[發明專利]零（微）重力條件下的仿重力穿戴設備及相關配套設施

在審

• 申請號: 201611225251.5
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN107042893A
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 康子純
• 申請（專利權）人: 康子純
• 主分類號: B64G6/00
• 分類號: B64G6/00;A43B3/00;A47C17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.零(微)重力條件下的仿重力穿戴設備及相關配套設施，包括：仿重力宇航服，仿重力電磁靴，仿重力臥床，相關配套設施，其它；相關配套設施的計算機，通過仿重力穿戴設備的各種傳感器，判斷人體(宇航員)自主活動狀態，然后操控相關各執行部件，對人體(宇航員)身體各部，實時施加所需的仿重力。

2.根據權利要求1所述所述零(微)重力條件下的仿重力穿戴設備及相關配套設施，所述仿重力宇航服，其特征是：

A：用彈性材料(松緊帶或彈簧)的張緊控制，來制造所需人工仿重力；

B：確定人體頭(head)、胸(chest)、腹(abdomen)、臀(hip)、上肢(arm)、下肢(leg)，包括大腿(thigh)、小腿(shank)、足(foot)，(參見圖7)，各自所受地面重力近似值；

頭部重力：h(以英文身體部位首字母表示，下同)；

胸、腹、臀部重力：c、a、h，簡記為cah；

上肢重力：a；

下肢重力：l；包括大腿t，小腿s，足f

C：仿重力宇航服的彈性材料固定著力點為：

頭頂部(圖1中的5)，對應顱骨(參見圖8)；

肩部(圖1中的1)，對應鎖骨(參見圖8)，肩胛骨(參見圖8)；

腹與臀部(圖1中的2)，對應髖骨(參見圖8)；

大腿關節部(圖1中的3)，對應膝關節，髕骨(參見圖8)：

小腿和足部的踝關節部(圖1中的4)及足底電磁靴部(圖1中的6)，對應小腿脛骨、距骨、跟骨及足底骰骨、跖骨等(參見圖8、圖9)；

D：仿重力宇航服對全身各部施加的仿重力大小分布為：

①頭頂和肩部之間的彈性材料產生的張緊拉力(擠壓仿重力)，相當于頭部重力h；

②肩部和腹與臀部之間的彈性材料產生的張緊拉力(擠壓仿重力)，相當于頭部重力h，再加胸、腹、臀重力cah，再加上肢重力a，總計為：h+cah+2a；

③腹、臀與大腿膝關節部之間的彈性材料產生的張緊拉力，隨著人體的不同活動模式而變化：

站立時，單條大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)，相當于頭部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah，加上上肢兩臀和兩條大腿重力總和的一半，即：

單條大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)＝1/2(h+cah+2a+2t)；

行走時，單條大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)，在零和此大腿以上各身體部位重力總和，再加上一條大腿和另一條腿(大腿、小腿、足部)的重力總和之間變化，即：

0≤單條大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)≤(h+cah+2a+2t+s+f)；

另一大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)連同它的小腿及足部所受彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)都變為0；但同時此另一大腿及小腿與足部，需承受大腿加小腿加足部的拉伸仿重力，即

中的(t+s+f)，由完整版仿重力宇航服的體外機械骨骼(碳纖維或輕質合金制成的體外機械臀)的彈性材料提供這種拉伸仿重力。

所以，在行走時，一條大腿承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力或拉伸仿重力)，在一個行走周期里，實際由兩部分變化組成，即擠壓仿重力和拉伸仿重力的周期性變化，即：

拉伸仿重力中的(++s+f)≤單條大腿行走周期內所受仿重力≤擠壓仿重力(h+cah+2a+2t+s+f)；

拉伸仿重力由完整版仿重力宇航服的體外機械骨骼的彈性材料提供(圖2)；擠壓仿重力由簡化版仿重力宇航服提供(圖1)。

坐下時，臀部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)，相當于頭部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah，兩臀重力2a，再加上兩條大腿重力的一半，即：

臀部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)＝h+cah+2a+t；

④膝關節和小腿及足部之間彈性材料產生的張緊拉力，亦隨著人體的不同活動模式而變化：

站立時，單條小腿及足部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力或拉伸仿重力)，相當于頭部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah的一半，再加上一條手臂重力a和一條大腿重力t，加小腿重力s，加足的重力f，即：

單條小腿及足部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)＝1/2(h+cah)+a+t+s+f；

行走時，單條小腿及足部承受的彈性材料的張緊拉力(即擠壓仿重力)，在零和全身擠壓仿重力之間變化，即：

0≤單條小腿及足部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)≤h+cah+2(a+t+s+f)；

此外，另一小腿及足部的受力情況是，其上部大腿及小腿和足部的擠壓重力變為零，但它受到完整版仿重力宇航服(圖2)的體外機械骨骼(體外機械臂)所設彈性材料施加的拉伸仿重力，即拉伸仿重力中的(t+s+f)；故：

