江一帆，喬 兵?，趙 穎

（1.南京航空航天大學航天學院飛行器設計系，南京210016；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

1 引言

太空環(huán)境與人類已經(jīng)適應了的地面環(huán)境有著極大的區(qū)別。惡劣而極端的太空環(huán)境對載人航天任務的順利開展構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)，最為明顯的就是太空中的低重力（指失重和微重力，即重力加速度大于或等于零而小于地表重力速度）環(huán)境對人體所造成的種種負面影響，包括肌肉萎縮、平衡能力變差、心血管功能減弱和骨骼疏松等［1］，從而導致人體有氧運動能力下降、肌力下降等問題，嚴重影響航天員的安全、健康和工作效能。人在微重力環(huán)境下不僅生理機能受到影響，肢體運動模式也會發(fā)生很大變化。以阿波羅登月任務為例，航天員在月球表面上行走的步態(tài)、步距等與在地表重力環(huán)境下大不相同［2-4］。研究低重力對人體運動機能與模式的影響最直接的方式就是在空間低重力環(huán)境中進行實驗，但這在現(xiàn)有技術條件下并不現(xiàn)實，除了成本高昂外，在數(shù)據(jù)采集儀器的使用與實驗樣本的數(shù)量方面都存在困難［5］。自阿波羅計劃時代至今，為了保證航天員在空間環(huán)境下的安全與健康，確保載人航天任務的順利完成，國內(nèi)外航天機構(gòu)紛紛開展了在地面模擬低重力環(huán)境并進行航天員訓練的研究與嘗試，在實踐中摸索出了一系列進行模擬失重訓練的方法。

近年，隨著NASA提出登陸火星計劃［6］以及以SpaceX為代表的私營航天公司拋出各種商業(yè)太空旅行方案，低重力環(huán)境下的人體科學研究受到了越來越多關注［7］。根據(jù)我國載人航天發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃［8］：2020年前后我國將建成長期駐人的空間站，之后將進入深空探索階段，著力實施載人登月并建立月球基地；載人火星登陸也已被納入發(fā)展計劃，針對載人探索小行星等深空天體的基礎技術研究也已經(jīng)開始。為實現(xiàn)這些目標，需要加強與人體有關的空間科學與航天工程研究，發(fā)展模擬低重力環(huán)境的航天員訓練技術，提高對太空環(huán)境下人生理與運動變化規(guī)律的認識。

本文旨在通過分析比較國內(nèi)外開展航天員低重力環(huán)境模擬訓練的方法與設施，為發(fā)展新型的航天員低重力環(huán)境模擬訓練技術和研制低重力人體生物運動力學實驗研究平臺提供參考。

2 低重力環(huán)境模擬方法

經(jīng)過多年的研究和探索，在地面人工復現(xiàn)或者模擬失重／低重力環(huán)境有以下幾種方法：1）利用自由落體運動形成失重環(huán)境，如利用落塔測試航天設備或進行科學實驗、駕駛飛機進行拋物線機動飛行；2）利用其它的力，如浮力、吊索的拉力等，平衡或部分平衡重力；3）利用虛擬現(xiàn)實技術，營造出低重力環(huán)境的場景；4）利用亞軌道環(huán)境模擬低重力，如亞軌道飛行器以及高空氣球。在上述方法中，落塔與高空氣球這兩種手段僅僅被用于測試航天設備或進行一些科學實驗［9-12］，沒有資料顯示這兩類設備曾被用于航天員低重力模擬訓練，因此本文將著重對其他幾種模擬低重力環(huán)境的方法與設施進行介紹。值得注意的是，NASA的研究人員指出［10］：不同的低重力模擬方法各有優(yōu)劣，應該根據(jù)載人航天任務的具體情況選擇最合適的方法，而且，由于各種方法模擬的低重力環(huán)境都存在偏差，實踐中至少應采用兩種方法來進行模擬失重測試以便交叉分析。

2.1 拋物線飛行

拋物線機動也被稱為開普勒機動［13-14］。在典型的拋物線機動飛行中，飛機在24000英尺的高度以350節(jié)的速度呈45°角拉起，產(chǎn)生1.8g的過載，之后快速減小仰角形成一個弧線軌跡，此時即進入了失重飛行階段；在拋物線機動軌跡的最高點（大約10 km）將速度減至150節(jié)并以45°俯仰角進行俯沖，產(chǎn)生1.8g的過載［15］（圖1）。 通常情況下這樣能維持20 s左右的失重環(huán)境［16］，如果以2.5g的過載進行拋物線機動，則能維持30 s左右，考慮到機身機械疲勞壽命的因素，波音公司建議以1.8g的過載進行拋物線機動［15］。

圖1 拋物線飛行［17］Fig．1 Parabola flight［17］

自1957年起，美國空軍利用C-131飛機飛行了數(shù)以千計的拋物線機動來研究人體在低重力環(huán)境下的生理功能［15］。1960年，美國空軍開始使用KC-135 A來執(zhí)行拋物線飛行項目［15］。當1969年失重飛行項目與用于拋物線飛行的KC-135 A被移交給 NASA，由約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）負責［17］。 另外，NASA 的劉易斯研究中心（Lewis Research Center）也利用DC-9飛機開展了失重飛行試驗［18］。

俄羅斯的伊爾-76MDK以及ESA的空客A330飛機也被用于進行拋物線機動飛行［14］。Ransom S和Zier M提出了一種通過在空客“大白鯨”運輸機的機艙內(nèi)懸吊安裝實驗艙進行多種加速度與重力環(huán)境模擬的方法［19］。我國在上世紀70年代進行載人航天論證時，空軍組建了“714”辦公室籌備航天員訓練，也曾提出改裝“三叉戟”或圖124飛機以進行航天員失重訓練［20］。

NASA的研究人員利用拋物線飛行進行了一系列失重科學實驗［21-22］，對航天設備人機工效學進行驗證、為研制新一代宇航服采集人體運動數(shù)據(jù)以及研究心血管系統(tǒng)在失重條件下的血液循環(huán)與血壓問題等。Witt與Perusek等進行了拋物線飛行失重狀態(tài)下與懸吊重力補償下的人體運動步態(tài)對比研究并對兩者的差異進行了分析［23］。Lee與Cobb等則在拋物線飛行狀態(tài)下測試人體行走的足部反作用力以研究應對失重環(huán)境下肌肉萎縮骨質(zhì)流失的對策［24］。

2.2 中性浮力水池

中心浮力水池利用浮力來平衡重力，營造出模擬的低重力環(huán)境。雖然航天員受到浮力的作用，主觀上感覺不到重力，但是重力在客觀上依舊作用在人身上。

美國最早有記錄的中性浮力法EVA操作訓練是1964年在蘭利（Langley）空軍基地的游泳池里進行的［25］。馬歇爾空間飛行中心（Marshall Spaceflight Center）的中性浮力模擬器（Neutral Buoyancy Simulator，NBS）（圖 2 a）也開展過航天員模擬失重訓練［25］。1980年，JSC的失重環(huán)境訓練設施（Weightlessness Environment Training Facility，WETF）（圖 2b）投入使用，主要承擔了 Space Shuttle項目中的EVA訓練任務，于1998年被關閉［25］。 1997 年 3 月，中性浮力實驗室（Neutral Buoyancy Laboratory，NBL）（圖2c）投入使用，目前國際空間站（International Space Station，ISS）的EVA訓練任務主要由其承擔［26］。另外，佛羅里達國際大學Aquarius水下實驗室也承擔了NASA極端環(huán)境任務（NASA Extreme Environment Mission Operation，NEEMO）的訓練與科研任務［22］。

圖2 各種中性浮力水池Fig．2 Variety of neutral buoyancy pools

NBL是對ISS項目與未來NASA項目進行設計、測試與開發(fā)的重要設施。Prince介紹了NBL所能進行的各類訓練任務［26］，Jairala 等［27］介紹了進行NBL測試的必要性、進行NBL測試的時間節(jié)點、NBL測試運行的流程、NBL測試的各個有關部門的職責、NBL測試的報告種類與內(nèi)容，例舉了一些NBL測試在EVA任務中起到重要作用的案例并且討論了未來擴展NBL應用的可能性。

蘇聯(lián)／俄羅斯的中性浮力法訓練設施被稱為Hydro實驗室，位于加加林航天員訓練中心（Gagarin Cosmonaut Training Center，GCTC），于1980年投入使用至今［28］。日本筑波航天中心（Tsukuba Space Center）也建有名為失重環(huán)境測試系統(tǒng) （Weightlessness Environment Test System，WETS）的類似設施，于1997年投入使用，在2011年由于受到地震的破壞而被迫關閉［25］。我國于2007年在航天員科研訓練中心建成國內(nèi)第一座大型浮力水池［29］（圖2 d），與俄羅斯加加林航天員訓練中心的水池規(guī)模相當。該水池成功完成了我國首次太空出艙活動的模擬訓練任務，也是將來空間站出艙活動的主要訓練設備。

除進行航天員模擬低重力環(huán)境訓練，浮力水池設施還能用于評估穿著宇航服后航天員活動、驗證與檢查航天設備設計、新一代宇航服開發(fā)［22，28，30］以及太空病預防研究［31］等。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術通過綜合利用聲光電技術、計算機圖形技術等手段營造出逼真的模擬環(huán)境，已被逐步運用于操作飛機、車輛以及艦船等各種裝備的訓練。NASA也將VR技術引入了航天員模擬失重訓練與相關的研究，用于進行人體工學分析、系統(tǒng)安全性與可靠性驗證、航天員運動能力驗證、硬件設備設計評估以及航天員訓練等［32］。同時，虛擬現(xiàn)實仿真技術也對科研人員之間的技術交流以及與非科研部門之間的工作交流起到了幫助作用［33］。

利用VR技術進行航天員訓練，可追溯到1993年第一次修補哈勃望遠鏡時，訓練航天員進行遙控機械臂系統(tǒng)（Remote Manipulator System，RMS）操作［34］。VR技術還被用于EVA救援輔助（Simplified Aid For EVA Rescue，SAFER） 訓練［34］ 。

在EVA訓練中，將模擬的人物場景通過雙焦點頭盔投影在測試對象的視覺中，用于訓練與測試定位與抓取活動的能力，可結(jié)合精確氣浮地板（Precision Air Bearing Floor，PABF）用以幫助評估抓取對象的特性，也可以用來演練自救和在虛擬ISS中到達特定位置的操作［35］。這項技術配合一種名為Charlotte的機器人平衡補償滑輪系統(tǒng)，可以將虛擬現(xiàn)實場景與實時力反饋結(jié)合起來［35］。

NASA利用沉浸式虛擬現(xiàn)實模擬技術與主動響應重力補償系統(tǒng)ARGOS（詳見2.5）結(jié)合，在多任務空間探索飛行器（Multi-mission Space Exploration Vehicle，MMSEV）的第二代原型機上進行登陸近地小行星Itokawa的EVA任務的模擬訓練（圖3），包括MMSEV搭載的雙人任務小組的噴氣背包訓練與使用MMSEV前部的單人足部限位器（single-person foot restraint，APS）的訓練［32］。

圖3 利用VR技術進行Itokawa的EVA任務訓練［32］Fig．3 EVA training with VR technology for Itokawa mission［32］

研究人員還將部分重力模擬器（Practical Gravity Simulator，POGO）與VR 技術結(jié)合起來，從而使得虛擬環(huán)境結(jié)合了視覺、聽覺與全身的動作，為POGO訓練提供模擬環(huán)境。系統(tǒng)包含一套頭部顯示器與手套，配套開發(fā)的軟件PLAID／VE用于呈現(xiàn)空間站內(nèi)外部的細致環(huán)境。另外，還配套開發(fā)了一種被稱為JackTM的人體三維模型，能夠根據(jù)不同的人體體型進行縮放［36］。

3D圖像模擬軟件DOUG（Dynamic Onboard Ubiquitous Graphics）也被用于航天員EVA任務訓練［37］，該軟件包含大量ISS艙段模型和EVA任務工具與設備的仿真模型（圖4 a），航天員教官用這些模型進行訓練任務規(guī)劃，空間站上航天員則用該軟件了解將要執(zhí)行的EVA任務。

圖4 虛擬現(xiàn)實技術模擬低重力環(huán)境Fig．4 Reduced gravity simulation with VR

Delmia公司則開發(fā)了一種三維仿真分析軟件ENVISION／ERGO以及一個精確的虛擬三維人體模型（圖4b），用于進行微重力環(huán)境下對人機工效、硬件設計以及任務流程的設計、分析與改進［38］。ERGO仿真軟件包含了2維與 3維的CAD功能、工作模型的建模功能并采用了時事三維動畫技術對產(chǎn)品、流程以及系統(tǒng)進行仿真與分析，而且還提供了人機工效的分析功能，集成了對能量損耗進行評估的相關功能包。NASA的人機工效學者和設計人員可以借助該軟件進行硬件設計并對模擬航天員模型進行運動時序設定［38］。國內(nèi)學者也進行了類似研究，開發(fā)了用于航天員EVA訓練的VR模擬系統(tǒng)以及其關鍵技術，包括航天員身體運動追蹤、手勢追蹤、手部的力反饋以及空間場景構(gòu)建等［39］。該系統(tǒng)能夠?qū)嵭幸曈X與力覺的人機交互，通過手部的力覺反饋增強了仿真訓練的真實性（圖4c）。上海交通大學的徐安等人利用虛擬現(xiàn)實技術為航天員出艙活動的模擬搭建了一個進行預測、訓練的虛擬實驗環(huán)境（圖4 d），用以配合載人機動裝置的預研［40］。

2.4 氣浮臺技術

精密氣浮平臺（Precision Air Bearing Floor，PABF）能夠?qū)VA任務涉及到的大質(zhì)量硬件設備懸浮于氣浮層上，提供了兩個平移自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度的失重模擬能力［35］。PABF能準確的模擬低重力環(huán)境下物體的運動，在ISS的EVA任務的模擬訓練中（圖5 a），航天員能由此熟悉如何在低重力環(huán)境下推動和停止大質(zhì)量物體的運動［35］。在航天員訓練中，PABF可以與其他訓練設備，例如POGO、ARGOS等結(jié)合起來，從而擴展其功能和應用范圍［35，37］。

圖5 利用氣浮臺進行航天員訓練Fig．5 Astronaut training with air bearing floor

北京交通大學劉庭偉也設計了一套類似的氣浮裝置（見圖5b）用于航天員EVA任務訓練［41］。該系統(tǒng)將模擬空間站和穿航天服的航天員分別放置于氣浮臺上，向氣浮臺供氣后，氣浮臺與支撐平臺之間產(chǎn)生氣膜，使氣浮臺在平臺上自由移動與轉(zhuǎn)動，從而模擬三自由度的微重力運動狀態(tài)。模擬器上安裝了電連接器的裝拆操作組件和螺栓螺母裝拆的操作組件，可供站立于另一個氣浮臺上的航天員做推拉以及扭轉(zhuǎn)操作訓練。

2.5 懸吊式重力補償系統(tǒng)

懸吊式重力補償系統(tǒng)利用吊索將人體懸吊起來，利用重力的分力（見圖6 a），或利用一組懸吊改變?nèi)梭w姿勢并平衡掉人體的重力，以另一組吊索的拉力在人體縱向上代替重力（見圖6b），或保持吊索的拉力大小與一定比例的重力恒定相等，方向與重力反向（見圖6c），從而模擬失重或部分失重的環(huán)境下人體的受力［28］。這類系統(tǒng)從原理上可分為主動重力補償型（采用可控電機調(diào)整吊索張力）和被動重力補償型（通過配重抵消重力，保持吊索張力不變）兩種。

圖6 懸吊式重力補償系統(tǒng)原理Fig．6 Theory of suspension gravity offload system

上世紀六十年代起，NASA蘭利研究中心（Langley Research Center，LRC）采用幾種不同的懸吊式重力補償系統(tǒng)開展模擬月球重力環(huán)境下人體步態(tài)與運動機能等問題的研究。Hewes與Spady研制了一種名為部分失重模擬器的裝置，將測試人員以與水平面呈9.5°夾角的姿態(tài)懸吊起來站立在斜面上，這時垂直于斜面的重力分力為其自身重力的1／6，從而達到模擬月球表面環(huán)境的效果（圖7 a）［42］。 當測試對象運動時，由于吊索傾斜角度的變化，會導致模擬重量產(chǎn)生一定的偏差［13］。由于受到繩索的約束，測試對象只能在一個面上運動，而且吊索的穿戴并不舒適［28］。研究人員還設計了一種類似的環(huán)形走道模擬裝置（圖7b）［13］。由于在沿著環(huán)狀走道行走的過程中會受到離心力的作用，因此測試對象的行走速度受到限制。俄聯(lián)邦太空總署 （Russian Federal Space Agency，Roscosmos）也研制了類似的裝置（圖 7c）［28］，航天員在一個與傾角 9.2°、60 m高的圓錐斜面上行走，其頭部、軀干、雙腿總共受到5條吊索的牽引作用。LRC還研制過一種結(jié)合了離心力原理的懸吊裝置，被稱為旋轉(zhuǎn)空間站（Rotating Space Station）（圖 7 d）［4］，用于研究在空間站通過旋轉(zhuǎn)提供人工重力場的情況下測試對象的行走能力與行走效率。該裝置由一臺可調(diào)速的驅(qū)動電機帶動平臺轉(zhuǎn)動，走道安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上。

圖7 懸吊式重力補償系統(tǒng)Fig．7 Suspension gravity offload systems

部分重力模擬器（Practical Gravity Simulator，POGO）（圖8 a）集成了Apollo計劃所遺留的一套失重模擬器的硬件與后期改進的數(shù)據(jù)采集與控制設備，主要由垂直伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及萬向節(jié)系統(tǒng)組成，通過向氣缸內(nèi)輸送經(jīng)過調(diào)節(jié)的壓縮空氣產(chǎn)生一個與重力反向的恒定托舉力［43-44］。POGO的伺服系統(tǒng)可在氣浮橫梁上被動滑行，使測試者可在11.6 m長的水平面內(nèi)進行直線平動，萬向節(jié)系統(tǒng)能提供三個旋轉(zhuǎn)自由度，俯仰角和偏航角都能達到 360°，滾轉(zhuǎn)角只有 ＋ ／－30°［43，45］。

圖 8 POGO［45］、eZlS［48］與 ARGOS［53］Fig．8 POGO［45］， eZLS［48］ and ARGOS［53］

POGO系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集設備提供了足夠的空間，在其上進行測試也不受時間限制，能進行靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)步態(tài)模式測試、測量步行速度以及全身運動學分析以及實時代謝率測試。但POGO的機械結(jié)構(gòu)使得對測試對象的觀察被限制在縱切面內(nèi)，并且重力補償范圍有限（400 ～500 lb）［46］，而且忽略了四肢的重力補償，測試對象與補償力的相互作用也未得到深入研究。POGO懸吊系統(tǒng)的慣性質(zhì)量過大，會在測試對象身上產(chǎn)生顯著的慣性載荷，影響動力特性測試，系統(tǒng)存在的摩擦也使得模擬效果不甚理想［45］。而且POGO系統(tǒng)無法實時地跟隨人的運動［45］。以上各因素對實驗的數(shù)據(jù)質(zhì)量存在著不利影響。

Norcross J等人利用POGO系統(tǒng)研究了模擬失重環(huán)境下重心位置改變對人體動作影響，通過并部分失重環(huán)境下集成宇航服測試的對比，評估了自疲勞感知分級（Ratings of Perceived Exertion，RPE）、重力補償與性能分級（Gravity Compensation and Performance Scale， GCPS）、代謝消耗（VO2）、地面反作用力（GRF）、步距、關節(jié)運動角等指標［22，45-46］。

NASA聯(lián)合克里夫蘭診所等單位，研制了ZLS（Zero-Gravity Locomotion，Simulator，ZLS）系列零重力步態(tài)模擬裝置［47］。增強型零重力步態(tài)模擬器（enhanced ZLS，eZLS）則是 ZLS設備的最新一代型號（圖8b）［48］。ZLS通過一套力反饋控制系統(tǒng)在測試對象跑動的過程中通過加載裝置（subject load device，SLD）向其施加恒定的重力置換載荷，并能通過對測試對象施加不同的重力載荷，例如相當于50%、75%以及100%的體重的載荷，從而模擬不同的低重力效果［49］。測試對象四肢系上吊索被仰面懸吊起來，SLD通過測試對象穿戴的吊索背帶對其施加一個朝向跑步機的牽引力［50-51］。ZLS系列三種系統(tǒng)在測試對象身的四肢與肩部設置了8組吊索固定點，使施加在測試對象身上的重力置換載荷得到了更真實的分布［49］。eZLS的跑步機固定在一個氣浮平臺上，可以通過改變跑步機的安裝角度以模擬其他行星表面（例如月球與火星）的重力環(huán)境［51］。Genc K O等人利用ZLS進行實驗并采集數(shù)據(jù)，包括地面反作用力、對舒適度的主觀感受等來評估為ISS研發(fā)的新型伺服控制SLD裝置［49］。此外，eZLS被用于研究低重力環(huán)境下人體運動的動力學問題以及低重力環(huán)境對骨骼肌肉健康的影響、開發(fā)與驗證鍛煉設施、研究微重力環(huán)境下的代謝消耗、研究如何改善航天員使用的鍛煉設施的舒適性、研究如何制定鍛煉方案以及研究優(yōu)化硬件設備的設計［50-51］。De Witt J K等人利用eZLS與C-9飛機拋物線飛行進行了兩種模擬失重狀態(tài)下人體步態(tài)的對比實驗，并對數(shù)據(jù)進行了分析與討論［23］。

