航天員低重力運(yùn)動(dòng)模擬訓(xùn)練方法與研究綜述

江一帆，喬 兵?，趙 穎

（1.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院飛行器設(shè)計(jì)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(yīng)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(duì)載人航天任務(wù)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(duì)人體所造成的種種負(fù)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(dǎo)致人體有氧運(yùn)動(dòng)能力下降、肌力下降等問題，嚴(yán)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(jī)能受到影響，肢體運(yùn)動(dòng)模式也會(huì)發(fā)生很大變化。以阿波羅登月任務(wù)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(duì)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這在現(xiàn)有技術(shù)條件下并不現(xiàn)實(shí)，除了成本高昂外，在數(shù)據(jù)采集儀器的使用與實(shí)驗(yàn)樣本的數(shù)量方面都存在困難［5］。自阿波羅計(jì)劃時(shí)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(wù)的順利完成，國內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)紛紛開展了在地面模擬低重力環(huán)境并進(jìn)行航天員訓(xùn)練的研究與嘗試，在實(shí)踐中摸索出了一系列進(jìn)行模擬失重訓(xùn)練的方法。

近年，隨著NASA提出登陸火星計(jì)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(xué)研究受到了越來越多關(guān)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(zhǎng)期駐人的空間站，之后將進(jìn)入深空探索階段，著力實(shí)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(jì)劃，針對(duì)載人探索小行星等深空天體的基礎(chǔ)技術(shù)研究也已經(jīng)開始。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要加強(qiáng)與人體有關(guān)的空間科學(xué)與航天工程研究，發(fā)展模擬低重力環(huán)境的航天員訓(xùn)練技術(shù)，提高對(duì)太空環(huán)境下人生理與運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

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(xùn)練的方法與設(shè)施，為發(fā)展新型的航天員低重力環(huán)境模擬訓(xùn)練技術(shù)和研制低重力人體生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)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(fù)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(yùn)動(dòng)形成失重環(huán)境，如利用落塔測(cè)試航天設(shè)備或進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、駕駛飛機(jī)進(jìn)行拋物線機(jī)動(dòng)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(shí)技術(shù)，營造出低重力環(huán)境的場(chǎng)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(cè)試航天設(shè)備或進(jìn)行一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)［9-12］，沒有資料顯示這兩類設(shè)備曾被用于航天員低重力模擬訓(xùn)練，因此本文將著重對(duì)其他幾種模擬低重力環(huán)境的方法與設(shè)施進(jìn)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(yīng)該根據(jù)載人航天任務(wù)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(shí)踐中至少應(yīng)采用兩種方法來進(jìn)行模擬失重測(cè)試以便交叉分析。

2.1 拋物線飛行

拋物線機(jī)動(dòng)也被稱為開普勒機(jī)動(dòng)［13-14］。在典型的拋物線機(jī)動(dòng)飛行中，飛機(jī)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(gè)弧線軌跡，此時(shí)即進(jìn)入了失重飛行階段；在拋物線機(jī)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)（大約10 km）將速度減至150節(jié)并以45°俯仰角進(jìn)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(jìn)行拋物線機(jī)動(dòng)，則能維持30 s左右，考慮到機(jī)身機(jī)械疲勞壽命的因素，波音公司建議以1.8g的過載進(jìn)行拋物線機(jī)動(dòng)［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(jī)飛行了數(shù)以千計(jì)的拋物線機(jī)動(dòng)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(xiàng)目［15］。當(dāng)1969年失重飛行項(xiàng)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(fù)責(zé)［17］。 另外，NASA 的劉易斯研究中心（Lewis Research Center）也利用DC-9飛機(jī)開展了失重飛行試驗(yàn)［18］。

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

NASA的研究人員利用拋物線飛行進(jìn)行了一系列失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)［21-22］，對(duì)航天設(shè)備人機(jī)工效學(xué)進(jìn)行驗(yàn)證、為研制新一代宇航服采集人體運(yùn)動(dòng)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?jiǎn)栴}等。Witt與Perusek等進(jìn)行了拋物線飛行失重狀態(tài)下與懸吊重力補(bǔ)償下的人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)對(duì)比研究并對(duì)兩者的差異進(jìn)行了分析［23］。Lee與Cobb等則在拋物線飛行狀態(tài)下測(cè)試人體行走的足部反作用力以研究應(yīng)對(duì)失重環(huán)境下肌肉萎縮骨質(zhì)流失的對(duì)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(xùn)練是1964年在蘭利（Langley）空軍基地的游泳池里進(jìn)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(xùn)練［25］。1980年，JSC的失重環(huán)境訓(xùn)練設(shè)施（Weightlessness Environment Training Facility，WETF）（圖 2b）投入使用，主要承擔(dān)了 Space Shuttle項(xiàng)目中的EVA訓(xùn)練任務(wù)，于1998年被關(guān)閉［25］。 1997 年 3 月，中性浮力實(shí)驗(yàn)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(xùn)練任務(wù)主要由其承擔(dān)［26］。另外，佛羅里達(dá)國際大學(xué)Aquarius水下實(shí)驗(yàn)室也承擔(dān)了NASA極端環(huán)境任務(wù)（NASA Extreme Environment Mission Operation，NEEMO）的訓(xùn)練與科研任務(wù)［22］。

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

NBL是對(duì)ISS項(xiàng)目與未來NASA項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試與開發(fā)的重要設(shè)施。Prince介紹了NBL所能進(jìn)行的各類訓(xùn)練任務(wù)［26］，Jairala 等［27］介紹了進(jìn)行NBL測(cè)試的必要性、進(jìn)行NBL測(cè)試的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、NBL測(cè)試運(yùn)行的流程、NBL測(cè)試的各個(gè)有關(guān)部門的職責(zé)、NBL測(cè)試的報(bào)告種類與內(nèi)容，例舉了一些NBL測(cè)試在EVA任務(wù)中起到重要作用的案例并且討論了未來擴(kuò)展NBL應(yīng)用的可能性。

蘇聯(lián)／俄羅斯的中性浮力法訓(xùn)練設(shè)施被稱為Hydro實(shí)驗(yàn)室，位于加加林航天員訓(xùn)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(cè)試系統(tǒng) （Weightlessness Environment Test System，WETS）的類似設(shè)施，于1997年投入使用，在2011年由于受到地震的破壞而被迫關(guān)閉［25］。我國于2007年在航天員科研訓(xùn)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(xùn)練中心的水池規(guī)模相當(dāng)。該水池成功完成了我國首次太空出艙活動(dòng)的模擬訓(xùn)練任務(wù)，也是將來空間站出艙活動(dòng)的主要訓(xùn)練設(shè)備。

除進(jìn)行航天員模擬低重力環(huán)境訓(xùn)練，浮力水池設(shè)施還能用于評(píng)估穿著宇航服后航天員活動(dòng)、驗(yàn)證與檢查航天設(shè)備設(shè)計(jì)、新一代宇航服開發(fā)［22，28，30］以及太空病預(yù)防研究［31］等。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)通過綜合利用聲光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)等手段營造出逼真的模擬環(huán)境，已被逐步運(yùn)用于操作飛機(jī)、車輛以及艦船等各種裝備的訓(xùn)練。NASA也將VR技術(shù)引入了航天員模擬失重訓(xùn)練與相關(guān)的研究，用于進(jìn)行人體工學(xué)分析、系統(tǒng)安全性與可靠性驗(yàn)證、航天員運(yùn)動(dòng)能力驗(yàn)證、硬件設(shè)備設(shè)計(jì)評(píng)估以及航天員訓(xùn)練等［32］。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)也對(duì)科研人員之間的技術(shù)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(shù)進(jìn)行航天員訓(xùn)練，可追溯到1993年第一次修補(bǔ)哈勃望遠(yuǎn)鏡時(shí)，訓(xùn)練航天員進(jìn)行遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（Remote Manipulator System，RMS）操作［34］。VR技術(shù)還被用于EVA救援輔助（Simplified Aid For EVA Rescue，SAFER） 訓(xùn)練［34］ 。

在EVA訓(xùn)練中，將模擬的人物場(chǎng)景通過雙焦點(diǎn)頭盔投影在測(cè)試對(duì)象的視覺中，用于訓(xùn)練與測(cè)試定位與抓取活動(dòng)的能力，可結(jié)合精確氣浮地板（Precision Air Bearing Floor，PABF）用以幫助評(píng)估抓取對(duì)象的特性，也可以用來演練自救和在虛擬ISS中到達(dá)特定位置的操作［35］。這項(xiàng)技術(shù)配合一種名為Charlotte的機(jī)器人平衡補(bǔ)償滑輪系統(tǒng)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與實(shí)時(shí)力反饋結(jié)合起來［35］。

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

圖3 利用VR技術(shù)進(jìn)行Itokawa的EVA任務(wù)訓(xùn)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(shù)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(dòng)作，為POGO訓(xùn)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(xì)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(jìn)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(wù)訓(xùn)練［37］，該軟件包含大量ISS艙段模型和EVA任務(wù)工具與設(shè)備的仿真模型（圖4 a），航天員教官用這些模型進(jìn)行訓(xùn)練任務(wù)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(wù)。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(gè)精確的虛擬三維人體模型（圖4b），用于進(jìn)行微重力環(huán)境下對(duì)人機(jī)工效、硬件設(shè)計(jì)以及任務(wù)流程的設(shè)計(jì)、分析與改進(jìn)［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(shí)事三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)產(chǎn)品、流程以及系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，而且還提供了人機(jī)工效的分析功能，集成了對(duì)能量損耗進(jìn)行評(píng)估的相關(guān)功能包。NASA的人機(jī)工效學(xué)者和設(shè)計(jì)人員可以借助該軟件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)并對(duì)模擬航天員模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)序設(shè)定［38］。國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了類似研究，開發(fā)了用于航天員EVA訓(xùn)練的VR模擬系統(tǒng)以及其關(guān)鍵技術(shù)，包括航天員身體運(yùn)動(dòng)追蹤、手勢(shì)追蹤、手部的力反饋以及空間場(chǎng)景構(gòu)建等［39］。該系統(tǒng)能夠?qū)嵭幸曈X與力覺的人機(jī)交互，通過手部的力覺反饋增強(qiáng)了仿真訓(xùn)練的真實(shí)性（圖4c）。上海交通大學(xué)的徐安等人利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為航天員出艙活動(dòng)的模擬搭建了一個(gè)進(jìn)行預(yù)測(cè)、訓(xùn)練的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境（圖4 d），用以配合載人機(jī)動(dòng)裝置的預(yù)研［40］。

2.4 氣浮臺(tái)技術(shù)

精密氣浮平臺(tái)（Precision Air Bearing Floor，PABF）能夠?qū)VA任務(wù)涉及到的大質(zhì)量硬件設(shè)備懸浮于氣浮層上，提供了兩個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的失重模擬能力［35］。PABF能準(zhǔn)確的模擬低重力環(huán)境下物體的運(yùn)動(dòng)，在ISS的EVA任務(wù)的模擬訓(xùn)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(dòng)和停止大質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)［35］。在航天員訓(xùn)練中，PABF可以與其他訓(xùn)練設(shè)備，例如POGO、ARGOS等結(jié)合起來，從而擴(kuò)展其功能和應(yīng)用范圍［35，37］。

圖5 利用氣浮臺(tái)進(jìn)行航天員訓(xùn)練Fig．5 Astronaut training with air bearing floor

北京交通大學(xué)劉庭偉也設(shè)計(jì)了一套類似的氣浮裝置（見圖5b）用于航天員EVA任務(wù)訓(xùn)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(tái)上，向氣浮臺(tái)供氣后，氣浮臺(tái)與支撐平臺(tái)之間產(chǎn)生氣膜，使氣浮臺(tái)在平臺(tái)上自由移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，從而模擬三自由度的微重力運(yùn)動(dòng)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(gè)氣浮臺(tái)上的航天員做推拉以及扭轉(zhuǎn)操作訓(xùn)練。

2.5 懸吊式重力補(bǔ)償系統(tǒng)

懸吊式重力補(bǔ)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(shì)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(dòng)重力補(bǔ)償型（采用可控電機(jī)調(diào)整吊索張力）和被動(dòng)重力補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)原理Fig．6 Theory of suspension gravity offload system

上世紀(jì)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(bǔ)償系統(tǒng)開展模擬月球重力環(huán)境下人體步態(tài)與運(yùn)動(dòng)機(jī)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(cè)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(shí)垂直于斜面的重力分力為其自身重力的1／6，從而達(dá)到模擬月球表面環(huán)境的效果（圖7 a）［42］。 當(dāng)測(cè)試對(duì)象運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于吊索傾斜角度的變化，會(huì)導(dǎo)致模擬重量產(chǎn)生一定的偏差［13］。由于受到繩索的約束，測(cè)試對(duì)象只能在一個(gè)面上運(yùn)動(dòng)，而且吊索的穿戴并不舒適［28］。研究人員還設(shè)計(jì)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(huì)受到離心力的作用，因此測(cè)試對(duì)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(gè)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(chǎng)的情況下測(cè)試對(duì)象的行走能力與行走效率。該裝置由一臺(tái)可調(diào)速的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，走道安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。

圖7 懸吊式重力補(bǔ)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(jì)劃所遺留的一套失重模擬器的硬件與后期改進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)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(gè)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(dòng)滑行，使測(cè)試者可在11.6 m長(zhǎng)的水平面內(nèi)進(jìn)行直線平動(dòng)，萬向節(jié)系統(tǒng)能提供三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，俯仰角和偏航角都能達(dá)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(shè)備提供了足夠的空間，在其上進(jìn)行測(cè)試也不受時(shí)間限制，能進(jìn)行靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)步態(tài)模式測(cè)試、測(cè)量步行速度以及全身運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及實(shí)時(shí)代謝率測(cè)試。但POGO的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得對(duì)測(cè)試對(duì)象的觀察被限制在縱切面內(nèi)，并且重力補(bǔ)償范圍有限（400 ～500 lb）［46］，而且忽略了四肢的重力補(bǔ)償，測(cè)試對(duì)象與補(bǔ)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(huì)在測(cè)試對(duì)象身上產(chǎn)生顯著的慣性載荷，影響動(dòng)力特性測(cè)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(shí)時(shí)地跟隨人的運(yùn)動(dòng)［45］。以上各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)人體動(dòng)作影響，通過并部分失重環(huán)境下集成宇航服測(cè)試的對(duì)比，評(píng)估了自疲勞感知分級(jí)（Ratings of Perceived Exertion，RPE）、重力補(bǔ)償與性能分級(jí)（Gravity Compensation and Performance Scale， GCPS）、代謝消耗（VO2）、地面反作用力（GRF）、步距、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角等指標(biāo)［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(qiáng)型零重力步態(tài)模擬器（enhanced ZLS，eZLS）則是 ZLS設(shè)備的最新一代型號(hào)（圖8b）［48］。ZLS通過一套力反饋控制系統(tǒng)在測(cè)試對(duì)象跑動(dòng)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(duì)測(cè)試對(duì)象施加不同的重力載荷，例如相當(dāng)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(cè)試對(duì)象四肢系上吊索被仰面懸吊起來，SLD通過測(cè)試對(duì)象穿戴的吊索背帶對(duì)其施加一個(gè)朝向跑步機(jī)的牽引力［50-51］。ZLS系列三種系統(tǒng)在測(cè)試對(duì)象身的四肢與肩部設(shè)置了8組吊索固定點(diǎn)，使施加在測(cè)試對(duì)象身上的重力置換載荷得到了更真實(shí)的分布［49］。eZLS的跑步機(jī)固定在一個(gè)氣浮平臺(tái)上，可以通過改變跑步機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，包括地面反作用力、對(duì)舒適度的主觀感受等來評(píng)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題以及低重力環(huán)境對(duì)骨骼肌肉健康的影響、開發(fā)與驗(yàn)證鍛煉設(shè)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(shè)施的舒適性、研究如何制定鍛煉方案以及研究?jī)?yōu)化硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)［50-51］。De Witt J K等人利用eZLS與C-9飛機(jī)拋物線飛行進(jìn)行了兩種模擬失重狀態(tài)下人體步態(tài)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與討論［23］。

