一种多功能、紧凑且可折叠的抗阻训练设备，适用于在轨宇航员

《Aerospace Science and Technology》：A Versatile, Compact and Collapsible Resistance Training Device for On-orbit Astronaut

本文针对长期微重力环境下宇航员生理机能退化问题，提出了一种集成式电缆驱动抗阻训练装置。该装置具备紧凑可折叠结构、多模式运动支持及基于有限状态机的主动安全策略，通过动态力分布模型和结构不变力控制器实现高精度负载控制，经仿真和原型验证证实其有效性。

　　

李莱露|董正|裴月|张立勋

哈尔滨工业大学机械与动力工程学院，哈尔滨，150080，中国

摘要

大量证据表明，长期暴露在微重力环境中会导致宇航员出现生理机能退化，包括肌肉骨骼功能障碍、骨密度下降以及心血管系统功能减弱。目前认为体育锻炼是缓解这些不良影响的最有效方法。本文提出了一种基于缆绳驱动的阻力训练设备，该设备具有多种优势，如集成的锻炼模式和紧凑可折叠的结构，便于高效存储。设计了一种可控长度、速度和力量的缆绳驱动单元（CDU）。此外，还提出了一种基于有限状态机（FSM）的人机安全策略，并建立了相应的力量分配模型。引入了一种基于结构不变性的力控制器，以实现高保真的缆绳力。通过仿真研究验证了这些组件和系统配置的有效性。最后，制作了一个硬件原型。验证和深蹲实验结果表明，系统配置、安全策略、力量分配模型和力控制器都是有效的。这证实了该设备是帮助宇航员在太空飞行期间进行体育锻炼的有前景的解决方案。

引言

外太空是全人类的共同财富，探索外太空是人类不懈的追求[1]、[2]。随着载人航天技术的进步和空间站的建成，人类太空探索不断向远离近地轨道的深空延伸。然而，太空环境的特殊性，包括微重力、辐射和极端温度，对载人航行的核心——宇航员[3]、[4]提出了重大挑战。主要造成的身体不适包括：航天运动病[5]、[6]、宇航员运动协调能力下降[7]、[8]、贫血[9]、水盐代谢和电解质平衡紊乱、心血管功能减弱[10]、骨质疏松[11]、肌肉萎缩[12]、免疫功能受损[13]、[14]以及大脑功能下降[15]。

相关的太空医学研究表明，通过适当的体育锻炼、下肢负压技术和药物治疗[16]、[17]，可以维持宇航员在太空中的健康。然而，由于太空中的微重力环境，宇航员无法在没有其他辅助设备的情况下进行锻炼。因此，各国相继开发了用于太空中的在轨体育锻炼设备。在早期宇航员的太空锻炼中，使用了橡皮筋等简单工具作为阻力来源[18]。随后，为了承受更大的负荷，NASA开发了临时阻力训练设备（iRED）及其后续产品高级阻力训练设备（ARED），这些设备成为主要的力量训练系统[19]、[20]。对于有氧训练，国际空间站（ISS）配备了带有振动隔离和稳定功能的跑步机（TVIS）和T2跑步机[21]、[22]。同样，天宫空间站也使用了具有类似功能的跑步机[23]。除了跑步机外，自行车测力计也是标准的有氧训练设备；ISS使用的是俄罗斯和美国开发的版本（带有振动隔离功能）[18]、[24]，而天宫空间站则主要使用由先进材料制成的自行车测力计作为锻炼方式[25]。

尽管目前的在轨锻炼硬件在一定程度上减轻了微重力的负面影响，但如表1所示的定量分析揭示了现有设备的显著局限性。这些限制可以分为三个关键方面：

单一功能设计和有限的多功能性：如“模式”列所示，现有设备主要设计为单一锻炼模式，要么是阻力训练（例如ARED），要么是有氧锻炼（例如T2、CEVIS）。目前还缺乏能够在单个紧凑单元内结合这两种模式的集成解决方案。此外，虽然像ARED这样的大型系统可以连续调节负荷，但紧凑型设备通常依赖于分辨率有限的弹性体组件，无法实现真正的个性化训练调整。

缺乏主动安全策略：“安全特性”列指出，当前的安全措施主要是被动的，依赖于物理安全带或手动紧急停止装置。在自主监测用户运动状态并提供保护性干预以防止微重力环境中受伤或碰撞的主动安全策略方面存在明显不足。

过大的质量和体积：航天器内部空间非常有限，但能够提供高效训练效果的现有硬件仍然体积庞大且重量沉重。如表1所示，ARED和T2的重量分别为1000公斤，占用超过1.5立方米的空间。这就需要开发出能够在大幅减小质量和储存体积的同时保持高性能的解决方案。