主動反應重力補償系統(tǒng)（Active Response Gravity Offload System，ARGOS）是一種能夠模擬不同重力場，包括月球重力、火星重力以及其它微重力場景的重力模擬系統(tǒng)（圖8c），由跑步機、吊索以及卷揚裝置等組成，提供了6.1 m×12.2 m的水平活動區(qū)域以及4.6 m的垂直升降空間［52］。ARGOS能夠在測試對象進行走、跑、跳等運動時通過吊索的拉力對體重進行部分重力補償。該系統(tǒng)使用激光角度傳感器測量吊索的傾斜角度并進行相應地調(diào)整，在水平方向的兩個平移自由度上采用了主動控制來追蹤人體的運動以保持垂直方向上的重力補償力直接作用于測試對象正上方；豎直方向的伺服控制系統(tǒng)則根據(jù)模擬重力的設定（例如月球重力、火星重力或者完全失重）調(diào)節(jié)吊索的拉力保持恒定［52-53］。ARGOS與測試對象間的人機接口是一個萬向節(jié)系統(tǒng)，能夠提供俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個旋轉(zhuǎn)自由度，并且能使重力補償力矢量通過測試對象的身體質(zhì)心，從而提升重力場模擬的真實感。設計者對萬向節(jié)的慣性矩與質(zhì)量進行了優(yōu)化，最大程度避免了其自身慣性對測試對象的影響并且考慮到了穿戴的舒適性［51，54］。ARGOS的尺寸有限，但是能夠?qū)崿F(xiàn)有效的低重力環(huán)境模擬。雖然第一代ARGOS驗證了系統(tǒng)自身的概念設計，但是其垂直與水平兩個方向的控制系統(tǒng)都出現(xiàn)了許多問題，系統(tǒng)的快速反應能力不足，存在反應滯后，存在許多影響測力計的噪聲源，而且濾波技術的處理能力有限，以上問題導致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定并影響了重力模擬的準確性［55］。第一代ARGOS系統(tǒng)在2012年退役，當前NASA使用的是第二代ARGOS系統(tǒng)，它在精度、動態(tài)特性和負載能力等性能有較大提升［55］。不僅適用于航天員的訓練、EVA任務工具的開發(fā)、對行星探索載具與宇航服的設計進行評估，還能用于測試機器人在類似模擬環(huán)境下的工作［56］。

3 低重力環(huán)境模擬技術的新發(fā)展

近年來，出現(xiàn)了一種利用彈簧平行四邊形機構(gòu)進行重力補償?shù)谋粍油夤趋老到y(tǒng)，通常采用彈簧平行四邊形機構(gòu)作為被動重力平衡措施，通過選配合適的彈性系數(shù)或調(diào)整彈簧的安裝位置，可以在其工作空間內(nèi)的任意位姿達成靜態(tài)平衡，具體原理可以參見文獻［57］。在工業(yè)機器人領域，類似機構(gòu)通常被用于抵消連桿重力載荷對機器人關節(jié)力矩的影響，從而減輕關節(jié)驅(qū)動器的負擔［58-59］。在康復醫(yī)學領域，彈簧平行四邊形機構(gòu)也得到了廣泛的應用，研究人員將類似的機構(gòu)集成到外骨骼系統(tǒng)上，用于對肌肉無力或運動神經(jīng)損傷等病患的康復訓練治療［60-62］。

美國新墨西哥州立大學的Ma O等人［63-64］研究了主要用于載人航天、生物力學和康復機器人等方面的自適應重力補償外骨骼系統(tǒng)（圖9 a），能夠?qū)崿F(xiàn)對多種不同重力環(huán)境的模擬。該系統(tǒng)以彈簧平行四邊形機構(gòu)為基本模塊構(gòu)建外骨骼系統(tǒng)，將人體各主要部位（軀干、大腿、小腿）的部分或全部重力載荷分布轉(zhuǎn)嫁到被動機械外骨骼上，這一點與中性浮力法等可以說是異曲同工［65］。

彈性平行四邊形機構(gòu)外骨骼系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

圖9 被動式外骨骼系統(tǒng)Fig．9 Passive exoskeleton systems

1）由于采用了被動重力平衡技術，無需對系統(tǒng)施加主動關節(jié)控制力矩，這就避免了進行復雜的關節(jié)控制系統(tǒng)設計及其穩(wěn)定性分析，也無需根據(jù)肢體運動軌跡對外骨骼系統(tǒng)的關節(jié)載荷進行動態(tài)精確分配和主動協(xié)調(diào)驅(qū)動。

2）彈簧平行四邊形機構(gòu)不但可以補償任意比例（0% ～100%）的人體重力，而且還能對相應的重力矩進行補償，使穿戴人員在運動過程中感受到各主要關節(jié)失去相同比例重力載荷的效果［65］，從而獲得逼真的低重力運動模擬效果。

3）該系統(tǒng)根據(jù)不同訓練者的質(zhì)量特性選擇合適的彈簧彈性系數(shù)并調(diào)節(jié)調(diào)整彈簧的安裝位置［61］，從而精確模擬不同的重力環(huán)境，例如月球、火星以及完全失重等。

4）該系統(tǒng)擺脫了復雜的吊索系統(tǒng)對測試人員運動的限制。

南京航空航天大學的陳卓鵬等人［65］對基于彈簧平行四邊機構(gòu)原理的外骨骼系統(tǒng)（圖9b）進行了動力學仿真分析，驗證了同類系統(tǒng)能夠逼真地模擬不同重力條件下的人體步行效果。北京郵電大學的研究者也進行了類似研究（圖9c）［66］。

此類系統(tǒng)是一種新穎的解決方案，不但能夠滿足航天員地面模擬失重訓練的需要，而且能夠為低重力運動生物力學研究和發(fā)展空間運動生物力學分支提供一個良好的實驗手段，促進對低重力環(huán)境下的人體運動學和動力學問題的研究。

