一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置

摘要

本发明公开了一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置。该装置采用多感知模拟的方式来减小以上差异，使用装有低阻尼万向轮的实物扶栏和从动座椅，来模拟受训者在平面方向运动的失重环境，并通过穿戴在受训者身上的虚拟现实头盔和数据手套实时跟踪受训者的运动状态，通过安装在支架结构上的位置传感器跟踪定位扶栏的位置，使用上述位置及运动信息，实时定位虚拟太空场景中虚拟扶栏的位置使其与实物扶栏完全重合，并驱动场景中虚拟航天员的运动，使受训者进行舱外太空行走模拟训练过程中，在传统的视觉反馈之外，同时具有听觉、前庭觉、力触觉的多通道感知反馈，从而更逼真地模拟了太空失重状态下。

说明书

技术领域

本发明涉及太空行走训练装置领域，特别是涉及一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置。

背景技术

采用虚拟现实技术，可在地面一定程度模拟太空失重条件下人的感知，通过构建虚拟的太空场景，使航天员能够沉浸在虚拟环境中模拟执行飞行任务，并与虚拟环境进行交互。虚拟现实技术具有数字化程度高、可复用度高、能突破物理环境限制、安全性好等特点，并经美国航空航天局NASA、欧空局ESA和加拿大等研究机构的成功运用，已经成为太空探索中航天员训练的一个重要发展方向。

舱外活动模拟训练是虚拟训练的一个重要应用领域，在舱外，一般采用手抓握扶栏的方式实现太空行走，目前虚拟训练系统对太空行走任务的模拟主要采用视觉模拟的方式，通过构建逼真的太空场景，配合运动跟踪及运动仿真算法，并使用虚拟现实头盔及操作手柄等与虚拟场景进行交互，实现基于视觉感知的舱外太空行走模拟训练。这种训练方式虽然能够模拟太空行走的任务流程，但由于忽略了人在实际任务过程中的听觉、前庭觉以及力触觉感知，仅通过视觉信息反馈的距离、尺寸、方位等的信息，进行自身速度、运动状态变化的判断，从而导致人的沉浸感大大降低，并且容易引起视觉与前庭觉、力触觉不一致造成的眩晕、恶心等症状。

发明内容

本发明的目的是提供一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置，本发明在传统的视觉反馈之外，同时具有听觉、前庭觉、力触觉的多通道感知反馈，从而更逼真地模拟了太空失重状态下，人体的多感觉系统感知和运动控制方式，可极大提升虚拟训练中人的沉浸感，并缓解眩晕、恶心等症状，对开展模拟失重条件下的虚拟训练提供新的思路和训练装备。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置，包括：

虚拟现实头盔，佩戴在受训者的头部，用于采集头部运动信息；

数据手套，佩戴在受训者的手部，用于采集手部运动信息；

支架结构，包括支架、扶拦以及扶拦位置传感器，所述扶拦以及所述扶拦位置传感器均设置在所述支架上，用于当受训者抓握所述扶拦时，采集扶拦位置信息；

从动座椅，用于带动所述受训者移动或者固定所述受训者；

仿真计算机，分别与所述虚拟现实头盔、所述数据手套以及所述支架结构连接，用于根据所述头部运动信息、所述手部运动信息以及所述扶拦位置信息生成虚拟场景，并将所述虚拟场景反馈至所述受训者。

可选地，所述虚拟现实头盔集成有头部位置传感器，所述头部位置传感器用于采集头部运动信息。

可选地，所述数据手套上设置有手部位置传感器，所述手部位置传感器用于采集手部运动信息。

可选地，所述支架结构的底部设置有多个万向轮，所述方向轮通过丝杆与所述支架连接，所述万向轮上设置有刹车装置。

可选地，所述支架结构包括多个扶拦，所述扶拦的高度可调，各所述扶拦之间的水平距离可调。

可选地，所述扶拦位置传感器通过固定装置固定在所述支架上，所述固定装置包括蟹钳夹和魔术手臂支架，所述位置传感器通过螺栓与所述魔术手臂支架连接，所述魔术手臂支架通过螺丝孔与蟹夹钳连接，所述蟹钳夹固定在所述支架上。

