О регулярной ходьбе экзоскелетона нижних конечностей при дефиците управляющих воздействий

Рассматривается ходьба человека-оператора с надетым на него экзоскелетоном нижних конечностей, нагруженного дополнительным весом. Предполагается, что экзоскелетон снабжен четырьмя движителями - в коленных и тазобедренных суставах. В стопах установлены крутильные пружины с известными упругими свойствами, которые также оказывают воздействие на данную человеко-машинную систему. В статье рассмотрены режимы плоской комфортабельной ходьбы. Сначала рассмотрен режим одноопорной ходьбы. С учетом выбранного типа движения синтезированы в аналитической форме алгоритмы управления, обеспечивающие желаемое качество движения. Показано, что существует широкий диапазон жесткостей пружин в стопах, который позволяет достичь высокой точности исполнения условий периодичности походки при разных дополнительных нагрузках на экзоскелетон. Причем при изменении веса дополнительной нагрузки требуется незначительная корректировка средних значений пружин. Далее рассматривается совместный режим одноопоры и двуопоры. Как известно, исследование двуопорной фазы сопряжено с неоднозначностью определения сил реакций и моментов в сочленениях при решении обратной задачи динамики. Предложены дополнительные соотношения, устраняющие эту неопределенность на основе задания линейных по времени функций распределения реакций в стопах обеих ног. Исследовано влияние желаемого угла наклона корпуса на точность построения периодического решения при формировании алгоритма управления. Для обеспечения периодичности режима ходьбы, сочетающего одно- и двуопорные фазы, исследовались два подхода: первый основан на линеаризации динамических уравнений и предположении о невесомости ног. В итоге был сформулирован первый вид желаемого закона изменения угла наклона корпуса, при этом были получены практически приемлемые по точности результаты. Далее было проведено исследование, направленное на улучшение достигнутой точности периодического движения; в рамках нелинейных уравнений был найден другой закон угла наклона корпуса, обеспечивающий большую точность движения. Результатом работы является аналитический синтез законов управления, обеспечивающий естественные локомоции человека и не требующий от него значительных мышечных усилий, кроме как на поддержание равновесия.