主動(dòng)反應(yīng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)（Active Response Gravity Offload System，ARGOS）是一種能夠模擬不同重力場(chǎng)，包括月球重力、火星重力以及其它微重力場(chǎng)景的重力模擬系統(tǒng)（圖8c），由跑步機(jī)、吊索以及卷揚(yáng)裝置等組成，提供了6.1 m×12.2 m的水平活動(dòng)區(qū)域以及4.6 m的垂直升降空間［52］。ARGOS能夠在測(cè)試對(duì)象進(jìn)行走、跑、跳等運(yùn)動(dòng)時(shí)通過吊索的拉力對(duì)體重進(jìn)行部分重力補(bǔ)償。該系統(tǒng)使用激光角度傳感器測(cè)量吊索的傾斜角度并進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，在水平方向的兩個(gè)平移自由度上采用了主動(dòng)控制來追蹤人體的運(yùn)動(dòng)以保持垂直方向上的重力補(bǔ)償力直接作用于測(cè)試對(duì)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(shè)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(cè)試對(duì)象間的人機(jī)接口是一個(gè)萬向節(jié)系統(tǒng)，能夠提供俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并且能使重力補(bǔ)償力矢量通過測(cè)試對(duì)象的身體質(zhì)心，從而提升重力場(chǎng)模擬的真實(shí)感。設(shè)計(jì)者對(duì)萬向節(jié)的慣性矩與質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化，最大程度避免了其自身慣性對(duì)測(cè)試對(duì)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(yàn)證了系統(tǒng)自身的概念設(shè)計(jì)，但是其垂直與水平兩個(gè)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(yīng)能力不足，存在反應(yīng)滯后，存在許多影響測(cè)力計(jì)的噪聲源，而且濾波技術(shù)的處理能力有限，以上問題導(dǎo)致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定并影響了重力模擬的準(zhǔn)確性［55］。第一代ARGOS系統(tǒng)在2012年退役，當(dāng)前NASA使用的是第二代ARGOS系統(tǒng)，它在精度、動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載能力等性能有較大提升［55］。不僅適用于航天員的訓(xùn)練、EVA任務(wù)工具的開發(fā)、對(duì)行星探索載具與宇航服的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，還能用于測(cè)試機(jī)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(shù)的新發(fā)展

近年來，出現(xiàn)了一種利用彈簧平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償?shù)谋粍?dòng)外骨骼系統(tǒng)，通常采用彈簧平行四邊形機(jī)構(gòu)作為被動(dòng)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(dá)成靜態(tài)平衡，具體原理可以參見文獻(xiàn)［57］。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，類似機(jī)構(gòu)通常被用于抵消連桿重力載荷對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的影響，從而減輕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)［58-59］。在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，彈簧平行四邊形機(jī)構(gòu)也得到了廣泛的應(yīng)用，研究人員將類似的機(jī)構(gòu)集成到外骨骼系統(tǒng)上，用于對(duì)肌肉無力或運(yùn)動(dòng)神經(jīng)損傷等病患的康復(fù)訓(xùn)練治療［60-62］。

美國新墨西哥州立大學(xué)的Ma O等人［63-64］研究了主要用于載人航天、生物力學(xué)和康復(fù)機(jī)器人等方面的自適應(yīng)重力補(bǔ)償外骨骼系統(tǒng)（圖9 a），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jī)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(dòng)機(jī)械外骨骼上，這一點(diǎn)與中性浮力法等可以說是異曲同工［65］。

彈性平行四邊形機(jī)構(gòu)外骨骼系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

1）由于采用了被動(dòng)重力平衡技術(shù)，無需對(duì)系統(tǒng)施加主動(dòng)關(guān)節(jié)控制力矩，這就避免了進(jìn)行復(fù)雜的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性分析，也無需根據(jù)肢體運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)外骨骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)載荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)精確分配和主動(dòng)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)。

2）彈簧平行四邊形機(jī)構(gòu)不但可以補(bǔ)償任意比例（0% ～100%）的人體重力，而且還能對(duì)相應(yīng)的重力矩進(jìn)行補(bǔ)償，使穿戴人員在運(yùn)動(dòng)過程中感受到各主要關(guān)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(yùn)動(dòng)模擬效果。

3）該系統(tǒng)根據(jù)不同訓(xùn)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(fù)雜的吊索系統(tǒng)對(duì)測(cè)試人員運(yùn)動(dòng)的限制。

南京航空航天大學(xué)的陳卓鵬等人［65］對(duì)基于彈簧平行四邊機(jī)構(gòu)原理的外骨骼系統(tǒng)（圖9b）進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)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(xué)的研究者也進(jìn)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(xùn)練的需要，而且能夠?yàn)榈椭亓\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究和發(fā)展空間運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分支提供一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)對(duì)低重力環(huán)境下的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(xùn)練航天員或者進(jìn)行太空重力環(huán)境下的人體科學(xué)研究，研究人員進(jìn)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(shí)（VR）技術(shù)、懸吊式重力補(bǔ)償系統(tǒng)以及近來出現(xiàn)的被動(dòng)式外骨骼系統(tǒng)。

拋物線飛行法的優(yōu)勢(shì)非常明顯，是目前唯一能復(fù)現(xiàn)真實(shí)低重力環(huán)境的方法，參訓(xùn)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(jìn)行6個(gè)自由度的自由運(yùn)動(dòng)［14，22］，就這一點(diǎn)而言，該方法能為研究人體在微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間維持低重力環(huán)境。KC-135在拋物線飛行中復(fù)現(xiàn)完全失重環(huán)境的時(shí)間僅僅能維持大約20 s，復(fù)現(xiàn)月球表面的微重力環(huán)境（1／6g），可以持續(xù)約 30 s，復(fù)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(duì)這一問題的實(shí)驗(yàn)對(duì)策［17］，但客觀上失重時(shí)間受制于飛行規(guī)律無法改變，因此無法進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)的失重訓(xùn)練與人體運(yùn)動(dòng)研究實(shí)驗(yàn)，例如測(cè)量微重力環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)的代謝消耗率［14，22］。 2）進(jìn)行航天員訓(xùn)練與人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備受制于機(jī)艙容積與飛機(jī)運(yùn)載能力的限制。KC-135搭載的測(cè)試人員只能在高2 m、寬0.9 m以及長(zhǎng)6.3 m的空間內(nèi)活動(dòng)［36］，而C-9飛機(jī)的機(jī)艙中的測(cè)試區(qū)域有13.7 m 長(zhǎng)，2.64 m 寬，2.03 m 高［45］，相比于其他地面訓(xùn)練設(shè)施，空間顯得相當(dāng)局促。3）復(fù)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(hù)飛機(jī)、飛行消耗的燃料以及機(jī)組人員的人工成本非常昂貴。5）進(jìn)行拋物線飛行的時(shí)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(jī)，影響測(cè)試與訓(xùn)練工作的開展，KC-135飛機(jī)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(diǎn)：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(duì)航天員熟悉任務(wù)環(huán)境非常有利，而且能夠同時(shí)開展多組航天員的訓(xùn)練。NASA的NBL水池長(zhǎng)長(zhǎng)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(dān)研制任務(wù)的ISS部件，能夠同時(shí)運(yùn)行總?cè)藬?shù)為5人的兩組訓(xùn)練任務(wù)［28］；俄國的Hydro實(shí)驗(yàn)室的圓型水池，深12 m，直徑23 m，能夠容納一個(gè)全尺寸的禮炮號(hào)與聯(lián)盟號(hào)飛船對(duì)接模型［21］。2）航天員在浮力水池中能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練。NBL的生命保障系統(tǒng)能夠保障參訓(xùn)的航天員在水下進(jìn)行400 min的訓(xùn)練［28］。3）中性浮力法能夠允許航天員隨意在6個(gè)自由度上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。而主要缺陷是：1）由于水存在動(dòng)態(tài)阻尼和粘滯效應(yīng)，使得航天員在水下的動(dòng)力學(xué)特性與真實(shí)的太空失重環(huán)境存在差異［35］，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度越高時(shí)阻力也越大，穩(wěn)定的步行速度大約在在0.61 m／s時(shí)達(dá)到最佳的平衡效果，更高的步行速度將會(huì)產(chǎn)出更顯著的阻力作用［13］。水的阻力還會(huì)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(shí)效果不佳，Spady A A提出通過佩戴重量相當(dāng)于航天員體重六分之一的鉛塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)月球表面的重力環(huán)境進(jìn)行模擬，并介紹了兩種佩戴方法，但配重的方法將會(huì)極大影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性［13］。3）修建與運(yùn)營維護(hù)中性浮力水池的花費(fèi)巨大。4）為了保證航天員安全，水池訓(xùn)練所使用的電器設(shè)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(xùn)練的進(jìn)行，例如在氣閘艙穿／脫艙外服［30］。 5）航天員可能會(huì)面臨潛水病的風(fēng)險(xiǎn)［36］。

利用VR技術(shù)進(jìn)行航天員模擬失重訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)在于其數(shù)字化、可重復(fù)、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(shù)主要在視覺與局部力覺方面進(jìn)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(jì)算機(jī)人體模型研究低重力環(huán)境下人體健康與運(yùn)動(dòng)機(jī)能的問題，NASA已經(jīng)開展了多項(xiàng)研究［68-72］，對(duì)于豐富航天員訓(xùn)練手段、提升航天員訓(xùn)練效果有積極作用。但計(jì)算機(jī)人體模型只是反映人類對(duì)人體的有限認(rèn)識(shí)，真人實(shí)驗(yàn)對(duì)研究低重力環(huán)境下的人體健康與運(yùn)動(dòng)機(jī)能的問題依舊是必不可少的。

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

表1從模擬重力范圍、運(yùn)動(dòng)自由度、模擬持續(xù)時(shí)間、能否使用任務(wù)工具、多人協(xié)作能力等方面對(duì)上述各方法進(jìn)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(shè)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(tái)，但對(duì)于低重力環(huán)境下的載人航天任務(wù)，我國尚無具有針對(duì)性的航天員任務(wù)操作模擬與訓(xùn)練平臺(tái)，并且在低重力模擬技術(shù)方面的研究正逐漸起步，國內(nèi)航天員低重力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練手段還較為匱乏，因而對(duì)研制新一代的航天員低重力模擬系統(tǒng)作為航天員任務(wù)操作模擬與訓(xùn)練平臺(tái)以及低重力環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)有著較為迫切的現(xiàn)實(shí)需求。根據(jù)上文分析，新一代的航天員低重力運(yùn)動(dòng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：

