Движение антропоида на подвижном основании
Автор: Бадяева В.К., Блинов А.О., Борисов А.В., Мухарлямов Р.Г.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (97) т.26, 2022 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается антропоидная модель из трех подвижных звеньев, изменяющих свою конфигурацию под действием внутренних управляющих усилий и реакций со стороны подвижной точки опоры, движение которой задано. Первое нижнее звено моделирует голень, второе звено - бедро и третье - корпус вместе с головой. Отличием предложенной модели, от созданных ранее, заключается в использовании углов между звеньями. В предшествующих работах по моделированию динамики антропоидов углы обычно отсчитываются от какого-либо фиксированного направления - вертикали или горизонтали. Однако такой способ не соответствует биомеханике опорно-двигательного аппарата антропоида, экзоскелета, антропоморфного робота, положения звеньев которых измеряются углами между звеньями. При таком способе задания углов усложняется система дифференциальных уравнений динамики, описывающая движение предложенной модели, в сравнении с моделями, в которых углы отсчитываются от фиксированного направления. Для составления уравнений движения используются локальные подвижные системы координат, связанные со звеньями. Рассматривается программное движение модели, соответствующее заданному закону изменения обобщенных координат, и в результате решения прямой задачи определяются соответствующие управляющие силы. Управление моделируется кусочно-заданной ступенчатой функцией. Рассматривается влияние собственной массы пассивного экзоскелета. Исследуется влияние вращающихся роторов электродвигателей активного экзоскелета на динамику биомеханической системы человек-экзоскелет. Проводятся оценки энергетических затрат в каждом приводе. Проведен полный цикл моделирования динамики антропоида на подвижном основании при различных режимах движения. Ценность полученных результатов заключается в том, что предложенную модель можно непосредственно использовать при создании антропоморфных роботов или экзоскелетов.
Антропоид, экзоскелет, антропоморфный робот, углы между звеньями, программное движение, управление, электродвигатель, затраты энергии
Короткий адрес: https://sciup.org/146282603
IDR: 146282603 | УДК: 531.3 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.2.07
Anthropoid movement on a movable base
The antropoid model of three mobile links that can change their configuration due to internal steering forces and the mobile surface reactions with the specified motion is considered in the article. The first bottom link simulates shin, the second link simulates hip, and the third link simulates the body with the head. The proposed model differs from the existing ones in utilization of angles between links. In the preceding studies of anthropoid dynamics simulation, the angles are usually calculated from a particular assigned direction - either vertical or horizontal. This approach, however, is inconsistent with the musculoskeletal system biomechanics of anthropoid, exoskeleton, or anthropomorphic robot. The positions of their links are specified by the angles between the links. This approach of specifying the angles makes the system of differential equations, describing the proposed model motion, more complicated in comparison with the models where the angles are calculated from the assigned direction. The local mobile systems of coordinates are fixed with the corresponding links and are used for deriving the motion equations. The programmed motion corresponding to the specified law of generalized coordinates change is considered. The corresponding controlling forces are figured out as the result of the forward problem solution. The link control is simulated with the piecewise step function. The impact of the passive exoskeleton own mass is considered. The spinning rotors impact of the active exoskeleton’s electric drives on the dynamics of human-exoskeleton biomechanical system is studied. The energy consumption in each drive is estimated. The entire cycle of anthropoid dynamics simulation on the movable base in different motion modes is conducted. The value of the obtained results lies in the fact that the proposed model can be used directly in creating anthropomorphic robots and exoskeletons.
Список литературы Движение антропоида на подвижном основании
- Агиар М.Л., Папке К., Шеерен Э.М. Электромиографическая система, кинетические и кинематические переменные как факторы, недостаточные для прогнозирования невозможности восстановления надвигающейся потери равновесия // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 1. - С. 55-63.
- Борисов А.В. Динамика эндо- и экзоскелета: монография. - Смоленск: Смоленская городская типография, 2012. - 296 с.
- Борисов А.В., Борисова В.Л., Каспирович И.Е., Каспирович К.З., Мухарлямов Р.Г., Филиппенков К.Д. Математическое моделирование динамики многомерных механических систем и решение задач управления. -Смоленск: Универсум, 2021. - 220 с.
- Борисов А.В., Каспирович И.Е., Матухина О.В., Мухарлямов Р.Г. Моделирование лыжника-сноубордиста звеном переменной длины c двумя весомыми абсолютно твердыми участками // Вестник КГТУ. - 2020. - Т. 23, № 6. - С. 78-85.
- Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. О математическом моделировании динамики многозвенных систем и экзоскелетов // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2021. - № 5. - С. 162-176.
- Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. Управление динамикой составной конструкции со звеньями переменной длины // Известия РАН. Механика твердого тела. - 2021. - № 2. - С. 72-87.
- Борисов А.В., Розенблат Г.М. Матричный метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета и управление им // Прикладная математика и механика. - 2017. - Т. 81, № 5. - С. 511-522.
