该Z轴的旋转分别设置在靠近四边形两端，在满足运动自由度要求的前提下，使得运动范围尽量减小，既满足宇航员②环节惯性参数辨识与自适应补偿。在运动力学的研究领域中，常采用核磁共振成像法（MRI、CT法以及数字模型计算法等来获取环节惯性参数。