专利名称：多功能航天健身器的制作方法随着我国航天技术的发展，载人神舟系列飞船的巨大成功，中国人的足迹开始进 入太空。但是航天员在太空环境中执行任务受到各种环境因素的制约，特别是太空失重状 态影响巨大。人长期生活在地面有重力的环境里，一旦进入失重环境，就会感到生活习惯不 适应。为此，对航天员的生活须采取各种措施为航天员设计紧身服装，因为肥大的衣服会 漂浮起来；对座舱中的物品加以固定，避免自由漂浮。失重状态下对航天员最大的影响是生 理机能的影响，主要表现在以下几个方面 1.心血管功能改变。失重时人体的流体静压丧失，血液和其他体液不像重力条件 下那样惯常地流向下身。相反，下身的血液回流到胸腔、头部，航天员面部浮肿，头胀，颈部 静脉曲张，身体质量中心上移。人体的感受器感到体液增加，机体通过体液调节系统减少体 液，出现体液转移反射性多尿，导致水盐从尿中排出，血容量减少；出现心血管功能降低征 候，如心输出量减少、立位耐力降低等，返回地面后短时对重力不适应。 2.失重时，出现头晕、恶心，腹部不适，体位翻转等运动病症状，称为航天运动病， 又称航天适应综合征。发生率约占航天员总数的1/3 1/2。 3.骨盐代谢素乱。失重会引起人体的骨无机盐代谢素乱，经尿排出的钙磷增加， 钙的排出量每月约六克左右。脱钙的原因是适宜载荷垂直负重对骨骼肌肉的剌激减弱或消 失，血液供应减少，骨细胞营养改变，破骨细胞功能增强，成骨细胞功能减弱，分解过程大于 合成过程。骨盐的丧失引起骨质疏松，而且持续时间很长。 4.失重引起的肌肉变化，主要表现在对抗重力的肌群张力减弱，甚至萎縮。原因是 抗重力肌不需做功，出现废用性萎縮。 因此，克服失重环境对航天员身体健康的损害，是保证航天计划和任务完成的必 要前提。而体育锻炼是克服以上不利影响的重要手段。美国是航天技术发展历史最长，技 术最先进的国家，宇宙飞船上的太空健身器的发展也经历了多个阶段。美国宇航员使用的 第一部健身器只是一根橡皮绳装置，于1965年搭乘"双子座4"号飞船进入太空。拉动这根 橡皮绳需要70磅(约合32公斤)力量。上世纪70年代，"天空实验室"号空间站的健身 器是一部脚踏车，这部脚踏车加强了对下肢的锻炼。1996年，俄罗斯"和平"号空间站上安 装了一台跑步机，俄美两国宇航员利用它锻炼身体。2008年，在空间站上安装了新健身器 ARED，是利用真空压力帮助宇航员健身，宇航员可以锻炼身体上部和下部。 国际空间站上使用的太空健身器虽然功能越来越多，新健身器可以锻炼身体的多 个部位，但是均避免不了设备占用空间大、重量大、造价昂贵的缺点。2008年的新健身器 ARED，体积更为庞大。这对于我国的神舟系列载人飞船相对狭小的机舱空间来讲，均不适 合。而且，可承载重量的局限性，也不适合安装健身器ARED。因此，研制一种适合在狭小空 间使用，又能够充分锻炼身体多个部位的新型太空健身器，是非常必要的，也是保证我国航3天员健康所必需的。 在重力环境下的各种健身器，由于有自身重力支撑(或哑铃的重量)，在锻炼时不 需要附加支撑点就能够完成各种训练动作；但是在太空失重条件下，常规的各种训练动作， 如仰卧起坐、俯卧撑等锻炼动作无法进行(鹏铃也失去了重量)，需要外加支撑点才能够完 成。本发明基于力学中作用力与反作用力原理，依据人体工学原理和运动医学的相关要求， 利用高强度弹力带由弱至强的力量变化，结合支撑曲杆和横杆所提供的外部着力点，以不 锈钢为材料制成应力金属架，并以弹力带制成不同长度和不同伸縮力的各种拉力器，以实 现各种身体力量训练的目的。另外，为了适应神舟飞船拱形船舱、减少占用空间，同时要满 足应力支撑点的需要，应力金属架上部设计成曲形，整个金属架固定于飞船的拱形机舱侧 壁，最大程度上减少了占用空间。
本发明的目的在于提供一种具有多功能训练模式、拆装简易和轻便的适用于神舟载人飞船狭小空间使用的航天员健身器。本发明是通过以下方式实现的，其特征在于 1.该健身器由可拆装式应力金属架、各种拉力器和固定脚环组成。应力金属架由 支撑杆Zl和Z2、应力曲杆Ql和Q2、应力横杆Y1、Y2和Y3，以及固定底座组成，各金属杆连 接以榫头嵌入管腔加螺丝固定，支撑杆和底座有用于固定飞船舱壁的螺丝孔。如图l所示， 其中应力曲杆Q1和Q2上部向外即使用者方向弯曲，在靠近顶端处通过应力横杆Y1相互连 接，应力曲杆Ql和Q2下部与竖直设置且相互平行的支撑杆Zl和Z2连接，支撑杆Zl和Z2垂 直固定在固定底座上，所述拉力器以固定钩连接于应力横杆Yl 、 Y2或Y3以及底座上，固定 脚环套在底座杆上，以承受各种力量训练时的作用力。拉力器利用高强度弹力带伸縮力和 依据人体工学原理设计的各种锻炼姿势设计成具有不同长度和不同伸縮力的各种拉力器， 拉力器由固定钩、弹力绳和把手组成，种类包括上肢拉力器S1和S2，固定于应力横杆Y1、 Y2和底座；下肢拉力器XI和X2，固定于应力横杆Y2和底座；肩背拉力器J，固定于支撑杆Zl和Z2 ;各规格拉力器长度和直径如图2所示；根据人体工学原理，考虑在失重状态下的身体锻炼的各种动作需要作用力反方向支撑点、并结合运动医学理论和方法，设计了上肢、
腰背和下肢三类健身模式和12种训练动作，能够达到锻炼身体大部分肌肉群的目的。另一 方面，在支撑点与作用力方向有一定平行错位的情况下，机体为了完成动作不仅使用作用 力方向的肌肉群，而且其他部位的肌肉群需要贡献较大的力量以协调完成规定动作。这样， 除力量练习之外，运动神经系统的调节平衡的能力也得到了锻炼。 使用上述航天健身器进行的健身方法，其特征在于所述方法包括如下健身模式和 动作中的一种或多种 (1)上肢训练模式；上肢屈伸a、上肢屈伸b、上肢前压、前臂上抬、上肢侧上摆和上 肢侧下摆； (2)腰、腹、背部肌肉训练模式；躯体反推、躯体前压；
(3)下肢训练模式蹲起、交替蹬踏、下肢上抬、下肢下摆。