- Борисов А.В., Розенблат Г.М. Моделирование динамики экзоскелета с управляемыми моментами в суставах и переменной длиной звеньев с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Известия РАН. Теория системы управления. - 2018. - № 2. - С. 148-174.
- Васюк В.Е., Гусейнов Д.И., Давыдова Н.С., Лукашевич Д.А., Минченя А.В. Экспериментальное обоснование применения интеллектуальных сенсорных систем в оценке биомеханических параметров спортивных движений // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 3. - С. 300-311.
- Герегей А.М., Бондарук Е.В., Малахова Е.С., Ефимов А.Р., Тах В.Х., Сотин А.В. Исследование амплитуд движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и сочленениях позвоночника при использовании промышленных экзоскелетов // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 4. -С. 475-490.
- Голубев Ю.Ф., Погорелов Д.Ю. Компьютерное моделирование шагающих роботов // Фундаментальная и прикладная математика. - 1998. - Т. 4, № 2. - С. 525-534.
- Колюбин С.А. Динамика робототехнических систем: учеб. пособ. - СПб.: Университет ИТМО, 2017. - 117 с.
- Котов С.В., Исакова Е.В., Лиждвой В.Ю., Секирин А.Б., Письменная Е.В., Петрушанская К.А., Геворкян А.А. Методические рекомендации по нейрореабилитации больных рассеянным склерозом, имеющих нарушения ходьбы, с использованием экзоскелета ExoAtlet. - М.: ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского, 2018. -26 с.
- Котов С.В., Петрушанская К.А., Лиждвой В.Ю., Письменная Е.В., Секирин А.Б., Сутченков И.А. Клинико-физиологическое обоснование применения экзоскелета «Экзоатлет» при ходьбе для больных с рассеянным склерозом // Российский журнал биомеханики. - 2020. -Т. 24, № 2. - С. 148-166.
- Кручинин П.А., Латонов В.В., Матвеев Д.С. Определение взаимной ориентации блока акселерометров и тела системы видеоанализа // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 3. - С. 323-329.
- Кубяк А.Е., Паршин Д.В. Об исследовании кинематики движений лыжников элитного уровня при использовании техники «дабл полинг» // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 3. - С. 285-300.
- Лавровский Э.К. Задача управления движением «гимнаста» в свободном полете и при переходе в режим контакта с опорой // Российский журнал биомеханики. -2020. - Т. 24, № 1. - С. 64-75.
- Медведев В.Г. Антропоморфная мехатроника для спорта и медицины // Российский журнал биомеханики. - 2020. -Т. 24, № 2. - С. 232-242.
- Павловский В.Е. [и др.]. Биомехатронный комплекс нейрореабилитации - концепция, конструкция, модели и управление [Электронный ресурс] // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2014. - № 111. - 19 с. (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2014-111).
- Пат. на полезную модель RU 190786 U1, 12.07.2019. Пассивный грузовой экзоскелетон / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Яцун А.С. Заявка № 2019110529 от 09.04.2019, опубл. 12.07.2019.
- Погорелов Д.Ю. Современные алгоритмы компьютерного синтеза уравнений движения систем тел // Теория и системы управления (Известия АН). - 2005. - № 4. -С. 5-15.
- Проекты. ExoChair. Промышленное оборудование [Электронный ресурс]. - URL: karfidovlab.com/ projects/exochair (дата обращения: 29.05.2022).
- Пат. на изобретение RU 2489130 C1, 10.08.2013. Простая конструкция компенсации веса человека при ходьбе и беге / Родин И.А. Заявка № 2011148041/14 от 28.11.2011, опубл. 10.08.2013.
- Тихоплав О.А., Иванова В.В., Гурьянова Е.А., Иванов И.Н. Эффективность роботизированной механотерапии комплекса "LOKOMAT PRO" у пациентов, перенёсших инсульт // Вестник восстановительной медицины. - 2019. - № 5. - С. 57-64.
- Универсальный механизм - программный комплекс для моделирования динамики механических систем [Электронный ресурс]. - URL: www.umlab.ru (дата обращения: 29.05.2022).
- Фаттах А.О., Батаине А.С. Анализ кинематики разбега в соревновании по прыжкам в длину у спортсменов мужской команды Иордании // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 1. - С. 19-27.
- Пат. на изобретение RU 2567589 C1, 10.11.2015. Экзоскелет / Иванов В.Г., Мерзанюкова Е.В., Санин Д.А. Заявка № 2014132377/14 от 05.08.2014, опубл. 10.11.2015.
- Яцун С.Ф., Антипов В.М. Карлов А.Е., Аль Манджи Хамиль Хамед Мохаммед. Подъем груза в экзоскелете с гравитационной компенсацией // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2019. - Т. 23, № 2. -С. 8-17.
