Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями

Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями

Автор: Блинов А.О., Борисов А.В., Кончина Л.В., Куликова М.Г., Маслова К.С.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (102) т.27, 2023 года.

Бесплатный доступ

Представлено моделирование движений антропоидной модели мехатронного механизма типа экзоскелета, содержащего пять стержней, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами. Экзоскелет представляет собой систему звеньев, которые подвергаются относительным поворотам вокруг осей координат под воздействием соответствующих звеньев опорно-двигательного аппарата пользователя, на которого надет экзоскелет, силы тяжести, реакций опоры и внутренних управляющих усилий, реализуемых электроприводами. Для описания движения каждого звена применяются углы между звеньями и вводятся локальные системы координат, которые позволяют определять их положение в пространстве. Управление изменением углов между звеньями осуществляется при помощи электрических приводов. Моделирование проводится для близкой к спортивной ходьбе человека походки, при которой происходит мгновенное чередование одноопорных фаз. Биомеханическое моделирование экзоскелета с пятью подвижными управляемыми звеньями позволяет выделить задачи, которые необходимо решить: синтез траектории движения, определение управляющих моментов, подбор электроприводов, и разработку системы импульсного управления движением. Для задания антропоморфного движения экзоскелета вводятся периодические функции, задающие изменения углов между звеньями. Составлена система дифференциальных уравнений. Численно решается задача Коши. Результаты численного решения сравниваются с исходным движением, делается вывод о неустойчивости системы и проводится обсуждение возможных путей стабилизации неустойчивого движения. Проведены оценки влияния наличия электроприводов на динамику всего экзоскелета.

Еще

Экзоскелет, антропоид, звенья, шарниры, электроприводы, спортивная ходьба, обобщенные координаты, управляющие моменты, дифференциальные уравнения лагранжа второго рода

Короткий адрес: https://sciup.org/146282793

IDR: 146282793   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.15

Список литературы Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями

  • Белова А.Н., Рукина Н.Н., Кузнецов А.Н., Воробьева О.В. Возможности современных технологий биомеханического анализа движений в изучении механизмов спортивных травм (обзор) // Российский журнал биомеханики. - 2022. - № 2. - С. 74-86. -DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.2.07
  • 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. 162176. - DOI: 10.31857/S0002338821040028
  • Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. Управление динамикой составной конструкции со звеньями переменной длины // Известия российской академии наук. Механика твердого тела. - 2021.- №2. -С. 72-87. - DOI: 10.31857/S0572329921020057
  • Борисов А.В., Мухарлямов Р.Г., Бадяева В.К., Блинов А.О. Движение антропоида на подвижном основании // Российский журнал биомеханики - 2022. - Т. 26, № 3. -С. 87-97. - DOI 10.15593/RZhBiomeh/2022.2.07
  • Карими М.Т., Тахмасеби Р. Оценка эффективности сколиозных корсетов, разработанных на основе CAD/CAM и ручного литья. Обзор литературы // Российский журнал биомеханики. - 2023. - № 1. - С. 6473. - DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.1.06
  • Колюбин С.А. Динамика робототехнических систем. Учеб. пособ. - СПб.: Университет ИТМО. - 2017. - 117 с.
  • 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.
  • 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.
  • Пат. на изобретение RU 2644547 C2, 17.06.2016. Стопа экзоскелета / Письменная Е.В., Толстов К.М., Кузмичев A.В. Заявка № 2016123995 от 17.06.2016, опубл. 12.02.2018.
  • Пат. на изобретение RU 2645804 C1, 07.06.2017. Бионический экзоскелет / Журавлёв Д.А. Заявка № 2017119913 от 07.06.2017, опубл. 28.02.2018.
  • Пат. на изобретение RU 2665116 C1, 25.04.2017. Грузовой экзоскелет с настройкой под антропометрические параметры пользователя / Голицын B.М., Островский М.И., Письменная Е.В., Толстов К.М. Заявка № 2017114443 от 25.04.2017, опубл. 28.08.2018.
  • Пат. на изобретение RU 2727231 C1, 25.12.2019. Экзоскелет нейрохирурга / Воробьёв А.А., Андрющенко Ф.А. Заявка № 2019145261 от 25.12.2019, опубл. 21.07.2020.
  • Пат. на изобретение RU 2734565 C1, 19.06.2020. Экзоскелет / Клиндюк А.А. Заявка № 2020120519 от 19.06.2020, опубл. 20.10.2020.
  • 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.
  • Пат. на полезную модель RU 198080 U1, 20.12.2019. Механический экзоскелет для нижних конечностей / Мощенко М.Г., Егоров Г.П. Заявка № 2019142687 от 20.12.2019, опубл. 17.06.2020.
  • Пат. на полезную модель RU 202567 U1, 19.10.2020. Модульный экзоскелет / Бирюков А.С., Скоков М.С., Скоков И.С., Потанин Ю.С., Утемов И.А., Матвиенко А.И. Заявка № 2020134226 от 19.10.2020, опубл. 25.02.2021.
  • Пат. на полезную модель RU 206503 U1, 09.04.2021. Пассивный экзоскелет для поддержки спины и рук / Ложкин И.А., Целиканов Д.Ф., Давыдов Н.Е., Трегубов П.В. Заявка № 2021109967 от 09.04.2021, опубл. 14.09.2021.
  • Пат. на полезную модель RU 207768 U1, 26.03.2020. Промышленный экзоскелет с линейным гравитационным компенсатором / Яцун С.Ф., Яцун А.С. Заявка № 2020112307 от 26.03.2020, опубл. 16.11.2021.
  • Пат. на полезную модель RU 210222 U1, 27.12.2021. Экзоскелет нижних конечностей / Давыдов Н.Е., Копылов Д.В., Трегубов П.В., Савчук М.Ф., Балашов Б.В. Заявка № 2021139202 от 27.12.2021, опубл. 01.04.2022.
  • Пат. на полезную модель RU 212301 U1, 18.11.2021. Пассивный экзоскелет / Ложкин И.А., Целиканов Д.Ф., Давыдов Н.Е., Трегубов П.В. Заявка № 2021133899 от 18.11.2021, опубл. 14.07.2022.
  • Саад С., Ибрагим Н., Осман Н.А.А. Динамическая модель верхних конечностей и ее применение: систематический обзор // Российский журнал биомеханики. - 2023. - № 1. - С. 87-97. - DOI: 10.15593/RJBiomech/2023.1.08
  • Саттаров Р.Р., Хазиева Р.Т., Иванов М.Д. Оптимизация переноса груза при помощи колебательных систем // Российский журнал биомеханики. - 2022. - № 3. - С. 98104. - DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.08
  • Формальский А.М. Перемещение антропоморфных механизмов. - М.: Наука. - 1982. - 368 с.
  • Черноусько Ф.Л., Ананьевский И.М., Решмин С.А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит. - 2006. - 328 с.
  • Bengler K., Harbauer C.M., Fleischer M. Exoskeletons: A challenge for development // Wearable Technologies. -2023. - Vol. 4. DOI: 10.1017/wtc.2022.28
  • Blinov A., Borisov A., Filippenkov K., Konchina L., Maslova K. Modeling the dynamics of an exoskeleton link of variable length using the Lagrange - Maxwell system of differential equations of motion // Journal of Applied Informatics. - 2022. - Vol. 99. - No. 3. - P. 117-130. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-3-117-130