1）低重力模擬功能完善，能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的、低重力模擬還原度高的任務(wù)訓(xùn)練與科學(xué)測(cè)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(wù)環(huán)境；

3）人機(jī)接口具備較高的活動(dòng)自由度且人機(jī)工效優(yōu)良，能夠進(jìn)行載人航天任務(wù)中各類復(fù)雜動(dòng)作的訓(xùn)練以及各類低重力環(huán)境下的人體科學(xué)研究；

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

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ 李瑩輝.航天醫(yī)學(xué)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2013，26（6）：421-425.Li Yinghui.The current status and trend of space medicine［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering，2013，26（6）：421-425.（in Chinese）.

［ 2 ］ CARR C E， MCGEE J.The Apollo number： space suits，self-support， and the walk-run transition［J］.PLOS ONE，2009， 4（8）： e6614.

［3］ Cavagna G A，Willems P A，Heglund N C.The role of gravity in human walking： pendular energy exchange， external work and optimal speed［J］.The Journal of Physiology，2000， 528（3）： 657-68.

［4］ Hewes D E.Reduced-gravity simulators for studies of man’s mobility in space and on the moon ［ J］.Human Factors，1969， 11（5）： 419-31.

［5］ Davis B L，Cavanagh P R.Simulating reduced gravity：a review of biomechanical issues pertaining to human locomotion［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 1993，64（6）： 557-66.

［6］ 李虹琳，李金釗.NASA發(fā)布載人火星探索之路［J］.中國航天，2015（11）：19-20.Li Hongling， Li Jingzhao.NASA’s description of manned Mars exploration［J］.Aerospace China， 2015（11）： 19-20.（in Chinese）

［7］ RS.NASA向波音和SpaceX各增訂4次載人飛行任務(wù)［J］.航天工業(yè)管理，2017（01）：47.RS.4 Manned flight missions order placed to Boeing＆Space X by NASA ［ J］.Aerospace Industry Management， 2017（01）： 47.（in Chinese）

［8］ 顧逸東.我國載人航天發(fā)展戰(zhàn)略的若干思考［C］／／中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì).第二十三屆全國空間探測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集.中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)，2010：1.Gu Yidong.Contemplations about China’s manned space development strategy［C］／／Committee of Space Exploration of Chinese Society of Space Research.Proceedings of the 23th National Space Exploration Seminar.Committee of Space Exploration of Chinese Society of Space Research，2010：1.（in Chinese）

［9］ Kuhlman J，Phillips K.Development of the WVU 1.25s reduced-gravity drop tower［ C］ ／／53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting：American Institute of Aeronautics and Astronautics， AIAA SciTech Forum， Florida， AIAA 2015-2018.

［10］ Lekan J F， Neumann E S， Thompson D M，Ground-based reduced-gravity facilities［R］.NASA／TM-1998-206312.US：NASA，1998.

［11］ Thompson D M.Zero gravity research facility user’ s guide［R］.NASA／TM-1999-209641.US： NASA， 1999.

［12］ Leavitt G， Wallace C， Cook M.A project overview of High Altitude Reduced Gravity Vehicle Experiments［C］／／AIAA 5th ATIO and16th Lighter-Than-Air Sys Tech and Balloon Systems Conferences， Arlington， Virginia， AIAA 2005-7493.

［13］ Spady A A.Comments on several reduced-gravity simulators used for studying lunar self-locomotive tasks（Subjective review of feel and operating characteristics of reduced-gravity simulators）［R］.NASA-TN-D-5802.US： NASA，1970.

［14］ Chappell S P， Klaus D M.Enhanced simulation of partial gravity for extravehicular activity［J］.Journal of Human Performance in Extreme Environments， 2013， 10（2）： 1.

［15］ Williams R， Billica L.JSC reduced gravity program and 1992 highlights［C］ ／／31st Aerospace Sciences Meeting： American Institute of Aeronautics and Astronautics， Reno，NV，U.S.A.AIAA 1993-572.

［16］ Lambot T， Ord S F.Analysis of the quality of parabolic flight［R］.ARC-E-DAA-TN32699-1.US： NASA，2016.

［17］ Robinson D W.Prolonging microgravity on parabolic airplane flights［R］.GSC-14521.US： NASA，2003.

［18］ Neumann E S， Withrow J P， Yaniec J S.Users guide for NASA Lewis research center DC-9 reduced-gravity aircraft program［R］.NASA-TM-106755／Rev-1.US： NASA，1996.

［19］ Ransom S， Zier M.Method and apparatus for aircraft-based simulation of variable accelerations and reduced gravity conditions： US， US6743019 B2［P］.2004.

［20］ 葉介甫.我國早期籌備宇航員訓(xùn)練始末［J］.文史精華，2011（6）： 19-21.YE Jiefu.The whole story of the early preparations for Chinese astronaut training［J］.Wenshijinhua， 2011（6）： 19-21（in Chinese）.

［21］ Cintala M J， Hoerz F， See T H.Impact cratering in reducedgravity environments：Early experiments on the NASA KC-135 aircraft［R］.89N15008.US： NASA， 1987.