可选地，所述从动座椅的底部设置有万向轮，所述从动座椅设置的方向轮与所述支架结构设置的万向轮的结构相同。

可选地，所述从动座椅采用铝型材制作。

可选地，所述训练装置同时支持多种训练模式，包括：第一训练模式，锁紧所述支架结构底部的万向轮来固定所述扶栏的位置，松开所述从动座椅底部的万向轮，模拟任务过程中的视觉、力触觉和前庭觉的多通道感知；第二训练模式，锁紧所述从动座椅底部的万向轮固定座椅的位置来锁定受训者的位置，松开所述支架结构底部的万向轮，模拟任务过程中的视觉和力触觉感知；第一训练模式，不使用所述支架结构，模拟任务过程中的视觉感知

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：

本发明提供的多感知模拟失重条件的太空行走训练装置采用多感知模拟的方式来减小以上差异，使用装有低阻尼万向轮的实物扶栏(固定在支架上)和从动座椅，来模拟受训者在平面方向运动的失重环境，并通过穿戴在受训者身上的虚拟现实头盔和数据手套实时跟踪受训者的运动状态，通过安装在支架结构上的位置传感器跟踪定位扶栏的位置，使用上述位置及运动信息，实时定位虚拟太空场景中虚拟扶栏的位置使其与实物扶栏完全重合，并驱动场景中虚拟航天员的运动，使受训者进行舱外太空行走模拟训练过程中，在传统的视觉反馈之外，同时具有听觉、前庭觉、力触觉的多通道感知反馈，从而更逼真地模拟了太空失重状态下，人体的多感觉系统感知和运动控制方式，可极大提升虚拟训练中人的沉浸感，并缓解眩晕、恶心等症状，对开展模拟失重条件下的虚拟训练提供了新的思路和训练装备。

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为本发明实施例多感知模拟失重条件的太空行走训练装置的模块示意图；

图2为本发明实施例多感知模拟失重条件的太空行走训练装置的整体框图；

图3为支架结构的示意图；

图4为万向轮示意图；

图5为从动座椅的示意图；

图6为受训者抓握扶拦示意图。

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多感知模拟失重条件的太空行走训练装置，本发明在传统的视觉反馈之外，同时具有听觉、前庭觉、力触觉的多通道感知反馈，从而更逼真地模拟了太空失重状态下，人体的多感觉系统感知和运动控制方式，可极大提升虚拟训练中人的沉浸感，并缓解眩晕、恶心等症状，对开展模拟失重条件下的虚拟训练提供新的思路和训练装备。

基于虚拟现实模拟太空失重条件的训练系统所模拟的环境与实际自然环境对人的感知带来的差异，主要体现在两个方面：一是由于虚拟环境本身的沉浸性、仿真性造成的人的感知变化；二是由于航天飞行特因环境(主要为失重)以及在虚拟环境中模拟这一特因环境，带给人的感知变化。本发明采用多感知模拟的方式来减小以上差异，使用装有低阻尼万向轮的实物扶栏(固定在支架上)和从动座椅，来模拟受训者在平面方向运动的失重环境，并通过穿戴在受训者身上的位置传感器和数据手套实时跟踪受训者的运动状态，通过安装在支架结构上的位置传感器跟踪定位扶栏的位置，使用上述位置及运动信息，实时定位虚拟太空场景中虚拟扶栏的位置使其与实物扶栏完全重合，并驱动场景中虚拟航天员的运动，使受训者进行舱外太空行走模拟训练过程中，在传统的视觉反馈之外，同时具有听觉、前庭觉、力触觉的多通道感知反馈，从而更逼真地模拟了太空失重状态下，人体的多感觉系统感知和运动控制方式，可极大提升虚拟训练中人的沉浸感，并缓解眩晕、恶心等症状，对开展模拟失重条件下的虚拟训练提供了新的思路和训练装备。

