имитатор бега и ходьбы космонавта на борту космического объекта

Формула изобретения

Имитатор бега и ходьбы космонавта на борту космического объекта, содержащий бандаж, размещаемый вокруг талии космонавта, нерастяжимые тяги, перекидываемые через плечи космонавта, с концами, закрепленными на бандаже, по крайней мере, два нагружающих элемента, одним концом прикрепленные к бандажу, отличающийся тем, что бандаж имеет перемычку, размещаемую между ног космонавта, концы которой закреплены спереди и сзади бандажа; нагружающие элементы размещены справа и слева вдоль бедер космонавта; введены также, по крайней мере, два гибких элемента, одни концы которых соединены с перемычкой бандажа, а другие - с концами соответствующих нагружающих элементов, причем гибкий элемент крепится с двух сторон к опоре, размещенной под стопой космонавта, при этом гибкие элементы снабжены узлами изменения длины, а нагружающие элементы снабжены устройствами формирования силовой характеристики с регулятором силы; кроме того, введены упругие эластичные элементы, при этом одни концы эластичных элементов служат для соединения с телом космонавта, а другие - с корпусом космического объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области тренажеров для тренировки космонавтов (астронавтов) в условиях невесомости на борту орбитальной станции или космического аппарата, совершающего межпланетный перелет.

Известен имитатор бега и ходьбы космонавта, используемый на космическом корабле "Шаттл" и описанный в работе [1]. Устройство принято в качестве прототипа и содержит основание и установленную на нем дорожку, выполненную в виде замкнутой "гусеницы", электрический привод дорожки, органы управления скоростью дорожки, эластичные элементы удержания тренажера относительно корпуса космического объекта. Устройство содержит также бандаж, размещаемый вокруг талии космонавта, ремни, перекидываемые через плечи космонавта, с концами, закрепленными на бандаже; по крайней мере два нагружающих элемента, одним концом прикрепленные к бандажу, а другим - к основанию устройства.

При работе устройства космонавт располагается на беговой дорожке. Причем на нем закрепляется бандаж, ремни, а также концы нагружающих элементов. Другие концы нагружающих элементов крепятся на основании устройства. При этом создаются заданные нагружения на костно-мышечную систему космонавта. Затем приводится в действие привод перемещения дорожки и космонавт бежит навстречу движению дорожки с той же, что и у дорожки, скоростью.

Недостатком устройства является значительный уровень динамических нагрузок на корпус космического объекта (КО), возникающих при выполнении космонавтом упражнений.

Из-за наличия в составе устройства электропривода устройство обладает существенным энергопотреблением (~400 Вт).

Другим недостатком прототипа является то, что он обладает значительной массой (~380 кг).

Наконец, как всякое механическое устройство, прототип обладает ограниченным ресурсом эксплуатации, что требует комплекта запасных частей. Как следствие, это дополнительно увеличивает общую массу тренажера.

Задачей изобретения является уменьшение уровня динамических нагружений на корпус космического объекта, уменьшение массы и энергопотребления тренажера, а также обеспечение ремонтопригодности устройства без наличия запасных деталей большой массы на борту КО.

Задача решается тем, что имитатор бега и ходьбы космонавта на борту космического объекта, содержащий бандаж, размещаемый вокруг талии космонавта, ремни, перекидываемые через плечи космонавта, с концами, закрепленными на бандаже, по крайней мере два нагружающих элемента (НЭ), одним концом прикрепленные к бандажу. Бандаж имеет перемычку, размещаемую между ног космонавта, концы которой закреплены спереди и сзади бандажа. Нагружающие элементы размещены справа и слева вдоль бедер космонавта. Введены также по крайней мере два гибких элемента (ГЭ), одни концы которых соединены с перемычкой бандажа, а другие - с концами соответствующих нагружающих элементов. Причем гибкий элемент крепится с двух сторон к опоре, размещенной под стопой космонавта. При этом гибкие элементы снабжены узлами изменения длины, а нагружающие элементы снабжены устройствами формирования силовой характеристики с регулятором силы, кроме того, введены слабоупругие эластичные элементы, при этом одни концы эластичных элементов служат для соединения с телом космонавта, а другие - с корпусом космического объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг.1, 2 представлен общий вид предлагаемого устройства;

- на фиг.3, 4 показано применение удерживающих жгутов (фиг.3) и подпружиненной сетки (фиг.4) для ограничения дрейфа космонавта при выполнении им физических упражнений;

- на фиг.5 представлена эпюра нагружений костно-мышечной системы (КМС) человека в положении "стоя" в наземных условиях;

- на фиг.6 представлена эпюра нагружений КМС космонавта (также в положении "стоя") в случае применения предлагаемого устройства в условиях КО;

- на фиг.7, 8 представлены (в упрощенном виде) графики изменения нагружений (F) КМС человека при ходьбе (фиг.7) и беге (фиг.8) в наземных условиях, (сплошные линии) и при выполнении упражнений на предлагаемом тренажере (пунктирные линии) в условиях невесомости;

- на фиг.9 представлена развертка бандажа предлагаемого устройства;

- на фиг. 10 представлена схема НЭ, выполненного в виде плоского резинового жгута;

- на фиг.11 представлен набор нагружающих элементов, выполненных в виде винтовых пружин;

- на фиг.12 представлен набор нагружающих элементов с введенным в их состав демпфером с регулятором силы;

- на фиг.13, 14, 15 представлена конструктивная схема узла крепления гибкого элемента на опоре, размещенной под стопой космонавта.

На чертежах представлены следующие позиции:

1 - бандаж;

2, 3 - нерастяжимые тяги;

4, 5, 6 - нагружающие элементы (НЭ);

7 - устройство формирования силовой характеристики;

8 - регулятор силы;

9 - перемычка;

10, 11 - гибкие элементы (ГЭ);

12 - опора;

13 - элемент крепления;

14, 15 -ролики;

16 - накладка;

17, 18 - узлы изменения длины;

19 - эластичные элементы (ЭЭ);

20 - космический объект (КО);

21 - упругий ограничивающий экран;

22 - ботинок.

Предлагаемый имитатор бега и ходьбы космонавта на борту космического объекта (фиг.1, фиг.2) содержит бандаж 1, размещаемый вокруг талии космонавта, нерастяжимые тяги, выполненные в виде ремней 2, 3, перекидываемые через плечи космонавта, с концами, закрепленными на бандаже 1.

В состав предлагаемого устройства входят также два нагружающих элемента 4, 5, размещенные слева и справа вдоль бедер космонавта. Одним концом НЭ 4, 5 закреплены на бандаже 1. Причем нагружающие элементы могут быть выполнены, например, в виде резиновых жгутов 4, 5 (фиг.10). Либо в виде пружин 6 (фиг. 11). При этом НЭ могут быть снабжены устройствами формирования силовой характеристики 7, в том числе с регулятором силы 8.

Бандаж 1 имеет перемычку 9, размещаемую между ног космонавта, концы которой закреплены спереди и сзади бандажа 1.

Введены также два гибких элемента 10, 11, выполненных в виде тросиков, нитей или лент. Причем одни концы ГЭ 10, 11 соединены с перемычкой 9 бандажа 1, а другие - с концами соответствующих нагружающих элементов 4, 5. Причем гибкие элементы 10 или 11 крепятся на опоре 12 (размещенной под ботинком 22 космонавта) с помощью деталей 13,...,16. При этом гибкие элементы 10, 11 снабжены узлами изменения длины (УИД) 17, 18, выполненными, например, в виде застежек.

При сборке тренажера космонавт располагается в свободной зоне космического объекта и на нем закрепляются элементы 1,...,18.

С помощью УИД 17,18 по росту космонавта подгоняется длина гибких элементов 10, 11 с таким расчетом, чтобы в положении "стоя" ГЭ 10, 11 оказались натянутыми на заданное усилие. При этом, в свою очередь, через бандаж 1 натягиваются ремни 2, 3. Вследствие чего на заданную величину нагружается костно-мышечная система космонавта (фиг.5, 6).

Убедившись в своей неподвижности относительно стенок КО, космонавт совершает движения, имитирующие ходьбу, бег, прыжки, и т.д. При этом усилия, возникающие в элементах 1, 2,...,18 устройства, приводят к нагружениям КМС космонавта, аналогичным нагружениям в земных условиях (фиг.7, 8).