4 分析與比較

為了在地球上模擬低重力環(huán)境來訓練航天員或者進行太空重力環(huán)境下的人體科學研究，研究人員進行了諸多探索，摸索出了以下幾種主流的重力模擬手段，包括拋物線飛行、中性浮力水池、虛擬現(xiàn)實（VR）技術、懸吊式重力補償系統(tǒng)以及近來出現(xiàn)的被動式外骨骼系統(tǒng)。

拋物線飛行法的優(yōu)勢非常明顯，是目前唯一能復現(xiàn)真實低重力環(huán)境的方法，參訓的航天員、宇航服以及裝備均處于失重環(huán)境下，而且也能使航天員進行6個自由度的自由運動［14，22］，就這一點而言，該方法能為研究人體在微重力環(huán)境下的運動提供理想的環(huán)境。然而，拋物線飛行法的短板也非常明顯：1）拋物線飛行不能長時間維持低重力環(huán)境。KC-135在拋物線飛行中復現(xiàn)完全失重環(huán)境的時間僅僅能維持大約20 s，復現(xiàn)月球表面的微重力環(huán)境（1／6g），可以持續(xù)約 30 s，復現(xiàn)火星表面的微重力環(huán)境（3／8g），則能維持約40 s［36，67］。 雖然 NASA 的研究人員提出了3 種針對這一問題的實驗對策［17］，但客觀上失重時間受制于飛行規(guī)律無法改變，因此無法進行時長的失重訓練與人體運動研究實驗，例如測量微重力環(huán)境下人體運動的代謝消耗率［14，22］。 2）進行航天員訓練與人體運動實驗的儀器設備受制于機艙容積與飛機運載能力的限制。KC-135搭載的測試人員只能在高2 m、寬0.9 m以及長6.3 m的空間內(nèi)活動［36］，而C-9飛機的機艙中的測試區(qū)域有13.7 m 長，2.64 m 寬，2.03 m 高［45］，相比于其他地面訓練設施，空間顯得相當局促。3）復現(xiàn)低重力環(huán)境的逼真程度受到每次拋物線飛行的精度影響。4）維護飛機、飛行消耗的燃料以及機組人員的人工成本非常昂貴。5）進行拋物線飛行的時間安排受制于氣象條件等因素，缺乏彈性。6）拋物線飛行容易造成暈機，影響測試與訓練工作的開展，KC-135飛機因此被戲稱為“嘔吐彗星（Vomit Comet）”［15］。

中性浮力法有著以下優(yōu)點：1）巨大的水池能夠容納全尺寸的航天飛船與空間站的模型，對航天員熟悉任務環(huán)境非常有利，而且能夠同時開展多組航天員的訓練。NASA的NBL水池長長61.5 m，寬 31 m，深 12.2 m，容積為 6.2×106gal［37］，其中搭建了全套的 ISS構(gòu)架組件與所有美國承擔研制任務的ISS部件，能夠同時運行總?cè)藬?shù)為5人的兩組訓練任務［28］；俄國的Hydro實驗室的圓型水池，深12 m，直徑23 m，能夠容納一個全尺寸的禮炮號與聯(lián)盟號飛船對接模型［21］。2）航天員在浮力水池中能夠進行長時間的訓練。NBL的生命保障系統(tǒng)能夠保障參訓的航天員在水下進行400 min的訓練［28］。3）中性浮力法能夠允許航天員隨意在6個自由度上進行運動。而主要缺陷是：1）由于水存在動態(tài)阻尼和粘滯效應，使得航天員在水下的動力學特性與真實的太空失重環(huán)境存在差異［35］，在試驗中發(fā)現(xiàn)，當運動速度越高時阻力也越大，穩(wěn)定的步行速度大約在在0.61 m／s時達到最佳的平衡效果，更高的步行速度將會產(chǎn)出更顯著的阻力作用［13］。水的阻力還會航天員產(chǎn)生額外的能量消耗［14］。2）中性浮力法在模擬月球表面的重力環(huán)境（1／6g）時效果不佳，Spady A A提出通過佩戴重量相當于航天員體重六分之一的鉛塊來實現(xiàn)對月球表面的重力環(huán)境進行模擬，并介紹了兩種佩戴方法，但配重的方法將會極大影響測試結(jié)果的準確性［13］。3）修建與運營維護中性浮力水池的花費巨大。4）為了保證航天員安全，水池訓練所使用的電器設備必須絕緣，航天員也不能直接暴露于水中，這就限制了某些訓練的進行，例如在氣閘艙穿／脫艙外服［30］。 5）航天員可能會面臨潛水病的風險［36］。