［22］ Norcross J R.Using analogs for performance testing of humans in spacesuits in simulated reduced gravity［R］.JSC-CN-29695.US：NASA，2013.

［23］ De Witt J K， Perusek G P， Lewandowski B E， et al.Locomotion in simulated and real microgravity：horizontal suspension vs.parabolic flight［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 2010， 81（12）： 1092-9.

［24］ Lee S M C，Cobb K，Loehr J A，et al.Foot-ground reaction force during resistive exercise in parabolic flight［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 2004， 75（5）：405-12.

［25］ Laughlin M S，Murray J D，Lee L R，et al.Compiling a comprehensive eva training dataset for NASA astronauts［R］.JSC-CN-34681.US： NASA，2016.

［26］ Prince A，Neutral Buoyancy laboratory capabilities［R］.JSCCN-38569.US： NASA，2016.

［27］ Jairala J， Durkin R， Marak R， et al.Extravehicular activity development and verification testing at NASA’s Neutral Buoyancy Laboratory［C］ ／／42nd International Conference on Environmental Systems， San Diego， California， AIAA 2012-3592.

［28］ Syloslabini F， Lacquaniti F， Ivanenko Y P.Human locomotion under reduced gravity conditions：biomechanical and neurophysiological considerations［J］.BioMed Research International， 2014（2014）： 547242.

［29］ 馬愛軍，黃曉慧.載人航天環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展 ［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21（3）：224-32.Ma Aijun，Huang Xiaohui.Development of manned space environment simulation technology［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering， 2008， 21（3）： 224-232.（in Chinese）

［30］ Young J R， Dees G， Brewer L.Training capabilities in support of crew and ground Space Station payload operations［C］ ／／Space Programs and Technologies Conference， Huntsville，AL，U.S.A， AIAA 1996-4372.

［31］ Simanonok K E， Moseley E C， Charles J B.Space sickness predictors suggest fluid shift involvement and possible countermeasures［R］.92N22350.US： NASA， 1992.

［32］ Abercromby A F， Chappell S P， Litaker H， et al.NASA Research and Technology Studies（RATS） 2012： virtual simulation and evaluation of human and robotic systems for exploration of near-Earth asteroids［C］ ／／43rd International Conference on Environmental Systems，International Conference on Environmental Systems （ICES）， Vail， CO.AIAA 2013-3506.

［33］ Osterlund J， Lawrence B.Virtual reality： Avatars in human spaceflight training ［J］.Acta Astronautica， 2012， 71： 139-150.

［34］ Homan D， Gott C.An integrated EVA／RMS virtual reality simulation，including force feedback for astronaut training［C］／／Flight Simulation Technologies Conference， San Diego，CA，U.S.A.， AIAA 1996-3498.

［35］ Ney Z， Looper C， Parazynski S.Developing the infrastructure for exploration EVA training［C］／／Space 2006， AIAA SPACE Forum，San Jose，California，AIAA 2006-7451.

［36］ Ray D M，Vanchau M N，Virtual environment application with partial gravity simulation［R］.95N15988.US： NASA，1994.

［37］ Bell E， Coan D.A review of the approach to ISS increment crew EVA training［C］／／AIAA SPACE 2007 Conference ＆Exposition.2007：6236.

［38］ Hunter S L， Dischinger C， Estes S.Three-dimensional simulation： Microgravity environments and applications［J］.Journal of Spacecraft and Rockets， 2002， 39（2）： 194-197.

［39］ Liu Y， Chen S， Jiang G， et al.VR simulation system for EVA astronaut training［C］ ／／AIAA SPACE 2010 Conference＆ Exposition.2010：8696.

［40］ 徐安，范秀敏，洪鑫，等.交互式宇航員太空行走仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2004， 16（9）：1953-1956.Xu An， Fan Xiumin， Hong Xin， et al.Research and development on interactive simulation system for astronauts walking in the outer space［J］.Journal of System Simulation.2004，16（9）：1953-1956.（in Chinese）

［41］ 劉庭偉.宇航員微重力操作訓(xùn)練設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.Liu Tingwei.Key Technologies of the Astronauts EVA Operation Training Equipment in Microgravity Environment［D］.Beijing： Beijing Jiaotong University， 2012.（in Chinese）

［42］ Hewes D E， Letko W， Spady A A.The problems of man’s adaptation to the lunar environment［R］.NASA-TM-X-57241.US：NASA，1966.

［43］ Ray D M.Partial gravity simulation using a pneumatic actuator with closed loop mechanical amplification［R］.NASATM-104798.US：NASA，1994.

［44］ Norcross J R， Lee L R， Clowers K G， et al.Feasibility of performing a suited 10-km ambulation on the Moon final report of the EVA walkback test（EWT）［R］.TP-2009-214796.US：NASA，2009.

［45］ Norcross J R， Chappell S P， Clowers K G， et al.Characterization of partial-gravity analog environments for extravehicular activity suit testing［R］.TM-2010-216139.US： NASA，2010.

［46］ Norcross J， Clowers K， Clark T， et al.Effects of changing center of gravity on shirtsleeve human performance in reduced gravity［R］.TM-2010-216127.US： NASA， 2010.

［47］ Totman C， Perusek G， Grodsinsky C， et al.Ground-based simulations of ISS exercise countermeasures at NASA Glenn Research Center’ s Exercise Countermeasures Laboratory：compliant interface dynamics using a floating treadmill［C］ ／／46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.2008：804.