缆绳驱动技术在人机交互中得到了广泛应用，特别是在医疗康复领域，因为它们具有设计轻便、惯性低、工作空间大和安全性高等优点[31]。诸如CAREX上肢外骨骼[32]和外手套[33]等开创性工作展示了使用远程缆绳减少用户所承受质量的潜力。在此基础上，最近的研究越来越多地关注高度集成和便携的系统。值得注意的例子包括Myosuit，它利用缆绳驱动技术为步态障碍提供轻量化的、基于活动的训练[34]，以及开发了提供移动支持的影响显著的软外骨骼[35]。总的来说，这些进展有效地证明了缆绳驱动系统的高载荷重量比和固有的可折叠性为解决太空飞行设备中的质量-体积冲突提供了有前景的技术途径。

为了利用这些内在优势进行高负荷阻力训练，本文提出并开发了一种基于并行缆绳驱动架构的新型机器人，集成了多功能性、紧凑性和智能安全性。如表1所示，所提出的设备利用这种架构显著降低了系统质量和储存体积，同时不牺牲负荷能力。通过六个独立缆绳驱动单元（CDU）的协同作用，该机器人不仅能够为深蹲、卧推、跑步和硬拉等广泛锻炼提供高保真的可变负荷，还能实施一种安全策略，在检测到危险姿势时主动进行干预。本文的其余部分安排如下：第二节介绍了CDU的新颖、模块化和可折叠架构以及缆绳驱动阻力训练设备的配置；第三节详细介绍了核心控制和安全框架，展示了实现精确负荷跟踪的高性能力控制器以及基于有限状态机（FSM）的安全策略；第四节通过全面的仿真研究验证了所提出的模型和安全策略；第五节展示了全尺寸硬件原型的实现和实验验证，证明了其在动态人机交互锻炼中的高保真性能、稳定性和安全性；最后，第六节讨论了这些结果的意义、地面验证方法的有效性以及未来工作的方向，第七节为文章画上了句号。

系统设计要求

为了确保设备能够无缝集成到空间站的有限空间中，需要紧凑且可折叠的设计。从功能上讲，该设备必须支持从有氧活动（如跑步）到阻力训练（如深蹲、卧推和硬拉）等各种锻炼。为了量化这些锻炼的性能要求（表2），定义了以下参数：v_d表示负荷方向（F_d）所需的速度。

控制算法

图3.a所示的控制系统由五个功能层组成。宇航员首先选择所需的锻炼模式和负荷力目标。动态负荷调节层：根据宇航员的实时身体姿势同步调整负荷特性。锻炼状态检测层：根据缆绳力和缆绳长度数据监测当前的操作状态。人机安全策略层：实施特定的安全协议。

系统仿真分析

进行了仿真研究，以评估系统配置、缆绳力分配模型和人机安全保护策略的有效性。使用Matlab 2019中的Belts and Cables模块开发了一个简化的仿真模型，如图5.a所示，其参数由表3定义。对于安全策略控制器（方程6），刚度和阻尼分别设置为$K_a=100$和$B_a=40$，虚拟质量M_a被设置为零，以确保快速

阻力训练设备原型

缆绳驱动阻力训练设备的硬件原型如图6所示。整体机械结构基于铝制框架，从前视图和等轴测视图（图6.a和b）中可以看出。从俯视图（图6.c）可以看出一个关键的设计特点，即六个CDU的战略性排列。每个CDU由一个160LYX06扭矩电机（北京永光微电机制造有限公司，北京）驱动。

讨论

本研究介绍了一种多功能、紧凑且可折叠的缆绳驱动阻力训练设备的设计、精确力控制和验证，该设备适用于在轨宇航员的锻炼。主要目标是解决体育锻炼的高性能要求与空间站严格体积限制之间的矛盾。全尺寸原型实验的结果表明，所提出的六个CDU配置利用了力量

结论

提出并制作了一种多功能、紧凑且可折叠的缆绳驱动阻力训练设备原型。其模块化配置包括四个加载缆绳驱动单元和两个保护缆绳驱动单元，被证明对太空飞行中的宇航员的多功能力量训练有效且适用。所提出的人机安全策略结合了有限状态机（FSM）模型和实时锻炼状态监测，已经通过

CRediT作者贡献声明

李莱露：撰写——原始草案、可视化、概念化。董正：验证。裴月：方法论。张立勋：监督。

利益冲突声明

我们的作者均未报告任何潜在的利益冲突。