本發明涉及航天生命科學領域，特別涉及一種訓練器的使用方法。

背景技術：

目前，我國正在建設規模較大、長期有人參與的國家級太空實驗室，介時我國航天員將在太空失重中進行太空作業，航天員的身體健康狀況將成為決定其在空間站內工作效率高低的至關重要的因素。然而，航天員健康在太空中會受到失重、真空、輻射等嚴酷太空環境的考驗，其中失重對身體的影響是無法避免的。研究表明：失重會導致航天員生理和心理等方面一系列的問題，嚴重時甚至能威脅到航天員的生命。

目前，航天員主要通過企鵝服、自行車功量計、抗阻力訓練器及太空跑臺等體育訓練措施對抗失重產生的影響。然而，當前的訓練設備大都是讓航天員重復枯燥的簡單運動，人機交互以及娛樂性都較差，使得訓練效果大大的降低。劃船訓練對人體關節沖擊小，能夠改善心肺功能，促進血液循環，鍛煉全身肌肉，提高中樞神經對全身肌肉的支配效果，適合航天員在失重環境中開展實施，提高訓練效果。目前，國內外相關專利中：一種雙槳劃船訓練器（cn201320103131.3），通過電磁阻力器模擬劃船時的阻力，然后利用齒輪、皮帶等構件將阻力傳遞給人體；多功能劃船訓練器（cn200820107173.3），可模仿實船的前后移動和左右晃動以及對劃船者下肢力量的控制和運用進行仿真訓練，通過導軌的滑阻、扇葉的風阻以及電機的磁阻提供運動阻力；健腹劃船組合訓練器（cn201520046106.5）通過彈性組件模擬運動阻力。目前的劃船訓練器材運動形式簡單，多使用風輪或摩擦阻尼器作為運動負載，同時無法真實地模擬劃船運動的實際運動狀態和負載的變化。此外，當前地面上通用的劃船訓練器體積和質量較大，安裝操作復雜，不便于運輸、安裝和操作，不適于在寸土如金的航天器內使用。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種訓練器的使用方法，解決了現有太空失重環境下訓練器械效果不明顯，訓練器互動性、適應性和可調節性能差等缺點，不僅適用于太空失重環境中的航天員，同時也適用于需要進行康復訓練或正常鍛煉的普通人。

本發明提到的一種用于失重環境的柔索驅動航天員劃船訓練器，包括三個負載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分，其中，負載控制單元由柔索纏繞輪、電機支架、力矩電機和導向輪組成，柔索纏繞在柔索纏繞輪上并經過導向輪改變傳遞方向，柔索的末端與船槳末端相連，柔索的伸縮量通過電機末端編碼器測量；

船槳單元由船槳、船槳支架組成，船槳通過球鉸機構與船槳支架連接，柔索與船槳末端通過套筒連接，柔索穿過可自由轉動的套筒與船槳上相連，通過螺母擋圈限制柔索的徑向滑動；

座椅單元由座椅、導軌、拉伸彈簧和腳踏板組成，座椅可在導軌上滑動，通過拉伸彈簧與腳踏板連接，自由狀態下，座椅被拉緊在導軌前部，訓練時，拉伸彈簧提供運動阻力以及座椅歸位的恢復力，對航天員腿部和腰腹部肌肉進行有效訓練；

虛擬顯示單元部分主要由顯示屏組成，控制系統根據三根柔索的伸縮量可以確定船槳的位置，顯示屏模擬虛擬水面，并實時顯示船槳在水中位置，同時，顯示屏還顯示人體生理數據，供相關人員監測和分析。

優選的，三個導向輪和套筒構成空間四面體的四個頂點，三根柔索構成空間四面體的三個棱邊，形成空間力，三根柔索在套筒上施加的力可以分解為沿著船槳軸線的分力、船槳水平方向的徑向力和船槳豎直方向的徑向力，其中，沿著船槳的徑向力由球鉸機構來承受，船槳水平方向的徑向力和豎直方向的徑向力分別模擬船槳在水中水平方向的阻力和豎直方向的阻力。

上述的套筒上設有多組小孔，柔索穿過小孔。

另外，三個負載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分通過控制系統實現工作，其中，控制系統由上位機控制系統和下位機負載控制器組成，上位機控制系統根據編碼器檢測到的柔索的伸縮量確定船槳末端在虛擬水面中位置以及船槳在水中的劃動速度、劃動阻力；通過顯示屏為航天員模擬當前狀態下的水面、船槳、水面附近的風景以及航天員身體健康狀況，根據流體力學相關知識可確定船槳末端的阻力，然后將阻力分解為各柔索上的期望分力fdi，上位機控制系統向各個負載控制單元發送指令，負載控制單元實時采集電機的驅動電流i，根據tm=cm.i，tm為電機的驅動力矩，cm為電機力矩系數，可確定各個柔索的張力，控制各個負載控制單元分別向船槳施加阻力fi，整個訓練過程中，航天員做主動運動，而劃船訓練器處于被動跟隨狀態。

本發明提到的一種用于失重環境的柔索驅動航天員劃船訓練器的使用方法，包括以下步驟：

使用時，航天員面向顯示屏坐在座椅上并將自己固定，雙腳踏在腳踏板上，雙手握住船槳，與此同時，顯示屏顯示虛擬水面以及船槳；

劃船時分為四個階段：出水階段，雙腳蹬緊腳踏板，雙腿伸直，雙臂下壓船槳，船槳末端抬高，此時拉伸彈簧完全拉伸，船槳末端僅受負載控制單元模擬的豎直向下的出水阻力；回槳階段，緩緩屈膝，肩部放松，雙臂逐漸收回，將船槳收至胸前，拉伸彈簧收緊，此時船槳末端不受任何負載力；入水階段，雙臂用力上抬船槳，船槳末端入水，此時船槳末端僅受負載控制單元模擬的豎直向上的入水阻力；推槳階段，雙腳蹬緊腳踏板，雙腿用力伸直，雙臂用力向前推動船槳至遠離胸部的位置，此時拉伸彈簧又被完全拉伸，船槳末端受負載控制單元模擬的豎直向前的推動力；

在劃船過程中，顯示屏會實時顯示船槳的運動以及船體前進時環境的變化。

本發明的有益效果具體如下：

（1）柔索驅動航天員劃船訓練器采用模塊化的設計方法，訓練器整體結構簡單、質量輕、占用空間小，拆卸和安裝方便，便于空間運輸和使用；

（2）纏繞輪和導向輪可以減小繩傳動的摩擦阻力，提高了工作效率，同時可以提高傳動的可靠性和平穩性；

（3）劃船訓練器柔索作為力傳遞元件，通過三個柔索構成空間四邊形的棱邊，還有空間四邊形的四個頂點，能形成空間力，這樣簡化復雜的機械結構，同時柔索的柔順性較好，能夠避免剛性沖擊，提高劃船訓練的舒適性和安全性；

（4）訓練過程中，通過虛擬顯示系統，可以使訓練人員體會到劃船的樂趣，緩解訓練人員由于單一訓練動作而產生的疲勞感。

附圖說明

圖1是本發明的柔索驅動劃船訓練器的總體結構示意圖；

圖2是本發明的柔索驅動劃船訓練器的側視圖；

圖3是本發明的柔索驅動劃船訓練器船槳末端局部放大圖；

圖4是本發明的柔索驅動劃船訓練器控制原理方框圖；

附圖中：柔索纏繞輪1、電機支架2、力矩電機3、導向輪4、柔索5、船槳6、船槳支架7、球鉸機構8、座椅9、導軌10、拉伸彈簧11、腳踏板12、顯示屏13、套筒14。

具體實施方式

結合附圖1-3，對本發明作進一步的描述：

本發明提到的一種用于失重環境的柔索驅動航天員劃船訓練器，包括三個負載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分，其中：

負載控制單元由柔索纏繞輪1、電機支架2、力矩電機3和導向輪4組成。柔索5纏繞在柔索纏繞輪1上并經過導向輪4改變傳遞方向，柔索5末端與船槳6末端相連，柔索5的伸縮量通過電機末端編碼器測量。

船槳單元由船槳6、船槳支架7組成，船槳6通過球鉸機構8與船槳支架7連接。柔索5與船槳6末端連接的局部放大圖如圖3所示，柔索5穿過自由轉動的套筒14與船槳6上相連，通過螺母擋圈限制柔索5的徑向滑動。