利用VR技術進行航天員模擬失重訓練的優(yōu)勢在于其數(shù)字化、可重復、安全可靠以及超越物理環(huán)境限制的特性。但是由于VR技術主要在視覺與局部力覺方面進行模擬，不能全面模擬低重力環(huán)境下人體的感覺，所以需要與其他物理模擬手段結(jié)合。值得一提的是，利用計算機人體模型研究低重力環(huán)境下人體健康與運動機能的問題，NASA已經(jīng)開展了多項研究［68-72］，對于豐富航天員訓練手段、提升航天員訓練效果有積極作用。但計算機人體模型只是反映人類對人體的有限認識，真人實驗對研究低重力環(huán)境下的人體健康與運動機能的問題依舊是必不可少的。

懸吊式重力補償系統(tǒng)的原理簡單直觀，因此獲得了廣泛的應用，出現(xiàn)了多種型號。從早期單純的利用不可調(diào)拉力［13］或者重力的分力進行重力補償?shù)南到y(tǒng)［42］發(fā)展到了eZLS與ARGOS這類能主動調(diào)節(jié)吊索張力的系統(tǒng)，在重力模擬的準確性與多樣性、開展測試實驗的便捷性與使用的人機工效舒適性上取得了可觀的進步。然而，懸吊式重力補償系統(tǒng)依然存在著一定的技術局限性：1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。早期的懸吊式重力補償裝置往往忽略對四肢的重力補償，吊索僅僅固定在軀干上［4，13，42］，因此重力補償效果欠佳。 若想對四肢也進行重力補償，則需要增加吊索，顯然會帶來結(jié)構(gòu)復雜的問題，不便于實現(xiàn)未來多人協(xié)作任務的模擬訓練。除此之外，ARGOS這類主動重力補償系統(tǒng)的控制系統(tǒng)對噪音濾波、響應迅速以及系統(tǒng)魯棒性的要求很高，技術難度大。2）慣性力對重力模擬產(chǎn)生負面影響。利用類似POGO這類采用萬向節(jié)做人機接口的系統(tǒng)進行低重力環(huán)境模擬時，均會受到不同程度的慣性力影響。3）難以實現(xiàn)對重力矩的補償。只有當?shù)跛鞯睦κ噶拷?jīng)過被懸吊物體／人體的質(zhì)心時才能同時對重力及重力矩進行補償，然而人體在活動時質(zhì)心始終是移動的?，F(xiàn)有的懸吊式重力補償系統(tǒng)雖然能夠從整體上對任意比例的人體重力進行補償，然而此時人體的肘、肩、腰、髖、膝等關節(jié)依然承受著1g的重力矩作用，難以達到逼真的失重模擬效果。最后，柔性繩索造成的運動滯后和柔性抖動等耦合因素均會對重力補償精度帶來不利影響。對于懸吊式重力補償系統(tǒng)而言，這是個與生俱來的問題。

表1從模擬重力范圍、運動自由度、模擬持續(xù)時間、能否使用任務工具、多人協(xié)作能力等方面對上述各方法進行了總結(jié)。

表1 各種低重力模擬方法的比較Table 1 Comparison of differentreduced gravity simulationapproaches

雖然我國在航天設備與儀器的低重力環(huán)境模擬方面已經(jīng)開展了大量的研究并研制出有效的模擬平臺，但對于低重力環(huán)境下的載人航天任務，我國尚無具有針對性的航天員任務操作模擬與訓練平臺，并且在低重力模擬技術方面的研究正逐漸起步，國內(nèi)航天員低重力運動訓練手段還較為匱乏，因而對研制新一代的航天員低重力模擬系統(tǒng)作為航天員任務操作模擬與訓練平臺以及低重力環(huán)境下人體運動生物力學實驗研究平臺有著較為迫切的現(xiàn)實需求。根據(jù)上文分析，新一代的航天員低重力運動模擬訓練系統(tǒng)應當滿足以下要求：

1）低重力模擬功能完善，能夠進行長時間的、低重力模擬還原度高的任務訓練與科學測試；

2）重力模擬的范圍可調(diào)，能夠在0～1g重力加速度的范圍內(nèi)模擬月球、火星等天體的重力環(huán)境或完全失重條件下的不同任務環(huán)境；

3）人機接口具備較高的活動自由度且人機工效優(yōu)良，能夠進行載人航天任務中各類復雜動作的訓練以及各類低重力環(huán)境下的人體科學研究；

4）是支持多人以及人機協(xié)同訓練模式，未來的載人航天任務更為復雜多樣，需要航天員與其成員組或者空間機器人相互協(xié)作來完成。

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