［48］ Davis B L， Cavanagh P R， Sommer H J， et al.Ground reaction forces during locomotion in simulated microgravity［J］.Aviation， Space， and Environmental Medicine， 1996， 67（3）： 235-242.

［49］ Genc K O， Mandes V E， Cavanagh P R.Gravity replacement during running in simulated microgravity［J］.Aviation， Space，and Environmental Medicine， 2006， 77（11）： 1117-24.

［50］ Perusek G P， Dewitt J K， Cavanagh P R， et al.Zero-gravity locomotion simulators：new ground-based analogs for microgravity exercise simulation［R］.WBS 516724.02.02.03.US：NASA，2007.

［51］ Nall M，Perusek G，Lewandowski B，et al.Exercise countermeasures and a new ground-based partial-g analog for exploration［C］ ／／45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit：543.

［52］ Valle P， Dungan L， Cunningham T， et al.Active response gravity offload system［R］.MSC-24815-1／24-1.US： NASA，2011.

［53］ Dungan L K， Valle P， Shy C.Generating a reduced gravity environment on Earth［R］.JSC-CN-32578.US： NASA，2015.

［54］ Norcross J， Gernhardt M， Chappell S， et al.A new method for interfacing unsuited subjects to overhead suspension partial gravity simulators［R］.JSC-CN-23561： NASA， 2011.

［55］ Dungan L K， Valle P S， Bankieris D R， et al.Active response gravity offload and method： US， U.S.9，194，977［P］.2015.

［56］ Norcross J R， Gernhardt M L.Selecting tasks for evaluating human performance as a function of gravity［R］.JSC-CN-23243.US：NASA，2011.

［57］ Herder J L.Energy-free Systems.Theory： Conception and Design of statically balanced Spring Mechanisms［D］.Delft，Netherlands： Delft University of Technology， 2001.

［58］ Russo A， Sinatra R， Xi F.Static balancing of parallel robots［J］.Mechanism and Machine Theory， 2005， 40（2）： 191-202.

［59］ Gosselin C M， Wang J.Static balancing of spatial six-degreeof-freedom parallel mechanisms with revolute actuators［J］.2000， 17（3）： 170.

［60］ Dunning A G，Janssen M M H P，Kooren P N，et al.Evaluation of an arm support with trunk motion capability［J］.Journal of Medical Devices-transactions of The Asme， 2016， 10（4）： 044509.

［61］ Gijbels D， Lamers I， Kerkhofs L， et al.The Armeo Spring as training tool to improve upper limb functionality in multiple sclerosis： a pilot study［J］.Journal of Neuroengineering and Rehabilitation， 2011， 8（1）： 5.

［62］ Sanchez R J， Liu J， Rao S， et al.Automating arm movement training following severe stroke：functional exercises with quantitative feedback in a gravity-reduced environment［J］.International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， 2006， 14（3）： 378-89.

［63］ Ma O， Lu Q， Mcavoy J， et al.Concept study of a passive reduced-gravity simulator for training astronauts ［ C ］／／the ASME 2010 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Volume 2：34th Annual Mechanisms and Robotics Conference， Parts A and B： American Society of Mechanical Engineers：655-64.

［64］ Xiu W， Ruble K， Ma O.A reduced-gravity simulator for physically simulating human walking in microgravity or reduced-gravity environment［C］／／2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）：4837-43.

［65］ 喬兵，陳卓鵬.航天員低重力步行訓(xùn)練被動(dòng)外骨骼機(jī)器人模擬［J］. 宇航學(xué)報(bào)，2014，35（4）：474-480.Qiao B，Chen Z P.A passive exoskeleton robotic simulator for reduced-gravity locomotion training of astronaut［J］.Journal of Astronautics， 2014， 35（4）： 474-80. （in Chinese）

［66］ 葉平，宋爽，何雷，等.基于彈簧機(jī)構(gòu)的宇航員抗阻力訓(xùn)練器 ［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，23）：1-7.Ye Ping， Song Shuang， He lei， et al.Resistive exercise device based on spring mechanism for astronauts［J］.Journal of Mechanical Engineering.2014， 50（23）： 1-7 （in Chinese）.

［67］ Morris R B， Whitmore M.Measuring human performance on NASA’s microgravity aircraf［R］.94N11537.US： NASA，1993.

［68］ Gallo C A，Thompson W K，Lewandowski B E， et al.Computational modeling using opensim to simulate a squat exercise motion［R］.GRC-E-DAA-TN19807.US： NASA， 2015.

［69］ Lewandowski B E，Pennline J A，Thompson W K，et al.Development of the NASA digital astronaut project muscle model［R］.GRC-E-DAA-TN20325.US：NASA，2015.

［70］ Thompson W K，Gallo C A， Crentsil L， et al.Digital astronaut project biomechanical models：biomechanical modeling of squat，single-leg squat and heel raise exercises on the Hybrid Ultimate Lifting Kit（HULK） ［R］.NASA／TM-2015-218852.US：NASA，2015.

［71］ Lewandowski B E，Pennline J A，Stalker A R，et al.Musculoskeletal modeling component of the NASA digital astronaut project［R］.E-17763.US： NASA， 2011.

［72］ Mulugeta L， Myers J G， Lewandowski B， et al.The value of biomedical simulation environments to future human space flight missions［R］.JSC-CN-23697.US： NASA， 2011.