图1 :多功能航天健身器；图2 :拉力器(弹力带直径08和12咖)及应力金属架 侧视图；图3:上肢训练动作； 图4 :腰腹训练动作； 图5 :下肢训练动作

肢侧下摆，见图3 :可以锻炼上肢肱二头肌、三角肌、肱三头肌、斜方肌和背阔肌等。
(2)腰、腹、背部肌肉训练模式；躯体反推、躯体前压，见图4 :可以锻炼胸大肌、腹
直肌、上背肌群和腰部。 (3)下肢训练模式蹲起、交替蹬踏、下肢上抬、下肢下摆，见图5。可以锻炼缝匠 肌、股肉长肌、骨肉侧肌和小腿部肌肉群。 通过本发明制成的太空健身器，可以对航天员上肢、腰腹和下肢肌肉和关节进行锻 炼，不仅有效预防肌肉废用性萎縮，避免钙质流失，提高循环系统的应激适应性，而且本发明 设计的锻炼动作能够辅助身体平衡系统，有效缓解由于失重造成的平衡系统的不适应。
本发明人通过查阅大量文献，利用工程力学、人体工学和运动医学相关知识，考虑 到我国神舟飞船的可承载重量和空间的限制，开发出具有多功能训练模式、拆装简易和轻 便的适用于神舟载人飞船狭小空间使用的航天员健身器。与现有太空健身器相比，本发明 具有如下显著区别和有益效果 1、现有技术中没有公开过可拆装式、由榫头和管腔嵌合形成的应力金属架；
2、现有技术中采用橡皮绳的太空拉力器只有一根，而且动作形式单一；本发明采 用不同长度和不同粗细的弹力绳作为多种训练动作、不同力量强度的拉力器，可锻炼身体 大部分肌肉群； 3、现有技术中没有公开过在失重状态下完整的、多部位的太空锻炼动作模式，本 发明设计了上肢、腰腹和下肢三类模式、12种力量训练动作；这些训练动作是利用作用力 与反作用力原理，通过不断修改应力金属架的结构、弹力拉力器的长度和直径，并通过实际 训练动作的实验不断调整、改进而形成的，这样选择能够获得如此的效果是本领域技术人 员无法预料的。 因此选择合适的材料和设计适当结构的可拆装式应力支架和多种规格的拉力器， 以配合实现在失重环境下各种身体训练动作的成功完成，需要付出创造性的劳动；
4、与现有的太空健身器相比(2008年美国最新式的ARED)，本发明的健身器具有 可拆装方便、重量轻、需要空间狭小的特点，适合在我国神舟飞船机舱内使用，这样设计能 够获得与健身器ARED接近的身体锻炼效果是本领域技术人员无法预料的。


本发明公开了一种多功能航天健身器，其特征在于该健身器由应力金属架、各种拉力器和固定脚环组成。在太空失重状态下，力量训练利用作用于反作用力原理，应力金属架为组装式，由支撑杆、应力曲杆、应力横杆，以及固定底座组装而成，各金属杆连接以榫头嵌入管腔加螺丝固定，再配合固定脚环，承受各种力量训练时的作用力。进一步利用高强度弹力带伸缩力和依据人体工学原理设计的各种锻炼姿势设计成具有不同长度和不同伸缩力的上肢、腰腹和下肢拉力器，根据人体工学原理，结合航天医学中失重对人体生理机能的影响，利用运动医学理论和方法，设计了三类健身模式，成功实现了重力环境下的多种训练动作。