行走時，一條小腿及足部承受的仿重力，在一個行走周期內，在拉伸仿重力中的(t+s+f)與全身擠壓仿重力h+cah+2(a+t+s+f)之間變化，即：

拉伸仿重力中的(t+s+f)≤單條小腿及足部行走周期內所受仿重力≤擠壓仿重力h+cah+2(a+t+s+f)；

坐下時，單條小腿及足部承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)，相當于大腿重力t的一半，加上小腿重力s和足部重力f即：

單條小腿及足部所承受的彈性材料張緊拉力(擠壓仿重力)＝1/2t+s+f；

E：彈性材料(裝于簡化版仿重力宇航服(圖1)或完整版仿重力宇航服(圖2)的體外機械骨骼上的松緊帶或彈簧)(圖1中的7、8、9、10與圖2中的16、17、18)，通過張緊調控裝置(圖1中的12、13、14與圖2中的19、20)，調控仿重力宇航服各部分的彈性材料(圖1中的7、8、9、10與圖2中的16、17、18)的張緊程度，對活動狀態下的身體各部位，施加上述D所需求的擠壓仿重力或拉伸仿重力。

彈性材料可編織成網狀，也可以采用帶狀，可以采用盡可能少的帶狀彈性材料；可以采用很短的彈性材料，連接無彈性不改變長度的尼龍帶，加張緊調控裝置，來獲得所需仿重力大小的張緊拉力，同時不影響人的呼吸和血液、體液循環與身體舒適度。

張緊調控裝置(圖1中的12、13、14與圖2中的19、20)可采用液壓方式或機械方式控制彈性材料(圖1中的7、8、9、10與圖2中的16、17、18)的張緊程度。

張緊調節裝置(圖1中的12、13、14與圖2中的19、20)的控制，由仿重力穿戴設備相關配套設施的計算機，依據人體活動狀態下安裝在身體各部(胸、腹、手臂、大腿、小腿、足部)的表面肌電傳感器(圖4中的5、6、7、8)、壓力傳感器(圖3中的7)或位移傳感器(圖3中的7)所給出的數據，經軟件算法與預先存入的相關數據比對判斷，所得出的上述D所需身體各部所需擠壓仿重力或拉伸仿重力大小，予以實時控制。

仿重力宇航服與電磁靴之間，以無彈性尼龍帶(圖1中的11、圖3中的5)拉緊連接，使小腿及足部承受的仿重力大小，傳遞到電磁靴(圖1中的6、圖3中的1)。

仿重力宇航服的彈性材料的布設，只對人體體位的中軸線方向(縱向)施加仿重力，不在與中軸線垂直的橫向產生張緊擠壓，以防仿重力宇航服對人體的呼吸和血液、體液循環造成負面影響。

F：仿重力宇航服可在零(微)重力條件(懸空漂浮)下單獨使用，不使用電磁靴；此時，依據胸、背部、大腿、小腿上安裝的表面肌電傳感器給出的數據，判定人體活動狀態(仿站立、行走、坐下狀態)，來控制和調控仿重力宇航服各彈性材料調控裝置，對身體各部施加所需仿重力大小。

G：鑒于零(微)重力條件下長期的太空飛行，給宇航員造成的主要健康問題，是脊柱及周圍肌肉的萎縮及背痛，和身體長高，故此，擠壓仿重力是最應該注意的，其它在身體不同狀態下加于上肢和下肢的拉伸仿重力是次要的。依據這種考慮，我們可以選擇舍棄制造拉伸仿重力的體外機械骨骼(體外機械臂)及所設彈性材料與張緊調控裝置，大大簡化仿重力宇航服，使其更為可靠、輕便、可行，即棄用附圖2的完整版仿重力宇航服設計，采用附圖1的簡化版仿重力宇航服設計。

H：依據G，還可以進一步簡化簡化版仿重力宇航服，推出更簡便的手動版仿重力宇航服，即取消計算機自動控制系統對人體(宇航員)各種活動狀態(站立、行走、坐姿、臥姿)下加于人體各部的仿重力調控，改用人工手動調控，使頭頂到肩部的擠壓仿重力保持為h；肩部到臀部之間的擠壓仿重力保持為h+cah+2a；腹臀與大腿膝關節部的擠壓仿重力保持為小于h+cah+2a+2t+s+f；膝關節和小腿及足部之間的擠壓仿重力保持為小于h+cah+2(a+t+s+f)；經零(微)重力條件下反復測試，就可得到最簡單、最可靠且基本符合醫學要求的純手動調控的仿重力宇航服。

I：手動版仿重力宇航服，還可分解為可單獨使用的頭部仿重力束帶；胸腹部仿重力上裝；腹臀下肢仿重力褲子。