О задаче организации ходьбы экзоскелетона нижних конечностей при помощи управления в коленных шарнирах

Автор: Лавровский Э.К., Письменная Е.В., Комаров П.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 2 (68) т.19, 2015 года.

Бесплатный доступ

Рассматриваются проблемы организации ходьбы активного экзоскелетона в режиме плоской регулярной ходьбы по ровной горизонтальной поверхности. Предполагается, что экзоскелетон снабжен двумя двигателями в коленных шарнирах, а взаимодействие с человеком осуществляется при помощи вязкоупругих лямок, соединяющих его и аппарат в некоторых точках тела. Рассматриваются два типа управляющих двигателей - идеальные моментные и гидравлические двигатели. На аппарате, кроме того, установлены датчики межзвенных углов и угловых скоростей. В работе построена система динамических уравнений, описывающих движение экзоскелетона в режиме одноопорной ходьбы при воздействии вязкоупругих сил за счет лямок и управляющих моментов. Режим ходьбы задается человеком-оператором, который поддерживает его за счет собственных мышечных усилий; информация об углах считывается датчиками, установленными в суставах. На основе полных уравнений динамики строится управление экзоскелетоном, обеспечивающее отслеживание желаемых движений в коленных шарнирах с требуемым качеством переходных процессов. В случае идеальных двигателей моделирование показало правильность построенных алгоритмов и высокую точность реализации задаваемой походки (в том числе и по угловому положению корпуса экзоскелетона), а также выявило существенное влияние коэффициентов демпфирования и упругости лямок. Исследование показало возможность подбора коэффициентов, позволяющих обеспечить комфортность движения для человека-оператора за счет резкого снижения вибраций в системе. Одновременно с этим наблюдается снижение энергозатрат человека, подсчитанных по критерию биомеханического функционала. Описана модель экзоскелетона, учитывающая динамические свойства гидроцилиндров и геометрию их расположения; они также устанавливаются в коленных шарнирах. Построено управление, которое позволяет одновременно реализовать с требуемым качеством как желаемые угловые перемещения в коленных шарнирах, так и необходимые усилия, развиваемые в гидроприводах. При моделировании была установлена существенная роль коэффициента усиления в алгоритме для обеспечения устойчивости вычислительного процесса.

Еще

Экзоскелетон, точки контакта тела и аппарата, отслеживание желаемого момента сил в коленях

Короткий адрес: https://sciup.org/146216171

IDR: 146216171

Список литературы О задаче организации ходьбы экзоскелетона нижних конечностей при помощи управления в коленных шарнирах

  • Белецкий В.В. Двуногая ходьба. -М.: Наука, 1984. -286 с.
  • Белецкий В.В. Плоские линейные модели двуногого шагания. -М., 1973. -(Препринт Ин-та прикладной математики им. М.В. Келдыша АН СССР).
  • Лавровский Э.К., Воронов А.В. Определение масс-инерциальных характеристик ноги человека//Физиология человека. -1998. -№ 2. -C. 91-101.
  • Лавровский Э.К., Письменная Е.В. Алгоритмы управления экзоскелетоном нижних конечностей в режиме одноопорной ходьбы по ровной и ступенчатой поверхностям//Мехатроника, автоматизация, управление. -2014. -№ 1. -C. 44-51.
  • Письменная Е.В., Кузмичев А.В., Митрофанов И.Е., Иванов А.В., Кузнецов А.С. Устройство помощи при ходьбе: Патент на полезную модель № 139266 РФ. -№ 2013143671/12; заявл. 27.09.13; опубл. 10.04.14. -Бюл. № 10. -4 с.
  • Формальский А.М. Перемещение антропоморфных механизмов. -М.: Наука, 1984. -368 с.
  • Abbot R.D., McLain N.W., Beard R.W. Validation of synthesis technique for the optimal control of an electro-hydraulic position system//ASME J. Dyn. Sys., Meas., Control. -2000. -Vol. 123. -P. 377-384. DOI: DOI: 10.1115/1.1387446
  • Merritt H.E. Hydraulic Control Systems. -New York, USA: Wiley and Sons Publishers, 1967.
  • Muvengei M., Kihiu J. Bond graph modeling of inter-actuator interactions in a multi-cylinder hydraulic system//World Academy of Science, Engineering and Technology. -2011. -№ 73. -P. 32-41.
Еще
Статья научная