Сравнительный анализ электромеханической модели экзоскелета с звеньями переменной длины и модели, содержащей абсолютно твердые звенья

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»

Еще

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   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.11

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
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp