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一、立題依據(jù)（用前景。附主要參考文獻(xiàn)（800字）[1。自主動機器在許多域具有分廣闊用前景的用前景。為移動器人隨著我國載人航天工程的不斷深入，未來將組建短期有六人共存、長期有三人留守的永久性空間，會有的天員需要往地球與空間間，以實現(xiàn)間實驗室的輪流值守[-3。航天員在太空中長期飛行，就意味著他們將長期在微重力和低重力環(huán)織發(fā)生鈣化，還可能導(dǎo)致病理性骨折[-6。因此，對失重環(huán)境中的宇航員進(jìn)行相應(yīng)的對抗失重[78]，抑制和減輕失重環(huán)境對宇航員帶來的不利影響，以保障宇航員的健康，一直是載人航天工程中航天醫(yī)學(xué)研究的重目前，經(jīng)過科學(xué)研究表明[9]：對抗失重鍛煉對減輕甚至消除失重影響的效果是非常明顯的。如在空生活326天的年科雖在后因勞而逐漸止了工，但仍照專家訂3096的情況還好。另一名航天員瓦·，在完成175天太空飛行后8個月，又進(jìn)行185天太空4.5千克。這些都表明，對抗失重鍛煉是有效的消除模擬地球引力和負(fù)載，加強對抗失重鍛煉是對抗骨質(zhì)疏松、骨骼肌萎縮和心血管功能紊亂等空間適應(yīng)綜合癥的有效措施1-1]。對抗失重鍛煉能提高航天員心理穩(wěn)定性、降低生理失調(diào)，還能減輕航天返回到地面的行走過對抗失重的鍛煉目仍要受到重和環(huán)行。目前，失重環(huán)境中的鍛煉項目主要是應(yīng)用自行車功量計[5、企鵝服[6、太空跑步機16]、負(fù)壓筒以及抗阻力訓(xùn)練器[1]等設(shè)備進(jìn)行對抗失重的鍛煉。但現(xiàn)有的對抗失重的訓(xùn)練技術(shù)，即使在最大功率輸出時也無法達(dá)到運動強度的要求，如文獻(xiàn)[18]對國際空間站中宇航員進(jìn)行對抗失重鍛煉（E）時的足底壓力進(jìn)行了測量與統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)：即使自行車功量計等1G7%于負(fù)載明小于在G境所受的負(fù)，在這的負(fù)載力下鍛達(dá)調(diào)節(jié)精度高、裝置、不需量供應(yīng)、研究低本、操作簡單、易于的新增重技術(shù)的研究成果，還可以應(yīng)用于以下諸多方面，如：外骨骼重力增加機構(gòu)可以用于關(guān)運動康復(fù)訓(xùn)練； 運動慣性參辨識方法可于航天員艙外作業(yè)動力學(xué)建模運動仿真。因此本課題有重要理論研價值和闊實際應(yīng)用景。在太空微重力或低重力環(huán)境進(jìn)行鍛煉的過程中，模擬地球的引力和負(fù)載，使航天員關(guān)節(jié)的重力增加方法主要有以下幾類：自行車功量計[15][16][1]、負(fù)壓筒17。自行車功量計是由自行車車身和綁縛背帶組成。在對抗失重的鍛煉過程中，鍛煉者的鍛煉?！啊焙投Y390440企鵝服是科學(xué)家為航天員設(shè)計的服裝，因外型像企鵝而得名。它具有彈性，能給穿著者的一定的壓力，對失重給予一定的補償。在失重環(huán)境下，企鵝服是模擬在在1G8490牛的彈性帶拉力。都規(guī)定，每次在微3－4326天的航天員年科，在1000多千米。然而在失重環(huán)境中依靠彈性帶的拉力來增大地面接觸力的效果十分有限，另外由于伸長量的變化也使得足底的接觸力會發(fā)生非常明顯的變化。 功能失調(diào)，減緩失重過程中血往頭上涌的現(xiàn)象。航天員在計劃返回前10天內(nèi)，一般進(jìn)行5次與鍛煉，然而它的作用也非常的局限，對身體其他部位的血液流通不能起到很好的促進(jìn)作我國載人航天工程中宇航員也要利用企鵝服、行車功量計、拉力器等進(jìn)行對失重的鍛煉，有關(guān)鍛煉效果的詳細(xì)數(shù)據(jù)尚無文獻(xiàn) 。為幫助宇航員在失重環(huán)境中進(jìn)行臥推訓(xùn)練，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出一種基于并聯(lián)柔索驅(qū)動機構(gòu)的宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人19]，可對宇航從上述分析可以看出，目前現(xiàn)有的對抗失重方式主要有：自行車功量計、企鵝服、太空跑步機、負(fù)壓筒以及抗阻力訓(xùn)練器等，每種方法都有各自的優(yōu)缺點，誰也不能取代誰。、鍛煉有效的新型對抗失重 的重力勢能，實現(xiàn) 在地面活動時所受重力負(fù)載的模擬，能夠用于宇航員的對抗]( ’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、研究內(nèi)容和目標(biāo)（說明課題的具體研究內(nèi)容，研究目標(biāo)和效果，以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。此部分為重點闡述內(nèi)容（不少于500字）隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類對太空的探索進(jìn)入了一個新的階段，載人航天將會是各國航天事業(yè)的研究重點。載人航天是一項有航天員參與的，探索、開發(fā)和利用太空資源的活動，是一個國家綜合國力的象征。雖然世界上航天大國都相繼研制出空間機器人對某些及探測器進(jìn)行相關(guān)的修理工作以及探測工作，但相對于載人航天，直接把航天員送上太空進(jìn)行相關(guān)的實驗載人航天飛行的重要標(biāo)志是有人類的參與，航天員的特殊作用表現(xiàn)在能夠?qū)教炱骷捌渑撦d設(shè)備實施有效的監(jiān)督、控制、操作、照料、和管理，進(jìn)行科學(xué)實驗等方面。同時訓(xùn)練有素的航天員可以發(fā)揮人的能動性、創(chuàng)造性、高度思維和應(yīng)變能力，以及及時發(fā)現(xiàn)、處理和解決問題，提高航天飛行安全性，從而可極大地提高飛行任務(wù)的成功率。但是，空間的微重力環(huán)境不同于人類熟悉的地面環(huán)境，長時間處于微重力狀態(tài)會引起骨質(zhì)疏松、骨骼肌萎縮和心血管功能紊亂等適應(yīng)性改變，即空間適應(yīng)綜合征。這些變化對宇航員的健康和工作都有不利的影響。因此，對失重環(huán)境中的宇航員進(jìn)行相應(yīng)的對抗失重鍛煉，抑制和減輕失重環(huán)境對宇航員帶來的不利影響，以保障宇航員的健康，一直是載人航天工程中航天醫(yī)學(xué)研究的重要研究內(nèi)容。航天醫(yī)學(xué)研究結(jié)果表明：模擬地球引力和負(fù)載，加強對抗失重鍛煉是對抗骨質(zhì)疏松、骨骼肌萎縮和心血管功能紊亂等空間適應(yīng)綜合癥的有效措施。目前，國際空間站中的宇航員主要采用自行車功量計、企鵝服、太空跑步機以及抗阻力訓(xùn)練器等設(shè)備進(jìn)行對抗失重的鍛煉。這些設(shè)備可以模擬在地面活動時肌肉所受的重力負(fù)載，能夠用于宇航員的上肢、下肢與背部骨骼肌的鍛煉。文獻(xiàn)[4]對國際空間站中宇航員進(jìn)行對抗失重鍛煉（ED）時的足底壓力進(jìn)行了測量與統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)：即使自行車功量計等鍛煉設(shè)備輸出最大的功率，宇航員的足底壓力僅為地面1G環(huán)境中的70在1G的負(fù)載。因此，雖然國際空間站上的宇航員進(jìn)行抗失重鍛煉，但是宇航員的骨骼密度和強度、肌和0.9%6積減少約20。我國載人航天工程中宇航員主要利用企鵝服、自行車功量計、拉力[9將振動裝置與彈力負(fù)荷裝置聯(lián)合使用，以對抗重力肌的萎縮，取得了較好的防護效果，他們稱此聯(lián)合裝備為aeo空間訓(xùn)練系統(tǒng)(aeoeranngem)[1]該課題提出了一種失重環(huán)境下的增重技術(shù)。該增重技術(shù)利用彈簧的彈性勢能實現(xiàn)對人體在地面（1G環(huán)境，g=9.8）活動時所受重力負(fù)載的模擬，能夠用于宇航員的對抗失重鍛煉。與已有的宇航員對抗阻力訓(xùn)練相比較，該增重技術(shù)其是一套無動力的機構(gòu)，不需要外部供電，也不需要控制系統(tǒng)，利用彈簧的彈性勢能增加的重力勢能，因而具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全和良好的穩(wěn)定性等特點；同時，該增重技術(shù)施加于的負(fù)載具有更大的調(diào)整范圍，甚至可以超過地面（1G環(huán)境）時所需重力負(fù)載的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的對抗失重防護效果，也建立相應(yīng)三維模型先進(jìn)行仿真分析，驗證方法的正確性。再設(shè)計選擇合適的彈簧和設(shè)計合理平衡機構(gòu)，從而組裝成一套完整的模擬系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)行一系列的實驗研究，研究該機構(gòu)的正確失重環(huán)境下的增重技術(shù)總體方案研究。通過對國內(nèi)外增重技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，提出失重環(huán)境下的增重技術(shù)研究的總體方案。重力增加機構(gòu)的動力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計。針對本課題所增重技術(shù)，研究重力增加機構(gòu)的動力學(xué)特性，比較在真實重力環(huán)境中的運動情況（如地面接觸力、關(guān)節(jié)力矩等）與在增重訓(xùn)練設(shè)備中的運動情況，以驗證系統(tǒng)設(shè)計是否可行。由于失重訓(xùn)練的動力學(xué)特性。因此，全面分析重力增加機構(gòu)的動力學(xué)特性以及影響因素，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化重力增加機構(gòu)的設(shè)計方案，以獲得最佳的增重訓(xùn)練動力學(xué)性能，是本課題研究能環(huán)節(jié)慣性參數(shù)辨識方法研究。將按骨性標(biāo)志分割成若干段，每個段被稱為人體環(huán)節(jié)。所有環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)（如質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性張量）的總和稱為環(huán)節(jié)慣性參數(shù)。準(zhǔn)確知道環(huán)節(jié)慣性參數(shù)是失重環(huán)境下的增重技術(shù)的先決條件。只有在獲得環(huán)節(jié)慣性參數(shù)后，才能確定重力增加機構(gòu)中重要參數(shù)的取值（如彈簧的剛度系統(tǒng)、彈簧懸掛點的高度等。雖然可以被作為一個多剛體系統(tǒng)，但是受限于慣性參數(shù)的方法，如落體測試法、振擺測試法等并不適合。因此，研究環(huán)節(jié)慣性參數(shù)的辨環(huán)節(jié)慣性參數(shù)自適應(yīng)補償方法研究。每個的環(huán)節(jié)慣性參數(shù)都不一樣，所以不同在利用這套機構(gòu)進(jìn)行對抗失重鍛煉時，為了達(dá)到最佳的失重效果，必須依據(jù)具體的環(huán)節(jié)慣性參數(shù)對機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)配置，例如懸掛彈簧的剛度系數(shù)、彈簧懸掛點的高度等。如果不同參加失重訓(xùn)練都需要手動的重新配置，那么將嚴(yán)重影響對抗失重鍛煉的效率。因此，研究不同地面重力模擬設(shè)備的原型系統(tǒng)研制與實驗研究。針對本課題增重技術(shù)，研制空間增重訓(xùn)練設(shè)備的原型系統(tǒng)，包括機械零件設(shè)計與加工、控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)等。開展相關(guān)增重訓(xùn)練的實驗研究，收集并分析實驗數(shù)據(jù)，評估系統(tǒng)性能，并進(jìn) （1）增重比例可以任意選擇（從0%至無限，只要彈簧強度滿足要求和在 損害的身體機能100%1G重力環(huán)境，可用于空間站等微重力環(huán)境下模62%（2）5，滿足在行走、跳躍、跑步等（3）52（4）空間增重模擬設(shè)備80Kg（5）可用于增重訓(xùn)練的項目至少包括：行走、跑步、跳躍等。（1）研究低成本、易于、操作簡單的新型增重技術(shù)，用于航天員可以在空間微重力環(huán)境中進(jìn)行太空行走等增重訓(xùn)練，以全面對抗（2）炎、燒傷、肌肉萎縮而導(dǎo)致的行走這一常見病癥，亟需研究開發(fā)面向的增重步行復(fù)健裝置，這是一極為有效的醫(yī)療康復(fù)。驟及其可行性等（800字）綜合分析現(xiàn)有的對抗失重鍛煉技術(shù)的特點，提出失重環(huán)境下的增重技術(shù)，解決增重機構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)仿真特性分析、運動數(shù)據(jù)的獲取與運動慣性參數(shù)辨識等關(guān)鍵問增重技術(shù)基于彈簧彈力沿豎直方向分量守恒，即任意時刻機構(gòu)運動到任意位置時，彈簧彈力沿其懸掛點與機構(gòu)旋轉(zhuǎn)點連線方向的分力大小恒定的原理。本課題已經(jīng)完成了初步的方案設(shè)計與論證工作，擬采用彈簧和機械框架相結(jié)合用于對抗失重鍛煉的增重設(shè)備。機械框架擬采用兩個平行四邊形機構(gòu)、上肢連接架和三根零初長彈簧（zro-na-enghrng，00）5個自由度，即15532矢狀面內(nèi)水平軸的轉(zhuǎn)動。事實上，該部分的運動在的跑步、行走等鍛煉活動中只占據(jù)很小的比例。由于增重機構(gòu)伸出的長度受限，所以設(shè)計了導(dǎo)軌系統(tǒng)，使得在導(dǎo)軌上行走。增重機構(gòu)的所有關(guān)節(jié)都設(shè)計為關(guān)節(jié)，因此當(dāng)活動時增重機構(gòu)能夠跟隨的在動力學(xué)特性分析方面，針對增重鍛煉項目（如：行走、跑步等）的具體需求，分析增重機構(gòu)的設(shè)計約束。依據(jù)重力增加條件，推導(dǎo)各個彈簧的剛度系數(shù)。利用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件Aas和運動仿真件LieOD建立運動、增重機的動力學(xué)仿真型。在此仿真模型上，開展如下兩項工作：①對增重鍛煉項目（如：行走、跑步等）進(jìn)行仿真研究，同時利用 大學(xué)的圖形建立的運動捕捉數(shù)據(jù)庫（即UGrahcabonapueDaabae）行比研究。該運動捕數(shù)據(jù)庫含了各種微重力環(huán)境（如560.62g、05g、g等）的運動數(shù)據(jù)且免費，為本課的研究提供了很好的基礎(chǔ)。②通過添加摩擦約束，研究增重機構(gòu)本身的質(zhì)量分布以及運動副的摩擦力力矩對增訓(xùn)練的力學(xué)特的影響實際的機設(shè)計提基礎(chǔ)。在優(yōu)化設(shè)計方面，利用增重機構(gòu)連接部分的平行四邊形的框架結(jié)構(gòu)，可以為的下肢連接外骨骼機構(gòu)，從而使腿部的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)受到一定大小的力和力矩 剛體的慣性參數(shù)（剛體的質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性張量）是對機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析、優(yōu)化控制和確定結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù)。如何估計 的慣性參數(shù)，并且用于增重機構(gòu)的設(shè)計，是本課題中的重要部分。只有在獲得 環(huán)節(jié)慣性參數(shù)后，才能確定重力增加機構(gòu)中重要參數(shù)的取值，雖然 可以作為一個多剛體系統(tǒng)，但是由于受限于 的特殊性，傳統(tǒng)的測量或識別慣性參數(shù)的方法，如落體測量法、振擺測量法等并不適應(yīng)。本文基于多剛體模型，運用一種基于動量、動量矩定理的慣性參數(shù)識別方法。具體方法如下：①將 視為多剛體統(tǒng)，利用沖量定理和動量矩定理建立 的動力學(xué)模型。②將動力學(xué)模型簡化為關(guān)于未知的環(huán)節(jié)慣性參數(shù)的線性方程組；而方程組中其他參數(shù)則基于傳感器的測量數(shù)據(jù)直接獲取或 擬采用的傳感器包括：①與地面的接觸力傳感器，用于地面對的支撐力。②基于立體視覺的運動捕捉系統(tǒng)，用于測量各個“剛體”的運動參數(shù)，如線速度、角速度等，以及通過計算或的各個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)。運動捕捉系統(tǒng)擬采用NaturalPoint公司OptiTrack6FLEX：V100R2視覺相機、ARENA運動捕捉軟件以及由于不同的各個環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)是不一樣的，為了達(dá)到最佳的增重效果，必須依據(jù)相應(yīng)的環(huán)節(jié)慣性參數(shù)對機構(gòu)進(jìn)行配置。在本課題中，將彈簧的懸掛點高度d節(jié)的參數(shù)。依據(jù)不同的環(huán)節(jié)慣性參數(shù)，利用彈簧的懸掛點高度計算求解各個彈簧所對應(yīng)的懸掛點。同時，針對每個需要自動調(diào)整的彈簧懸掛點設(shè)計一套伺服驅(qū)動機構(gòu)，主要包括axnElo懸掛點高度針對本課題失重環(huán)境下的增重技術(shù)，研制增重訓(xùn)練設(shè)備的原型系統(tǒng)，包括機械零件設(shè)計與加工、控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)等。開展相關(guān)增重訓(xùn)練的實驗研究，收根據(jù)失重環(huán)境下的增重技術(shù)的研究方案，方法中平行四邊形機構(gòu)和彈簧的選擇在具體的設(shè)計加工工作中是可以完全實現(xiàn)的。由日方程推導(dǎo)可知，只要系統(tǒng)的總勢能保持不變，系統(tǒng)就處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，而平衡狀態(tài)計算出的彈簧剛度系數(shù)以及懸掛點位置等參數(shù)，和彈簧向下懸掛的增重部分是完全等價的。所以根據(jù)研究方法和技術(shù)路線，準(zhǔn)確地設(shè)計機構(gòu)和彈簧，正確優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計并組裝系統(tǒng)，該套重力增加方法是可行的。①本課題提出失重環(huán)境下的增重技術(shù)，并研制了用于增重訓(xùn)練的原型系統(tǒng)。相對于現(xiàn)有的企鵝服、自行車功量計、太空跑步機以及抗阻力訓(xùn)練器等增重方式，本課題所提出的增重技術(shù)，沒有企鵝服的長時間穿著要求，也沒有自行車功量計、太空跑步機等效率的限制，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全和良好的穩(wěn)定性等特點，同時降低了機構(gòu)的能耗與制作工藝要求，大幅度降低了生產(chǎn)成本；本技術(shù)的增重負(fù)載有很大的調(diào)整范圍，對的增重效果不僅可以達(dá)到地面所受的負(fù)載，還可以地面負(fù)載，對于微重力環(huán)境中的宇航員，超過地面時所受的重力負(fù)載，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的對抗失重防護效果，也可以縮短宇航員的鍛煉時間。本課題的增重原型系統(tǒng)具有一定可折疊性，在不需要進(jìn)行對抗阻力鍛煉的時候可以折疊并固定于墻面，行成很小的體積，以適應(yīng)太空艙或航天飛機里空間狹小，同時滿足宇航員進(jìn)行對抗阻力鍛煉的需要。另外該Z軸的旋轉(zhuǎn)分別設(shè)置在靠近四邊形兩端，在滿足運動自由度要求的前提下，使得運動范圍盡量減小，既滿足宇航員②環(huán)節(jié)慣性參數(shù)辨識與自適應(yīng)補償。在運動力學(xué)的研究領(lǐng)域中，常采用核磁共振成像法（MRI、CT法以及數(shù)字模型計算法等來獲取環(huán)節(jié)慣性參數(shù)。