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。

如图1-2所示，一种多感知模拟失重条件的太空行走训练装置，包括：虚拟现实头盔1、数据手套2、支架结构3、从动座椅4以及仿真计算机5。

虚拟现实头盔1佩戴在受训者的头部，用于采集头部运动信息；所述虚拟现实头盔1集成有头部位置传感器，所述头部位置传感器用于采集头部运动信息。所述虚拟现实头盔1连接在仿真计算机5上，佩戴在受训者头部。根据集成在头盔上1的位置传感器获取受训者头部位置及实时运动，根据头部位置计算得到双眼的位置，并依据双眼的位置作为视点渲染当前时刻虚拟航天员的第一视角图像，同时图像会随着虚拟航天员的运动而移动或旋转。虚拟现实头盔1上带有两个耳机，可将触碰、背景音等场景音效反馈给受训者，实现听觉反馈。

数据手套2佩戴在受训者的手部，用于采集手部运动信息；所述数据手套2上设置有手部位置传感器，所述手部位置传感器用于采集手部运动信息。所述数据手套2佩戴在受训者左右手上，可实时输出受训者手掌及各手指关节的姿态信息，用于驱动虚拟航天员手部的运动，实现训练过程中对虚拟物体的操作交互控制

支架结构3包括支架、扶拦以及扶拦位置传感器，所述扶拦以及所述扶拦位置传感器均设置在所述支架上，用于当受训者抓握所述扶拦时，采集扶拦位置信息。所述支架结构3包括多个扶拦，所述扶拦的高度可调，各所述扶拦之间的水平距离可调。所述支架结构的底部设置有多个万向轮，所述方向轮通过丝杆与所述支架连接，所述万向轮上设置有刹车装置。

如图3所示，所述支架结构3采用型材及角件的方式灵活搭建，底部装有四个低阻尼万向轮。如图4所示，万向轮通过丝杆与支架连接，滑轮带刹车装置可置为锁紧和松开两种状态，松开状态滑轮可滚动，轴承可360度转动，锁紧状态会同时阻止滑轮的滚动和轴承的转动。采用矩形方管模拟扶栏，并配备固定底座，扶栏与支架主体通过螺栓连接，扶栏位置高度可调，扶栏之间的水平距离可调。为方便位置传感器固定在支架上，采用带有1/4螺丝孔的蟹夹钳固定在支架结构型材上，将魔术手臂支架通过1/4螺丝孔与蟹夹钳连接，最后将位置传感器通过螺栓与魔术手臂支架连接，不仅能提供有效可靠定位，同时可根据需要调整魔术手臂支架来变化位置传感器的角度。根据传感器位置跟踪及虚实融合算法获取扶栏在虚拟场景中的位置。

如图5所示，从动座椅4用于带动所述受训者移动或者固定所述受训者。所述从动座椅主体采用铝型材设计制作，并配备4组低阻万向轮，万向轮同样具备锁紧和松开功能。受训者采用坐姿进行训练，通过抓取扶栏的方式，提供座椅水平运动的动力。

从动座椅和地面摩擦力相对较大，可以在一定程度上模拟水平方向失重条件，实际训练中可根据需要替换为悬吊装置或空气悬浮、磁悬浮座椅，从而更好地减小摩擦力，提高模拟失重水平。

仿真计算机5分别与所述虚拟现实头盔、所述数据手套以及所述支架结构连接，用于根据所述头部运动信息、所述手部运动信息以及所述扶拦位置信息生成虚拟场景，并将所述虚拟场景反馈至所述受训者。所述虚拟场景使用Unity三维图形引擎导入航天员、空间站等三维模型，实时渲染生成虚拟太空场景，以及扶栏、虚拟人等交互场景图像。

如图6所示，受训者根据虚拟场景中扶栏的位置去抓握真实扶栏，通过手部施力控制身体的运动，并带动从动座椅的水平运动，来模拟太空行走过程中人的力触觉及前庭觉等感知。

该训练装置同时支持多种训练模式，一是锁紧扶栏支架下的万向轮来固定扶栏位置，松开从动座椅下的万向轮，可模拟任务过程中的视觉、力触觉、力触觉的多通道感知；二是锁紧从动座椅下的万向轮固定座椅的位置来锁定受训者的位置，松开扶栏支架下的万向轮，可模拟任务过程中的视觉、力触觉感知，去除了本体前庭觉运动感知；三是不使用真实扶栏，可模拟任务过程中的视觉感知，去除了力触觉及本体前庭觉运动感知。多种使用方式可根据场地情况灵活切换，同时可作为一个实验装置研究不同感知通道对任务执行的影响。

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。

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。