設計安裝時，3個導向輪4和套筒14構成空間四面體的4個頂點，3根柔索5構成空間四面體的3個棱邊。3根柔索5在套筒14上施加的力可以分解為沿著船槳軸線的分力、船槳水平方向的徑向力和船槳豎直方向的徑向力。其中，沿著船槳6的徑向力由球鉸機構8來承受，船槳6水平方向的徑向力和豎直方向的徑向力分別模擬船槳在水中水平方向的阻力和豎直方向的阻力。

座椅單元由座椅9、導軌10、拉伸彈簧11和腳踏板12組成。座椅9可在導軌10上滑動，通過拉伸彈簧11與腳踏板12連接。自由狀態下，座椅9被拉緊在導軌前部。訓練時，拉伸彈簧11提供運動阻力以及座椅9歸位的恢復力，對航天員腿部和腰腹部肌肉進行有效訓練。

虛擬顯示單元主要由顯示屏13組成，控制系統根據3根柔索的伸縮量可以確定船槳的位置，顯示屏13模擬虛擬水面，并實時顯示船槳在水中位置。同時，顯示屏還顯示人體生理數據，供相關人員監測和分析。

參照附圖4，航天員劃船訓練器的三個負載控制單元、船槳單元、座椅單元、虛擬顯示單元部分通過控制系統完成工作，控制系統由上位機控制系統和下位機負載控制器組成。三個負載控制單元分別為負載控制器-1、負載控制器-2、負載控制器-3，負載控制器-1通過電流傳感器實時采集電機-1的驅動電流，負載控制器-2通過電流傳感器實時采集電機-2的驅動電流，負載控制器-3通過電流傳感器實時采集電機-3的驅動電流；

工作時，上位機控制系統根據編碼器檢測到的柔索的伸縮量確定船槳6末端在虛擬水面中位置以及船槳在水中的劃動速度、劃動阻力。通過虛擬顯示單元部分的顯示屏13為航天員模擬當前狀態下的水面、船槳、水面附近的風景以及航天員身體健康狀況，增強人機交互以及訓練的娛樂性，提高訓練效果。根據流體力學相關知識可確定船槳末端的阻力，然后將阻力分解為各柔索5上的期望分力fdi，上位機控制系統向各負載控制單元發送指令，負載控制器實時采集電機的驅動電流i，根據tm=cm.i，其中tm為電機的驅動力矩，cm為電機力矩系數，可確定各個柔索的張力，控制各單元分別向船槳施加阻力fi。整個訓練過程中，航天員做主動運動，而劃船訓練器處于被動跟隨狀態。

實際使用時，航天員面向顯示屏13坐在座椅9上并將自己固定，雙腳踏在腳踏板12上，雙手握住船槳6，與此同時，顯示屏13顯示虛擬水面以及船槳。劃船時分為四個階段：出水階段，雙腳蹬緊腳踏板12，雙腿伸直，雙臂下壓船槳6，船槳6末端抬高，此時拉伸彈簧11完全拉伸，船槳6末端僅受負載控制單元模擬的豎直向下的出水阻力；回槳階段，緩緩屈膝，肩部放松，雙臂逐漸收回，將船槳6收至胸前，拉伸彈簧11收緊，此時船槳6末端不受任何負載力；入水階段，雙臂用力上抬船槳6，船槳6末端入水，此時船槳6末端僅受負載控制單元模擬的豎直向上的入水阻力；推槳階段，雙腳蹬緊腳踏板12，雙腿用力伸直，雙臂用力向前推動船槳6至遠離胸部的位置，此時拉伸彈簧11又被完全拉伸，船槳6末端受負載控制單元模擬的豎直向前的推動力。在劃船過程中，顯示屏13會實時顯示船槳的運動以及船體前進時環境的變化。

以上所述，僅是本發明的部分較佳實施例，任何熟悉本領域的技術人員均可能利用上述闡述的技術方案加以修改或將其修改為等同的技術方案。因此，依據本發明的技術方案所進行的任何簡單修改或等同置換，盡屬于本發明要求保護的范圍。