  • Blinov A., Borisov A., Konchina L., Kulikova M., Maslova K. 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
  • Borisov A.V., Chigarev A.V. Mathematical Models of Exoskeleton. Dynamics, Strength, Control. Monograph. Springer. - 2022. - 232 р. DOI: 10.1007/978-3-030-97733-7
  • Bryan G.M., Franks P.W., Klein S.C., Peuchen R.J., Collins S.H. A hip-knee-ankle exoskeleton emulator for studying gait assistance // The International Journal of Robotics Research. - 2020. - Vol. 40. - Р. 722-746. - DOI: 10.1177/0278364920961452
  • Cao W., Chen C., Hu H., Fang K., Wu X. Effect of hip assistance modes on metabolic cost of walking with a soft exoskeleton // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. - 2020. - Vol. 18. - Р. 426-436. -DOI: 10.1109/TASE.2020.3027748
  • Das Gupta S., Bobbert M.F. and Kistemaker D.A. The metabolic cost of walking in healthy young and older adults - A systematic review and meta analysis // Scientific Reports. - 2019. - Vol. 9, No. 1. - P. 9956. -DOI: 10.1038/s41598-019-45602-4
  • Ding Y., Kim M., Kuindersma S., Walsh C.J. Human-in-the-loop optimization of hip assistance with a soft exosuit during walking // Science Robotics. - 2018. Vol. - 3, No. 15. DOI: 10.1126/scirobotics.aar5438
  • Franks P.W., Bianco N.A., Bryan G.M., Hicks J.L., Delp S.L., Collins S.H. Testing simulated assistance strategies on a hipknee-ankle exoskeleton: A case study // 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). New York: IEEE. - P. 700-707. - DOI: 10.1109/BioRob49111.2020.9224345
  • Franks P.W., Bryan G.M., Martin R.M., Reyes R., Lakmazaheri A.C., Collins S.H. Comparing optimized exoskeleton assistance of the hip, knee, and ankle in single and multi-joint configurations // Wearable Technologies. -2021. - Vol. 2, No. 16. DOI: 10.1017/wtc.2021.14
  • HarmonicDrive. Engineering Data CPL-2A Component Sets [Электронный ресурс]. - URL: https://harmonicdrive.de/fileadmin/user upload/2014 12 E D 1019655 CPL 2A.pdf (дата обращения: 01.09.2023).
  • HarmonicDrive. Reducer Catalog [Электронный ресурс]. -URL: https://www.harmonicdrive.net/ hd/content/documents1/CS G-CSF Component.pdf (дата обращения: 01.09.2023).
  • Lee S., Kim J., Baker L., Long A., Karavas N., Menard N., Galiana I., Walsh C.J. Autonomous multi-joint soft exosuit with augmentation-power-based control parameter tuning reduces energy cost of loaded walking // Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. - 2018. - Vol. 15, No. 1. - P. 66. - DOI: 10.1186/s12984-018-0410-y
  • Lim B., Lee J., Jang J., Kim K., Park Y.J., Seo K., Shim Y. Delayed output feedback control for gait assistance with a robotic hip exoskeleton // IEEE Transactions on Robotics. -2019. - Vol. 35, No. 4. - Р. 1055-1062. -DOI: 10.1109/TR0.2019.2913318
  • MacLean M.K., Ferris D.P. Energetics of walking with a robotic knee exoskeleton // Journal of Applied Biomechanics. - 2019. - Vol. 35, No. 5. - Р. 320-326. DOI: 10.1123/jab.2018-0384
  • Malcolm P., Galle S., Derave Wand De Clercq D. Bi-articular knee-ankle-foot exoskeleton produces higher metabolic cost reduction than weight-matched mono-articular exoskeleton // Frontiers in Neuroscience. - 2018. -Vol. 12. - P. 69. - DOI: 10.3389/fnins.2018.00069
  • Medrano R.L., Thomas G.C., Rouse E.J. Methods for measuring the just noticeable difference for variable stimuli: Implications for perception of metabolic rate with exoskeleton assistance // 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). New York: IEEE. - P. 483-490. - DOI: 10.110 9/BioRob49111.2020.9224374
  • Sanchez N., Simha S.N., Donelan J.M. and Finley J.M. Using asymmetry to your advantage: Learning to acquire and accept external assistance during prolonged split-belt walking // Journal of Neurophysiology. - 2020. - Vol. 125. -Р. 344-357. - DOI: 10.1152/jn.00416.2020
  • Sawicki G.S., Beck O.N., Kang I. and Young A.J. The exoskeleton expansion: Improving walking and running economy // Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. - 2020. - Vol. 17, No. 1. - 25. - DOI: 10.1186/s12984-020-00663-9
  • Tecnotion [Электронный ресурс]. - URL: https://avi-solutions.com/upload/NEWS/catalogue-torque.pdf (дата обращения: 01.09.2023).
  • Young A.J., Ferris D.P. State of the art and future directions for lower limb robotic exoskeletons // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. - 2017. -Vol. 25, No. 2. - Р. 171-182. -DOI: 10.1109/TNSRE.2016.2521160
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp