Управление звеном экзоскелета переменной длины

  • Андрей [Andrey] Валерьевич [V.] Борисов [Borisov]
  • Константин [Konstantin] Дмитриевич [D.] Филиппенков [Filippenkov]
Ключевые слова: звено переменной длины, электропривод, редуктор, экзоскелет, антропоморфный робот, дифференциальные уравнения Лагранжа–Максвелла, численное моделирование

Аннотация

Цель исследования — создание пространственной электромеханической модели звена переменной длины для использования в телескопических манипуляторах, антропоморфных роботах, экзоскелетах и при изучении опорно-двигательного аппарата человека. Предложенная модель звена имеет на концах два массивных абсолютно твердых участка и расположенный между ними невесомый участок переменной длины.

Для достижения цели работы использованы методы теоретической механики, электромеханики, математического моделирования, инженерного проектирования, численные методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, теории управления, нелинейной динамики, экспериментальные методы, эмпирические данные о биомеханических свойствах опорно-двигательного аппарата человека. Надежность полученных результатов обоснована строгим использованием указанных методов.

В результате работы записана система дифференциальных уравнений Лагранжа–Максвелла, создана электромеханическая модель антропоморфной системы в пакете Matlab Simulink. При геометрических и инерционных параметрах звена переменной длины, соответствующих голени среднестатистического человека, и времени, соответствующего фазе одноопорного движения, выполнен подбор электрических двигателей и редукторов, обеспечивающих реализацию фрагмента биомеханики движения звена опорно-двигательного аппарата человека. Все взятые двигатели имеют достаточный запас по напряжению. Определены траектории для всех обобщенных координат, обеспечивающих необходимое движение антропоморфной системы. Получены нагрузочные диаграммы механизма. Синтезирована система управления для двигателей. Проведена оценка ошибки позиционирования.

Новизна подхода заключается в том, что впервые разработанные электромеханические модели управляемых звеньев переменной длины имеют широкую область применения результатов и могут быть использованы при создании антропоморфных роботов и комфортабельных экзоскелетов нового поколения.

Таким образом, создана электромеханическая модель звена переменной длины с параметрами, соответствующими голени среднестатистического человека. Подобраны электроприводы и передачи, позволяющие реализовать движение, близкое к антропоморфному, показана его реализация и даны результаты численных расчетов.

Сведения об авторах

Андрей [Andrey] Валерьевич [V.] Борисов [Borisov]

доктор физико-математических наук, профессор кафедры высшей математики Смоленского филиала МЭИ, e-mail: BorisowAndrej@yandex.ru

Константин [Konstantin] Дмитриевич [D.] Филиппенков [Filippenkov]

магистрант кафедры электромеханических систем Смоленского филиала МЭИ, e-mail: colonel.engineer@yandex.ru

Литература

1. Борисов А.В., Розенблат Г.М. Матричный метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета и управление им // Прикладная математика и механика. 2017. Т. 81. № 5. С. 511—522.
2. Борисов А.В., Розенблат Г.М. Моделирование динамики экзоскелета с управляемыми моментами в суставах и переменной длиной звеньев с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Известия РАН. Серия «Теория и системы управления». 2018. № 2. С. 148—174.
3. Борисов А.В., Розенблат Г.М. Динамика механических стержневых систем со звеньями переменной длины применительно к эндо-, экзоскелетам и антропоморфным роботам на плоскости и в пространстве // Справочник. Инженерный журнал. 2019. № 10. С. 1—20; № 11. С. 1—20.
4. Пат. № 2565101 РФ. Экзоскелет с электропневматической системой управления / А.В. Месропян, А.Т. Оразов, Р.Л, Коновалов // Бюл. изобрет. 2015. № 29.
5. Darpa [Офиц. сайт] www.darpa.com (дата обращения 26.07.2020).
6. Ekso Bionics [Офиц. сайт] www.eksobionics.com (дата обращения 26.07.2020).
7. Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory [Офиц. сайт] www.bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton (дата обращения 26.07.2020).
8. Kazerooni H. Exoskeletons for Human Power Augmentation // Proc. IEEE IRS/RSJ Intern. Conf. Intelligent Robots and Systems. 2005. Pp. 3120—3125.
9. ReWalk Robotics [Офиц. сайт] www.rewalk.com (дата обращения 26.07.2020).
10. Tsukahara A., Hasegawa Y., Eguchi K., Sankai Y. Restoration of Gait for Spinal Cord Injury Patients Using HAL with Intention Estimator for Preferable Swing Speed // IEEE Trans. Neural Systems and Rehabilitation Eng. 2015. V. 23. No. 2. Pp. 308—318.
11. Hassan M., Kadone H., Suzuki K., Sankai Y. Exoskeleton Robot Control Based on Cane and Body Joint Synergies // Proc. XXV IEEE/RSJ Intern. Conf. Robotics and Intelligent Systems. 2012. Pp. 1609—1614.
12. Honda [Офиц. сайт] www.corporate.honda.com/innovation/walk-assist (дата обращения 26.07.2020).
13. Rex Bionics [Офиц. сайт] www.rexbionics.com (дата обращения 26.07.2020).
14. Bortole M. e. a. A robotic Exoskeleton for Overground Gait Rehabilitation // Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Automation. 2013. Pp. 3356—3361.
15. Gupta V., Chaudhary H., Saha S.K. