[发明专利]零（微）重力条件下的仿重力穿戴设备及相关配套设施

权利要求书

1.零(微)重力条件下的仿重力穿戴设备及相关配套设施，包括：仿重力宇航服，仿重力电磁靴，仿重力卧床，相关配套设施，其它；相关配套设施的计算机，通过仿重力穿戴设备的各种传感器，判断人体(宇航员)自主活动状态，然后操控相关各执行部件，对人体(宇航员)身体各部，实时施加所需的仿重力。

2.根据权利要求1所述所述零(微)重力条件下的仿重力穿戴设备及相关配套设施，所述仿重力宇航服，其特征是：

A：用弹性材料(松紧带或弹簧)的张紧控制，来制造所需人工仿重力；

B：确定人体头(head)、胸(chest)、腹(abdomen)、臀(hip)、上肢(arm)、下肢(leg)，包括大腿(thigh)、小腿(shank)、足(foot)，(参见图7)，各自所受地面重力近似值；

头部重力：h(以英文身体部位首字母表示，下同)；

胸、腹、臀部重力：c、a、h，简记为cah；

上肢重力：a；

下肢重力：l；包括大腿t，小腿s，足f

C：仿重力宇航服的弹性材料固定着力点为：

头顶部(图1中的5)，对应颅骨(参见图8)；

肩部(图1中的1)，对应锁骨(参见图8)，肩胛骨(参见图8)；

腹与臀部(图1中的2)，对应髋骨(参见图8)；

大腿关节部(图1中的3)，对应膝关节，髌骨(参见图8)：

小腿和足部的踝关节部(图1中的4)及足底电磁靴部(图1中的6)，对应小腿胫骨、距骨、跟骨及足底骰骨、跖骨等(参见图8、图9)；

D：仿重力宇航服对全身各部施加的仿重力大小分布为：

①头顶和肩部之间的弹性材料产生的张紧拉力(挤压仿重力)，相当于头部重力h；

②肩部和腹与臀部之间的弹性材料产生的张紧拉力(挤压仿重力)，相当于头部重力h，再加胸、腹、臀重力cah，再加上肢重力a，总计为：h+cah+2a；

③腹、臀与大腿膝关节部之间的弹性材料产生的张紧拉力，随着人体的不同活动模式而变化：

站立时，单条大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)，相当于头部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah，加上上肢两臀和两条大腿重力总和的一半，即：

单条大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)＝1/2(h+cah+2a+2t)；

行走时，单条大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)，在零和此大腿以上各身体部位重力总和，再加上一条大腿和另一条腿(大腿、小腿、足部)的重力总和之间变化，即：

0≤单条大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)≤(h+cah+2a+2t+s+f)；

另一大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)连同它的小腿及足部所受弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)都变为0；但同时此另一大腿及小腿与足部，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体外机械骨骼(碳纤维或轻质合金制成的体外机械臀)的弹性材料提供这种拉伸仿重力。

所以，在行走时，一条大腿承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力或拉伸仿重力)，在一个行走周期里，实际由两部分变化组成，即挤压仿重力和拉伸仿重力的周期性变化，即：

拉伸仿重力中的(++s+f)≤单条大腿行走周期内所受仿重力≤挤压仿重力(h+cah+2a+2t+s+f)；

拉伸仿重力由完整版仿重力宇航服的体外机械骨骼的弹性材料提供(图2)；挤压仿重力由简化版仿重力宇航服提供(图1)。

坐下时，臀部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)，相当于头部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah，两臀重力2a，再加上两条大腿重力的一半，即：

臀部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)＝h+cah+2a+t；

④膝关节和小腿及足部之间弹性材料产生的张紧拉力，亦随着人体的不同活动模式而变化：

站立时，单条小腿及足部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力或拉伸仿重力)，相当于头部重力h，加上胸、腹、臀部重力cah的一半，再加上一条手臂重力a和一条大腿重力t，加小腿重力s，加足的重力f，即：

单条小腿及足部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)＝1/2(h+cah)+a+t+s+f；

行走时，单条小腿及足部承受的弹性材料的张紧拉力(即挤压仿重力)，在零和全身挤压仿重力之间变化，即：

0≤单条小腿及足部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)≤h+cah+2(a+t+s+f)；

此外，另一小腿及足部的受力情况是，其上部大腿及小腿和足部的挤压重力变为零，但它受到完整版仿重力宇航服(图2)的体外机械骨骼(体外机械臂)所设弹性材料施加的拉伸仿重力，即拉伸仿重力中的(t+s+f)；故：

