阅读说明：本技术 一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法 (Space orientation adaptability training device and method for simulating celestial gravity ) 是由 王林杰 何思扬 邹朋 袁敏 王惠娟 李志利 刘书娟 张剑锋 戴小倩 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法,训练装置包括：偏心调节装置、转椅和控制器；转椅包括基座、旋转横杆和座椅；旋转横杆水平设置在基座上,旋转横杆绕基座的旋转中心旋转；座椅用于承载受训者；偏心调节装置为松紧手柄,松紧手柄设置在旋转横杆上,松紧手柄上标有距旋转中心的刻度；座椅滑动设置在松紧手柄上,通过松紧手柄调节座椅与旋转中心的距离；控制器用于控制座椅以设定速度绕所述旋转中心转动。训练时,将受训者固定在座椅上,通过松紧手柄调节座椅距旋转中心的距离,并通过控制器控制座椅以设定速度绕旋转中心转动,通过离心力建立不同于地球表面的重力条件,实现在地球表明对受训者的前庭功能进行特定重力条件的定向感知训练。(The invention discloses a space orientation adaptability training device and method for simulating the gravity of a planet, wherein the training device comprises: an eccentric adjusting device, a swivel chair and a controller; the swivel chair comprises a base, a swivel cross bar and a seat; the rotating cross rod is horizontally arranged on the base and rotates around the rotating center of the base; the seat is used for bearing a trainee; the eccentric adjusting device is an elastic handle which is arranged on the rotating cross rod, and scales away from the rotating center are marked on the elastic handle; the seat is arranged on the elastic handle in a sliding manner, and the distance between the seat and the rotating center is adjusted through the elastic handle; the controller is used for controlling the seat to rotate around the rotating center at a set speed. During training, a trainee is fixed on the seat, the distance between the seat and the rotation center is adjusted by tightening and loosening the handle, the seat is controlled by the controller to rotate around the rotation center at a set speed, and a gravity condition different from the surface of the earth is established by centrifugal force, so that the directional perception training of specific gravity conditions on the vestibule function of the trainee is realized on the surface of the earth.)

一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法

技术领域

本发明涉及模拟星球重力地面防护训练领域，特别是涉及一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法。

背景技术

在目前的研究中发现具有较高前庭阈值的个体在飞行中易出现空间失定向，而这种影响在重力条件小于地球的其他星球(如月球)更严重。人体通过位于内耳迷路的耳石器官感知重力，耳石器官传感器由附着于毛细胞凝胶状基质内(囊斑)的碳酸钙晶体(耳石砂)组成。当身体倾斜或加速时耳石砂移动、毛细胞产生形变，此时耳石并不能区分倾斜和直线加速刺激，这对于宇航员来说非常严重。因此，在宇航员执行太空飞行任务或登月任务之前，需要在地面进行空间定向的适应性训练，即需要一种能够在地球表面模拟其他星球重力的空间定向适应性训练装置及训练方法，实现在地面1g(g为地球表明的重力加速度)重力条件下对宇航员的针对性训练。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法，实现在地面1g重力条件下对宇航员的针对性训练。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置，所述训练装置包括：偏心调节装置、转椅和控制器；

所述转椅包括基座、旋转横杆和座椅；

所述旋转横杆水平设置在所述基座上，所述旋转横杆绕所述基座的旋转中心旋转；

所述座椅用于承载受训者；

所述偏心调节装置为松紧手柄；

所述松紧手柄设置在所述旋转横杆上，所述松紧手柄上标有距所述旋转中心的刻度；所述座椅滑动设置在所述旋转横杆上，通过所述松紧手柄调节所述座椅与所述旋转中心的距离；

所述控制器用于控制所述座椅以设定速度绕所述旋转中心转动。

可选的，所述训练装置还包括轻型无线虚拟现实视景头盔和虚拟场景及任务命令生成系统；

所述轻型无线虚拟现实视景头盔与所述虚拟场景及任务命令生成系统连接；

所述虚拟场景及任务命令生成系统用于生成虚拟星球场景，并将所述虚拟星球场景发送至所述轻型无线虚拟现实视景头盔；

所述轻型无线虚拟现实视景头盔用于佩戴在所述受训者头部，向所述受训者展示所述虚拟星球场景。

可选的，所述虚拟星球场景包括星球表面丘陵、星球基地、星球车、登陆星球飞行器舱内场景和登陆星球飞行器舱外场景。

可选的，所述训练装置还包括耳麦和操作手柄；

所述耳麦与所述轻型无线虚拟现实视景头盔连接；

所述虚拟场景及任务命令生成系统还用于生成场景任务，并将所述场景任务发送至所述轻型无线虚拟现实视景头盔；所述场景任务包括方向转换任务、拾取任务和特定操作任务；

所述轻型无线虚拟现实视景头盔将所述场景任务以图像形式展示给所述受训者；

所述轻型无线虚拟现实视景头盔还将所述场景任务通过所述耳麦以语言形式展示给所述受训者。

所述操作手柄设置在所述座椅上并与所述虚拟场景及任务命令生成系统无线连接；所述受训者通过所述操作手柄完成所述场景任务。

可选的，所述训练装置还包括虚拟星球活动显示系统；

所述虚拟星球活动显示系统与所述虚拟场景及任务命令生成系统连接；

所述虚拟星球活动显示系统用于显示所述虚拟星球场景、所述场景任务及所述受训者完成所述场景任务的信息。

可选的，所述操作手柄上设置有方向键、操作键和虚拟拾取装置；

所述方向键用于完成所述方向转换任务；

所述虚拟拾取装置包括拾取键和射线发生器；

所述射线发生器用于在所述虚拟星球场景中产生可见射线，通过所述可见射线选定所述虚拟星球场景中的虚拟物体，并通过所述拾取键完成所述拾取任务；

所述操作键用于完成所述特定操作任务。

可选的，所述座椅能够绕所述座椅的中心轴转动。

本发明还提供一种模拟星球重力的空间定向适应性训练方法，所述方法用于本发明提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置，所述方法包括：

获取待模拟的星球重力条件和座椅距旋转中心的距离；

根据所述待模拟的星球重力条件和所述座椅距旋转中心的距离计算得到平台速度；

控制所述座椅加速旋转，并获取所述座椅当前的旋转速度；

判断所述座椅当前的旋转速度是否等于所述平台速度，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为否，则返回步骤“控制所述座椅加速旋转，并获取所述座椅当前的旋转速度”；

若所述第一判断结果为是，则控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转。

可选的，在所述控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转之后，所述方法还包括：获取虚拟星球场景及场景任务；

将所述虚拟星球场景和所述场景任务发送至轻型无线虚拟现实视景头盔和虚拟星球活动显示系统；

获取操作手柄的实时操作信息，并将所述操作信息发送至所述虚拟星球活动显示系统进行显示。

可选的，在所述控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转之后，在所述获取虚拟星球场景及场景任务之前，还包括：

获取所述旋转速度等于所述平台速度的持续时间；

判断所述持续时间是否大于预设阈值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则获取虚拟星球场景及场景任务；

若所述第二判断结果为否，则返回步骤“获取所述旋转速度等于所述平台速度的持续时间”。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法，训练装置包括偏心调节装置、转椅和控制器，转椅包括基座、旋转横杆和座椅；所述旋转横杆水平设置在所述基座上，所述旋转横杆绕所述基座的旋转中心旋转；所述座椅用于承载受训者；所述偏心调节装置为松紧手柄，所述松紧手柄设置在所述旋转横杆上，所述松紧手柄上标有距所述旋转中心的刻度；所述座椅滑动设置在所述松紧手柄上，通过所述松紧手柄调节所述座椅与所述旋转中心的距离；所述控制器用于控制所述座椅以设定速度绕所述旋转中心转动。训练时，将受训者固定在座椅上，通过松紧手柄调节座椅距旋转中心的距离，并通过控制器控制座椅以设定速度绕旋转中心转动，通过离心力建立不同于地球表面的重力条件，实现在地球表明对受训者的前庭功能进行特定重力条件的定向感知训练。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置结构框图；

图2为本发明实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的重力、离心力和倾斜角度关系图；

图4为本发明实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练方法流程图。

附图标记说明：

11-转椅，12-偏心调节装置，21-轻型无线虚拟现实视景头盔，22-耳麦，23-操作手柄，31-虚拟场景及任务命令生成系统，32-虚拟星球活动显示系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法，实现在地面1g重力条件下对宇航员的针对性训练。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置结构框图；图2为本发明实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置结构示意图，如图1、2所示，一种模拟星球重力的空间定向适应性训练装置，所述训练装置包括：偏心调节装置12、转椅11和控制器；所述转椅11包括基座、旋转横杆和座椅，所述旋转横杆水平设置在所述基座上，所述旋转横杆绕所述基座的旋转中心旋转；所述座椅用于承载受训者；所述偏心调节装置12为松紧手柄；所述松紧手柄设置在所述旋转横杆上，所述松紧手柄上标有距所述旋转中心的刻度；所述座椅滑动设置在所述松紧手柄上，通过所述松紧手柄调节所述座椅与所述旋转中心的距离；所述控制器用于控制所述座椅以设定速度绕所述旋转中心转动。所述座椅能够绕所述座椅的中心轴转动。

所述训练装置还包括轻型无线虚拟现实视景头盔21和虚拟场景及任务命令生成系统31；所述轻型无线虚拟现实视景头盔21与所述虚拟场景及任务命令生成系统31连接；

所述虚拟场景及任务命令生成系统31用于生成虚拟星球场景，并将所述虚拟星球场景发送至所述轻型无线虚拟现实视景头盔21；所述虚拟星球场景包括星球表面丘陵、星球基地、星球车、登陆星球飞行器舱内场景和登陆星球飞行器舱外场景。

所述轻型无线虚拟现实视景头盔21用于佩戴在所述受训者头部，向所述受训者展示所述虚拟星球场景。

所述训练装置还包括耳麦22和操作手柄23；

所述耳麦22与所述轻型无线虚拟现实视景头盔21连接；

所述虚拟场景及任务命令生成系统31还用于生成场景任务，并将所述场景任务发送至所述轻型无线虚拟现实视景头盔21；所述场景任务包括方向转换任务、拾取任务和特定操作任务。

所述轻型无线虚拟现实视景头盔21将所述场景任务以图像形式展示给所述受训者；

所述轻型无线虚拟现实视景头盔21还将所述场景任务通过所述耳麦22以语音形式展示给所述受训者。

所述操作手柄23设置在所述座椅上并与所述虚拟场景及任务命令生成系统31无线连接；所述受训者通过所述操作手柄23完成所述场景任务。

所述操作手柄23上设置有方向键、操作键和虚拟拾取装置；

所述方向键用于完成所述方向转换任务；

所述虚拟拾取装置包括拾取键和射线发生器；

所述射线发生器用于在所述虚拟星球场景中产生可见射线，通过所述可见射线选定所述虚拟星球场景中的虚拟物体，并通过所述拾取键完成所述拾取任务；

所述操作键用于完成所述特定操作任务。

所述训练装置还包括虚拟星球活动显示系统32；

所述虚拟星球活动显示系统32与所述虚拟场景及任务命令生成系统31连接；

所述虚拟星球活动显示系统32用于显示所述虚拟星球场景、所述场景任务及所述受训者完成所述场景任务的信息。

本实施例中，针对月球表面的重力条件(g6)对受训者进行训练。

人体由位于内耳迷路的耳石器官感知重力，耳石器官由附着于毛细胞凝胶状基质内(囊斑)的碳酸钙晶体(耳石砂)组成。当身体倾斜或加速时耳石砂移动、毛细胞产生形变，耳石并不能区分倾斜和直线加速刺激。如静态水平倾斜15°，25°，30°和45°与线加速度在球囊囊斑平面分别产生0.27g，0.46g，0.58g和1g刺激。地面除静态倾斜产生类似直线加速度类似感知外，在地面1g重力下利用偏心旋转条件下，在重力加速度和离心加速度作用下也可产生静态的运动和倾斜感知，其相互之间的关系如图3所示，

其中，G为重力，F为旋转过程中产生的离心力，θ为人体感知到的倾斜角度。三者之间的关系为：tanθ＝F/G；另外F＝m·r·ω²，其中m为受训者重量，r为座椅距旋转中心的距离(旋转半径)，ω为旋转角速度；G＝m·g，g为地球表面的重力加速度。

当受训者面向旋转方向在50cm偏心条件下以33°/s的速度匀速旋转，可产生人体水平倾斜9.5°的感知，类似于线加速度在球囊囊斑平面产生g/6月球重力的刺激。

本发明通过建立耳石球囊低重力感知的同时给予不同难度任务的月面活动场景虚拟刺激，建立新型针对登月活动的前庭功能训练装置，在地面1g环境中建立1/6g月面前庭刺激条件，结合虚拟现实呈现手段，为建立宇航员尽快适应登月任务对人体的前庭功能定向感知训练方法提供平台支撑。

本实施例提供的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置，优选针对月球重力进行训练，涉及g/6前庭刺激发生方式、月面活动场景、不同难度的定向任务三个方面。通过偏心调节装置12根据所需模拟的重力条件调节松紧手柄，进而调节座椅距旋转中心的距离，并给予人体受训者合适可耐受刺激偏心旋转速度。即偏心调节装置12采用调节控制松紧手柄以及位于偏心装置上的刻度尺，用于确定调节座椅距离旋转中心的距离大小(最大偏心距离为50cm)，并按照规定的速度剖面进行离心刺激。

座椅在偏心状态下可按照设定的速度剖面曲线，含梯形速度曲线、正弦谐波曲线等设定进行旋转，最大速度可达450°/s。座椅能够进行偏心顺时针和逆时针旋转，受训者可面向旋转方向、背离旋转方向旋转或面朝外旋转。

训练时，先将转椅11的座椅平行拉出至偏心距离(本实施例中设置为50cm)。根据所需模拟的重力水平，如月球重力水平为g/6，将座椅旋转角速度设置为33°/s，人体将感受到g/6运动刺激和9.5°的倾斜感知，同时受训者佩戴视景头盔，由视景生成器生成月面活动场景，根据场景设定的任务，受训人员进行操作及训练，达到模拟月球重力条件下空间定向训练的效果。

模拟月球重力条件的训练中，虚拟场景及任务命令生成系统31生成的图像及命令包括月面丘陵、月球基地、月球车、登月飞行器舱内、舱外场景及操作指令等影像和声音。虚拟场景及任务命令生成系统31生成的内容通过无线传输至轻型无线虚拟现实视景头盔21和耳麦22，受训人员通过佩戴轻型无线虚拟现实视景头盔21和耳麦22，结合操作手柄23来执行训练任务。

在本实施例中，该装置还包括虚拟星球活动显示系统32，用于呈现虚拟场景及任务命令生成系统31生成的图像及声音等内容及受训者操作操作手柄23完成任务的情况，用于呈现训练任务完成情况。

本实施例中操作手柄23采用硬质的材料制成。操作手柄23用于在受训过程中进行月面虚拟物品的操作交互控制，由于受训者身体运动受限，训练过程中无法进行实际的行走、弯腰等动作，因此需要对操作交互方式进行特殊的设计，对搜索、行走、控制月球车、改变方向等运动，采用操作手柄23的方向键进行控制；对操作目标选定、拾取等动作，在操作手柄23上建立一个虚拟的拾取装置，该拾取装置可在虚拟场景中发出可见的射线，通过可见射线与虚拟物体进行碰撞检测来实现虚拟物体的选定，通过手柄上的操作按键实现物体的拾取和操作；对搬运、投掷、展示国旗等动作，可将虚拟物体附着在操作手柄23上，通过随动关系的设置和解除实现对虚拟物体的操作。

本实施例中，进行月面虚拟物体的操作交互控制包括进行物品的搜索、搬运、投掷、控制月球车、改变前进方向、完成展示国旗等任务，交互控制内容根据训练需要可自由开发设计。

本发明的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置使用过程：

1)受训者坐在转椅11的座椅上，佩戴轻型无线虚拟现实视景头盔21和耳麦22，手持操作手柄23，施训人员为受训者完成安全带固定。

2)启动虚拟场景及任务命令生成系统31、虚拟星球活动显示系统32，完成虚拟场景及任务命令生成系统31和轻型无线虚拟现实视景头盔21、耳麦22，手持操作手柄23连接设置。

3)调节偏心调节装置12，将座椅调至50cm处并锁紧。

4)设置转椅11速度剖面曲线，将转动加速度设置为10°/s²，平台速度设置为33°/s(平台其时长根据训练任务可自由设置)，减速度设置为10°/s²。

5)启动转椅11，转椅11以10°/s²加速至33°/s达到平台速度进行匀速转动。当转椅11达到平台期速度20s后开始训练任务(加速阶段结束后，人体对加速度的感觉仍会持续约20s，因此转椅11达到平台期20s后再开始训练任务，有利于避免加速度刺激对训练带来的不良影响)。

6)训练结束后转椅11以10°/s(设置范围为0～450°/s)减速直至转椅11停止转动。

通过本发明可以设定多种训练方式，在虚拟月面活动场景和任务命令生成系统，通过生成不同的活动，包括月球飞行器舱内的物品搜索、舱内的仪表按键、舱外的搜索、物品搬运、控制月球车等不同的难度操作任务，以适应月球重力各种空间定向要求。

本发明还提供一种模拟星球重力的空间定向适应性训练方法，如图4所示，所述方法包括：

S001：获取待模拟的星球重力条件和座椅距旋转中心的距离；

S002：根据所述待模拟的星球重力条件和所述座椅距旋转中心的距离计算得到平台速度；

S003：控制所述座椅加速旋转，并获取所述座椅当前的旋转速度；

S004：判断所述座椅当前的旋转速度是否等于所述平台速度，得到第一判断结果；

S005：若所述第一判断结果为否，则返回步骤“控制所述座椅加速旋转，并获取所述座椅当前的旋转速度”；

S006：若所述第一判断结果为是，则控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转。

在所述控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转之后，所述方法还包括：

S007：获取虚拟星球场景及场景任务；

S008：将所述虚拟星球场景和所述场景任务发送至轻型无线虚拟现实视景头盔21和虚拟星球活动显示系统32；

S009：获取操作手柄23的实时操作信息，并将所述操作信息发送至所述虚拟星球活动显示系统32进行显示。

在所述控制所述座椅以所述平台速度匀速旋转之后，在所述获取虚拟星球场景及场景任务之前，还包括：

获取所述旋转速度等于所述平台速度的持续时间；

判断所述持续时间是否大于预设阈值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则获取虚拟星球场景及场景任务；

若所述第二判断结果为否，则返回步骤“获取所述旋转速度等于所述平台速度的持续时间”。

通过本发明的模拟星球重力的空间定向适应性训练装置及方法，通过模拟星球(月球)重力时前庭系统的感知，利用星球表面(月面)活动场景的虚拟模拟给予视觉刺激，形成在地面1g条件下模拟其他星球重力条件(月球1/6g条件)下人体定向和控制的训练，为在地面条件下对登陆其他星球活动低重力影响的训练提供了新思路、新方法和训练平台支持。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。