Сравнительный анализ электромеханической модели экзоскелета с звеньями переменной длины и модели, содержащей абсолютно твердые звенья
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: 2 (104) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается плоское движение экзоскелета с пятью звеньями переменной длины. Предполагается, что внутри экзоскелета находится человек, при этом экзоскелет оснащен сенсорами, которые считывают показатели мышечной активности человека, преобразуют их в управляющие сигналы для электрических приводов и мгновенно реализуют их в экзоскелете. Новизна исследования обусловлена моделью изменения длин участков звеньев экзоскелета. Актуальность исследования состоит в возможности восстановления и усиления при помощи экзоскелета двигательных функций организма человека и замене людей антропоморфными механизмами на вредном и опасном для здоровья производстве, не имеющем возможности использования колесных, гусеничных и других типов роботов. В модели конкретизирована конструкция звеньев переменной длины. Каждое звено включает в себя невесомый участок с изменяющейся длиной, находящийся между двумя абсолютно твердыми весомыми участками. Проведено численно-аналитическое моделирование на основе решения обратной задачи динамики для рассматриваемого механизма. Разработан способ управления предложенной мехатронной робототехнической системой в виде человека в экзоскелете на основе задания программного движения и определения управляющих моментов, локализованных в крупных шарнирах-суставах и продольных сил, определяющих изменения длин звеньев механизма. Проведено сравнение с моделью, содержащей абсолютно твердые звенья, рассмотренной ранее. Установлены проблемы, возникающие при учете изменения длин звеньев. Предложена модель функционирования биомехатронной системы «человек - экзоскелет»
Экзоскелет, электромеханическая модель, электропривод, биомехатронная система, звено переменной длины, программное движение, продольные силы, управляющие моменты, сравнительный анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/146282971
IDR: 146282971 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.11
Comparative analysis of an electromechanical model of an exoskeleton with links of variable length and a model containing absolutely solid links
The plane motion of an exoskeleton with five links of variable length is considered. It is assumed that there is a person inside the exoskeleton, and the exoskeleton is equipped with sensors that read indicators of a person’s muscle activity, convert them into control signals for electric drives and instantly implement them in the exoskeleton. The novelty of the study is due to the model of changes in the lengths of sections of exoskeleton links. The relevance of the research lies in the possibility of restoring and enhancing the motor functions of the human body with the help of an exoskeleton and replacing people with anthropomorphic mechanisms in harmful and hazardous production that does not have the ability to use wheeled, tracked and other types of robots. The model specifies the design of links of variable length. Each link includes a weightless section with varying length, located between two absolutely solid weighty sections. Numerical and analytical modeling was carried out based on solving the inverse problem of dynamics for the mechanism under consideration. A method has been developed for controlling the proposed mechatronic robotic system in the form of a person in an exoskeleton based on specifying programmed movement and determining control moments localized in large hinge joints and longitudinal forces that determine changes in the lengths of the mechanism links. A comparison is made with the model containing absolutely rigid links, considered earlier. The problems that arise when taking into account changes in the lengths of links are identified. A model of the functioning of the human-exoskeleton biomechatronic system is proposed.
Список литературы Сравнительный анализ электромеханической модели экзоскелета с звеньями переменной длины и модели, содержащей абсолютно твердые звенья
- Electromechanical model of exoskeleton with three mobile links / A. Blinov, A. Borisov, L. Konchina, K. Maslova, M. Kulikova // International Journal of Biosensors Bioelectronics. - 2023. - Vol. 8, no. 1. - Р. 32-37. DOI: 10.15406/ijbsbe.2023.08.00229
- Simulation of exoskeleton motion during a flight on a movable base taking into consideration the electric drive dynamics / V.K. Badyaeva, A.O. Blinov, A.V. Borisov, R.G. Mukharlyamov // Russian Aeronautics. - 2022, -Vol. 65, no. 4. - P. 685-696. DOI: 10.3103/S1068799822040080
- Движение антропоида на подвижном основании / В.К. Бадяева, А.О. Блинов, А.В. Борисов, Р.Г. Мухарлямов // Российский журнал биомеханики. -2022. № 3. - С. 87-97.
- Bao, W. Vision-based autonomous walking in a lower-limb powered exoskeleton / W. Bao, D. Villarreal, J.-C. Chiao // 2020 IEEE 20th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering. - 2020. - P. 830-834. DOI: 10.1109/BIBE50027.2020.00141
- Яцун, С.Ф. Подъем груза в экзоскелете с гравитационной компенсацией / С.Ф. Яцун, B.М. Антипов А.Е. Карлов, М.Х. Мохаммед // Известия Юго-Западного Государственного Университета. - 2019. - Т. 23, № 2. - С. 8-17.