Так как внутренние силы не могут изменить положения центра масс космонавта, то он в процессе выполнения упражнений не может переместиться с места выполнения упражнений.

Таким образом, в условиях невесомости, в процессе выполнения упражнений космонавт не оказывает воздействий на корпус КО. Какими бы энергичными не были упражнения и сколько бы времени они не длились.

При наличии аэродинамических потоков внутри космического объекта (например, при работе вентиляторов), равно как и при наличии локальных ускорений на его борту, может иметь место дрейф космонавта относительно стенок КО при выполнении им физических упражнений. Для предотвращения дрейфа в состав предлагаемого устройства могут быть введены слабоупругие эластичные элементы 19 (фиг.3). При этом одни концы ЭЭ 19 соединяются с телом космонавта, а другие - с корпусом космического объекта 20.

Натяжения ЭЭ 19 центрируют положение космонавта относительно стенок КО 20.

Может быть введен упругий ограничивающий экран 21 (фиг.4), окружающий со всех сторон место занятий космонавта.

Штатно бандаж 1 не должен плотно облегать фигуру, с тем, чтобы беспрепятственно передавать нагрузку от ног космонавта на плечи, стремясь как бы сблизить между собой ступни и плечи (фиг.2) космонавта, имитируя тем самым действие силы веса.

Умышленное стягивание бандажа 1 вокруг талии приводит, при необходимости, к перераспределению нагрузки между ногами и торсом космонавта.

Ремни 2, 3 должны быть выполнены в виде нерастяжимых лент, т.к. их назначение - передавать нагружения от стоп космонавта на его плечи, не вызывая при этом смещения бандажа 1. Места крепления ремней 2, 3 на бандаже 1 должны определяться из условия равенства расстояний h₁, h₂ (фиг.9). Для надежности ремни 2, 3 можно соединить перемычками. При выполнении указанных условий бандаж 1 оказывается хорошо уравновешенным и не поддается перекосам в процессе работы.

На фиг. 10 представлена конструктивная схема нагружающего элемента, выполненного в виде плоского резинового жгута 4 или 5. Его достоинство в хорошей совместимости с телом человека.

Набор нагружающих элементов в виде винтовых пружин 6 (фиг.11) дает возможность дискретной регулировки суммарной силовой характеристики НЭ.

Набор нагружающих элементов 6 с введенным в их состав устройством формирования силовой характеристики 7 с регулятором силы 8 (фиг.12) позволяет прямо в процессе тренировки менять суммарную силовую характеристику НЭ самим космонавтом в зависимости от своего самочувствия или степени усталости.

В случае жесткого крепления основания тренажера нагрузки от ног и нагружающих элементов, при упражнениях космонавта, будут напрямую передаваться на корпус КО. Если учесть, что указанные нагрузки соизмеримы с весом космонавта в наземных условиях (см. [1]), то становится ясным, что в процессе тренировок корпус КО будет подвергаться значительным циклическим нагружениям по всем шести степеням подвижности тренажера.

При использовании предлагаемого устройства за счет введения эластичных элементов 19 динамические нагрузки на КО не превышают величины локального "веса" космонавта на борту КО, равного примерно 10^-6 от веса космонавта в наземных условиях.

Иными словами, предлагаемое техническое решение позволяет осуществить эффективную защиту космического объекта от толчков и вибровоздействий, сопровождающих физические упражнения космонавта на борту КО.

Предлагаемое устройство имеет малую массу (порядка нескольких килограмм). Просто по конструкции и не требует для своего размещения отдельного помещения или объема, т.к. собирается непосредственно на теле космонавта.

За счет изменения характеристик нагружающих элементов и длины ГЭ устройство позволяет создать широкий диапазон нагрузок на костно-мышечный аппарат космонавта, имитируя в том числе нагрузки при беге, ходьбе, прыжках, движении в сопротивляющейся среде и т.д.

Литература

1. Shock and Vibration Isolation for Cyclic Exercise in Spacecraft. W. Thornton, M.D., Scientist Astronaut, NASA, ISC 1991., p.312.