行走时，一条小腿及足部承受的仿重力，在一个行走周期内，在拉伸仿重力中的(t+s+f)与全身挤压仿重力h+cah+2(a+t+s+f)之间变化，即：

拉伸仿重力中的(t+s+f)≤单条小腿及足部行走周期内所受仿重力≤挤压仿重力h+cah+2(a+t+s+f)；

坐下时，单条小腿及足部承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)，相当于大腿重力t的一半，加上小腿重力s和足部重力f即：

单条小腿及足部所承受的弹性材料张紧拉力(挤压仿重力)＝1/2t+s+f；

E：弹性材料(装于简化版仿重力宇航服(图1)或完整版仿重力宇航服(图2)的体外机械骨骼上的松紧带或弹簧)(图1中的7、8、9、10与图2中的16、17、18)，通过张紧调控装置(图1中的12、13、14与图2中的19、20)，调控仿重力宇航服各部分的弹性材料(图1中的7、8、9、10与图2中的16、17、18)的张紧程度，对活动状态下的身体各部位，施加上述D所需求的挤压仿重力或拉伸仿重力。

弹性材料可编织成网状，也可以采用带状，可以采用尽可能少的带状弹性材料；可以采用很短的弹性材料，连接无弹性不改变长度的尼龙带，加张紧调控装置，来获得所需仿重力大小的张紧拉力，同时不影响人的呼吸和血液、体液循环与身体舒适度。

张紧调控装置(图1中的12、13、14与图2中的19、20)可采用液压方式或机械方式控制弹性材料(图1中的7、8、9、10与图2中的16、17、18)的张紧程度。

张紧调节装置(图1中的12、13、14与图2中的19、20)的控制，由仿重力穿戴设备相关配套设施的计算机，依据人体活动状态下安装在身体各部(胸、腹、手臂、大腿、小腿、足部)的表面肌电传感器(图4中的5、6、7、8)、压力传感器(图3中的7)或位移传感器(图3中的7)所给出的数据，经软件算法与预先存入的相关数据比对判断，所得出的上述D所需身体各部所需挤压仿重力或拉伸仿重力大小，予以实时控制。

仿重力宇航服与电磁靴之间，以无弹性尼龙带(图1中的11、图3中的5)拉紧连接，使小腿及足部承受的仿重力大小，传递到电磁靴(图1中的6、图3中的1)。

仿重力宇航服的弹性材料的布设，只对人体体位的中轴线方向(纵向)施加仿重力，不在与中轴线垂直的横向产生张紧挤压，以防仿重力宇航服对人体的呼吸和血液、体液循环造成负面影响。

F：仿重力宇航服可在零(微)重力条件(悬空漂浮)下单独使用，不使用电磁靴；此时，依据胸、背部、大腿、小腿上安装的表面肌电传感器给出的数据，判定人体活动状态(仿站立、行走、坐下状态)，来控制和调控仿重力宇航服各弹性材料调控装置，对身体各部施加所需仿重力大小。

G：鉴于零(微)重力条件下长期的太空飞行，给宇航员造成的主要健康问题，是脊柱及周围肌肉的萎缩及背痛，和身体长高，故此，挤压仿重力是最应该注意的，其它在身体不同状态下加于上肢和下肢的拉伸仿重力是次要的。依据这种考虑，我们可以选择舍弃制造拉伸仿重力的体外机械骨骼(体外机械臂)及所设弹性材料与张紧调控装置，大大简化仿重力宇航服，使其更为可靠、轻便、可行，即弃用附图2的完整版仿重力宇航服设计，采用附图1的简化版仿重力宇航服设计。

H：依据G，还可以进一步简化简化版仿重力宇航服，推出更简便的手动版仿重力宇航服，即取消计算机自动控制系统对人体(宇航员)各种活动状态(站立、行走、坐姿、卧姿)下加于人体各部的仿重力调控，改用人工手动调控，使头顶到肩部的挤压仿重力保持为h；肩部到臀部之间的挤压仿重力保持为h+cah+2a；腹臀与大腿膝关节部的挤压仿重力保持为小于h+cah+2a+2t+s+f；膝关节和小腿及足部之间的挤压仿重力保持为小于h+cah+2(a+t+s+f)；经零(微)重力条件下反复测试，就可得到最简单、最可靠且基本符合医学要求的纯手动调控的仿重力宇航服。

I：手动版仿重力宇航服，还可分解为可单独使用的头部仿重力束带；胸腹部仿重力上装；腹臀下肢仿重力裤子。