- Яцун С.Ф. Моделирование подъема груза с помощью промышленного экзоскелета / С.Ф. Яцун, В.М. Антипов A.Е. Карлов // Известия Юго-Западного Государственного Университета. - 2018. - Т. 22, № 6. - C. 14-20.
- Белов, М.П. Разработка математической модели и управление методом разделения закона управления для экзоскелета / М.П. Белов, Д.Д. Чыонг, Н.В. Лань // Известия СПбГЭТУ - 2020. - № 1. - С. 71-77.
- Головин, В.Ф. Особенности проектирования робототехнических систем для восстановительной медицины / В.Ф. Головин, М.В. Архипов, B.Е. Павловский // Мехатроника, Автоматизация, Управление. - 2015. - Т. 16, № 10. - С. 664-671.
- Патент № 2665116 Грузовой экзоскелет с настройкой под антропометрические параметры пользователя: № 2017114443: заявл. 25.04.2017: опубл. 28.08.2018 / В.М. Голицын, М.И. Островский, Е.В. Письменная, К.М. Толстов.
- Патент на полезную модель № 190786 Пассивный грузовой экзоскелетон: № 2019110529: заявл. 09.04.2019: опубл. 12.07.2019 / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, А.С. Яцун
- Патент № 2681115. экзоскелет: № 2017100635: заявл. 12.01.2017: опубл. 04.03.2019 / А. Н. Гуськов.
- Патент на изобретение № 2665386 Пассивный реабилитационный экзоскелет: № 2017141119 заявл. 27.11.2017: опубл. 29.08.2018. / Г.С. Шишков.
- Патент на полезную модель № 189468 Экзоскелет пассивный: № 2018108788 заявл. 13.03.2018: опубл. 23.05.2019. / И.В. Шкарбан, А.А. Кагарлыцкий, Э.А. Фельд, С.В. Смаглюк, Э.А. Сычёв, С.В. Злыдарь.
- Патент на полезную модель № 212301 Пассивный экзоскелет: № 2021133899: заявл. 18.11.2021: опубл. 14.07.2022 / И.А. Ложкин, Д.Ф. Целиканов, Н.Е. Давыдов, П.В. Трегубов.
- Патент на полезную модель № 202205 Экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза: № 2020128138: заявл. 24.08.2020: опубл. 05.02.2021 / М.С. Скоков, И.С. Скоков, Ю.С. Потанин, А.И. Матвиенко, А.С. Бирюков, И.А. Утемов, А.М. Ледюков.
- Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями / А.О. Блинов, А.В. Борисов, Л.В. Кончина, М.Г. Куликова, К.С. Маслова // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 186-199.
- Gordon, K.E. Mechanical performance of artificial pneumatic muscles to power an ankle-foot orthosis / K.E. Gordon, G.S. Sawicki, D.P. Ferris // Journal of Biomechanics. - 2006. - Vol. 39, no. 10. - P. 1832-1841. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2005.05.018
- Bougrinat, Y. Design and development of a lightweight ankle exoskeleton for human walking augmentation / Y. Bougrinat, S. Achiche, M. Raison // Mechatronics. -2019. - Vol. 64. - P. 102297. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2019.102297
- Khomami, A.M. A survey on soft lower limb cable-driven wearable robots without rigid links and joints / A.M. Khomami, F. Najafi // Robotics and Autonomous Systems. - 2021. - Vol. 144. - P. 103846. DOI: 10.1016/j.robot.2021.103846
- Li, Y. Design and prototyping of a novel lightweight walking assist wear using PVC gel soft actuators / Y. Li, M. Hashimoto. // Sensors and Actuators A: Physical. - 2016. - Vol. 239. - P. 26-44. DOI: 10.1016/j.sna.2016.01.017
- Oguntosin, V. Design and characterization of artificial muscles from wedge-like pneumatic soft modules / V. Oguntosin, A. Akindele // Sensors and Actuators A: Physical. - 2019. - Vol. 297. - P. 111523. DOI: 10.1016/j.sna.2019.07.047
- Oguntosin, V. Design of a pneumatic soft actuator controlled via eye tracking and detection / V. Oguntosin, A. Abdulkareem // Heliyon. - 2020. - Vol. 6, no. 7. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e04388
- Banerjee, H. Hydrogel actuators and sensors for biomedical soft robots: Brief overview with impending challenges / H. Banerjee, M. Suhail, H. Ren // Biomimetics. - 2018. -Vol. 3, no. 3. DOI: 10.3390/biomimetics3030015
- Autonomous multi-joint soft exosuit with augmentation-power-based control parameter tuning reduces energy cost of loaded walking / S. Lee, J. Kim, L. Baker, A. Long, N. Karavas, N. Menard, I. Galiana C.J. Walsh // J. NeuroEngineering Rehabil. - 2018. - Vol. 15, no. 66. DOI: 10.1186/s12984-018-0410-y
- A lightweight soft exoskeleton in lower limb assistance / Y. Zhang, Z. Wang, C. Chen, T. Fang, R. Sun, Y. Li // 2020 Chinese Automation Congress, Shanghai, China. - 2020. -P. 2173-2178. DOI: 10.1109/CAC51589.2020.9327551
- Брацун, Д.А. Биомеханические модели живой ткани / Д.А. Брацун, И.В. Красняков, А.Д. Брацун // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 50-71.
- Оразов, А.Т. Разработка и исследование гидропневматического привода экзоскелетного устройства. Дисс. канд. техн. наук. / А.Т. Оразов Уфа, 2018. - 140 с.
- Borisov, A.V. Mathematical models of exoskeleton / A.V. Borisov, A.V. Chigarev // Dynamics, Strength, Control. - 2022. - P. 1-232.
- Simulation of the movement of the supporting leg of an exoskeleton with two links of variable length in 3D / A. Blinov, A. Borisov, L. Konchina, M. Kulikova, K. Maslova // Journal of Applied Informatics. - 2021. Vol. 16, no. 4. - P. 122-134. DOI: 10.37791/2687-06492021-16-4-122-134
- Modeling the dynamics of an exoskeleton link of variable length using the Lagrange - Maxwell system of differential equations of motion / A. Blinov, A. Borisov, K. Filippenkov, L. Konchina, K. Maslova // Journal of Applied Informatics. - 2022. - Vol. 99, no. 3. - P. 117-130. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-3-117-130
- Electromechanical model of variable-length link for exoskeleton or prosthesis / A. Blinov, A. Borisov, I. Kaspirovich, R. Mukharlyamov, K. Filippenkov // Lecture Notes in Networks and Systems. - Vol. 575. -Р. 1344-1353. DOI: 10.1007/978-3-031-21219-2_150
- 3D model of two links of the supporting leg of the exoskeleton with variable length and adjustable stiffness / A. Borisov, A. Blinov, L. Konchina, M. Novikova // AIP Conference Proceedings. - 2023. - Vol. 2911, no. 1. DOI: 10.1063/5.0163380
- Applying the models of magneto- rheological substances in the study of exoskeleton variable-length link with adjustable stiffness / A. Blinov, A. Borisov, L. Konchina, M. Novikova // Journal of Applied Informatics. - 2022. - Vol. 98, no. 2. -P. 133-142. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2-133-142
- Exoskeleton dynamics simulation with the system of three variable-length links of adjustable stiffness / A.O. Blinov, A.V. Borisov, R.G. Mukharlyamov, M.A. Novikova // Mechanics of Solids. - 2024. - Vol. 59, no. 1. - P. 156-166. DOI: 10.1134/S0025654423600770
- Саад, С. Динамическая модель верхних конечностей и ее применение: систематический обзор / С. Саад, Н. Ибрагим, Н.А.А. Осман // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. - С. 87-97.
- Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, Р.Р. Рахматулин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. -С. 53-66.
- Нургалиев, А.М. Комплексное исследование кинематики движений суставов лыжника-гонщика при движении способом дабл-полинг: эксперимент, обработка и моделирования / А.М. Нургалиев, Д.В. Паршин // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. -С. 114-126.
- Численное моделирование полного протеза коленного сустава с силиконовой прослойкой / А. Мааче, М. Амаджи, Х. Амеддах, Х. Мазуз // Российский журнал биомеханики. - 2024. - Т. 28, № 1. - С. 77-87.
- Черноусько, Ф.Л. Методы управления нелинейными динамическими системами / Ф.Л. Черноусько, И.М. Ананьевский, С.А. Решмин // Актуальные проблемы механики. - 2015. - С. 16-33.
- Розенблат, Г.М. О равновесии твердого тела, опирающегося одной точкой на шероховатую плоскость / Г.М. Розенблат // Изв. РАН. МТТ. - 2023. - № 6. -С. 3-22. DOI: 10.31857/S0572329922600748
- Климина, Л.А. Трехзвенный механизм как модель человека на качелях / Л.А. Климина, А.М. Формальский // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. - 2020. - № 5. - С. 89-105. DOI 10.31857/S000233882005008X
