面向微重力环境的宇航员康复训练机器人技术研究

本项目针对如何解决在失重环境下长期工作的宇航员的康复训练问题开展研究工作，主要目标是研究一种通过柔索驱动的宇航员康复训练机器人，它能模拟地面环境的受力特点，使宇航员能够在太空失重环境下进行跑步、负重深蹲和卧推等体育训练。通过理论和实验研究，突破在失重状态下康复训练的模式、机器人构型设计、人机系统动力学模型、并联柔索驱动机器人的力/位控制等方面的关键技术，为失重环境下康复训练机器人的研究奠定基础。探讨通过采用模块化可重构的机器人结构，根据需要调整机器人构型和控制策略，实现多种方式的运动训练项目，实现一机多用，克服了以往训练器械体积大、功能单一等不足，为宇航员的康复训练提供一种有效的方法。

载人航天对于拓展人类活动空间、促进国家综合实力的发展具有重要作用，因此得到了各主要国家的重视。然而失重长时间、持续的作用在航天员身体上，会影响航天员的健康和工作，严重时可能威胁到航天员的生命。多模式航天员训练机器人通过并联柔索机器人模拟重力环境的负载特性，把载荷施加到人体上，辅助航天员在失重环境下开展体育训练，减轻空间适应综合征不利影响，这对载人航天事业具有重要意义。.首先，确定了机器人的训练模式及训练机理，并提出机器人的设计要求；根据机器人设计要求，提出了模块化、可重构的机器人结构方案和柔索驱动单元结构方案，并确定了机器人的可控工作空间及安全工作空间；确定了机器人总体控制方案。.其次，以模块化的柔索驱动单元为研究对象，建立了在考虑承载对象运动影响的情况下的完整的柔索驱动被动式力伺服系统的数学模型；分析了系统中的不确定因素以及各因素对系统性能的影响，为系统的改进设计提供依据。.第三，以柔索驱动单元标称模型为研究对象，设计了柔索驱动单元主动加载复合控制策略，并通过仿真和实验验证复合校正后系统的稳定性、稳态精度、动态品质满足“双十”指标；设计了柔索驱动单元被动加载控制策略，通过仿真和实验来检验了柔索驱动单元被动加载复合控制策略多余力抑制效果，检验了系统的品质鲁棒性。.第四，设计了多模式航天员训练机器人双闭环控制策略，提高了机器人整体的加载精度，消除横向力影响；建立了柔索牵引力规划数学模型，确定各柔索张力与柔索长度及期望负载力的数学关系；建立了失重环境下人体跑步、卧推及负重深蹲的动力学模型；通过仿真验证了机器人柔索牵引力规划模型的准确性和机器人双闭环力控制策略的有效性。.最后，在dSPACE半物理仿真平台的基础上，开展了单柔索驱动单元性能实验、平面二柔索驱动单元性能实验、空间三柔索驱动单元性能实验以及人机实验研究。验证了多模式航天员训练机器人构型的合理性、柔索牵引力规划模型的准确性，控制策略的有效性，证明机器人可以辅助航天员在失重环境下开展体育训练。