- ASIMO by Honda | The World's Most Advanced Humanoid Robot, available at: http://asimo.honda.com (accessed: 29 May 2022).
- Atlas™ | Boston Dynamics, available at: https://www.bostondynamics.com/atlas (accessed: 29 May 2022).
- Bao W., Villarreal D., Chiao J.-C. Vision-based autonomous walking in a lower-limb powered exoskeleton // 2020 IEEE 20th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering (BIBE). - Cincinnati, 2020. - P. 830-834. DOI: 10.1109/BIBE50027.2020.00141
- Blazek P., Bydzovsky J., Griffin R., Mls K., Peterson B. Obstacle awareness subsystem for higher exoskeleton safety. In: Paralic J., Sincak P., Hartono P., Mank V. (Eds.). World Symposium on Digital Intelligence for Systems and Machines DISA 2020: Towards Digital Intelligence Society. DISA 2020. Advances in Intelligent Systems and Computing. - 2020. -Vol. 1281. - P. 59-71.
- Blinov A.O., Borisov A.V., Konchina L.V., Kulikova M.G., Maslova K.S. Simulation of the movement of the supporting leg of an exoskeleton with two links of variable length in 3D // Journal of Applied Informatics. - 2021. - Vol. 16, no. 4. -P. 122-134. DOI: 10.37791/2687-0649-2021-16-4-122-134
- Blinov A.O., Borisov A.V., Konchina L.V., Novikova М.А. Applying the models of magneto-rheological substances in the study of exoskeleton variable-length link with adjustable stiffness // Journal of Applied Informatics. - 2022. - Vol. 17, no. 2. - P. 133-142. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2133-142
- Borisov A.V., Kaspirovich I.E., Mukharlyamov R.G. Matrix method for constructing dynamical equations of snowboarder // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2021. - Vol. 1191. - Article no. 012004. DOI: 10.1088/1757-899X/1191/1/012004
- Boston Dynamics | Changing Your Idea of What Robots Can Do, available at: https://www.bostondynamics.com (accessed: 29 May 2022).
- DARPA, available at: https://darpa.com (accessed: 29 May 2022).
- Discover the maxon's world of drive technology | maxon group, available at: https://www.maxongroup.com/maxon/ view/content/index (accessed: 29 May 2022).
- Exoatlet. Носимые экзоскелеты для реабилитации детей и взрослых [Электронный ресурс]. - URL: exoatlet.lu ((дата обращения: 29.05.2022).
- Exoskeleton designed to assist agricultural workers and gardeners - Robohub, available at: https://robohub.org/ exoskeleton-designed-to-assist-agricultural-workers-and-gardeners (accessed: 29 May 2022)
- Honda Mobility Assistance and Robotics Technology | ASIMO Innovations, available at: http://asimo.honda.com/innovations (accessed: 29 May 2022).
- Jonsson M., Welde B., Stoggll T. L. Biomechanical differences in double poling between sexes and level of performance during a classical cross-country skiing competition // Journal of Sports Science. - 2019. - Vol. 37, no. 14. - P. 1582-1590.
- Passive Exoskeleton: patent no. US7571839B2 United States. Conrad Chu, Piscataway, NJ (US), Andy Chu, Cambridge, MA (US), publication of 21.07.2009.
- Proud J.K., Lai D.T.H., Mudie K.L., Carstairs G.L., Billing D.C., Garofolini A., Begg R.K. Exoskeleton application to military manual handling tasks, available at: https://vuir.vu.edu.au/42729/1/Exoskeleton%20Application%2 0to%20Military%20Manual%20Handling%20Tasks_J.K.Prou d_ProductionReady_V1.pdf (accessed: 29 May 2022).
- Qing Guo, Songjing Li, Dan Jiang. A lower extremity exoskeleton: human-machine coupled modeling, robust control design, simulation, and overload-carrying experiment // Mathematical Problems in Engineering. -2015. - Vol. 2015. - P. 1-15. DOI: 10.1155/2015/905761
- Robot Locomotion Group, available at: http://groups.csail.mit.edu/locomotion/ (accessed: 29 May 2022).
- Roelofs J.M., de Kam D., van der Zijden A.M., Robinovitch S.N., Weerdesteyn V. Effect of body configuration at step contact on balance recovery from sideways perturbations // Human Movement Science. -2019. - Vol. 66. - P. 383-389.
- Toyama Shigeki, Yamamoto Gohei. Development of Wearable-Agri-Robot. 2009 // The IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - St. Louis, 2009. - P. 5801-5806. DOI: 10.1109/IROS.2009.5354265
- Tsukahara A., Hasegawa Y., Eguchi K., Sankai Y. Restoration of gait for spinal cord injury patients using HAL with intention estimator for preferable swing speed // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. - 2015. -Vol. 23, no. 2. - P. 308-318.
- UBC Back Study, available at: https://research-groups.usask.ca/ergolab/our-research/exoskeleton.php (accessed: 29 May 2022).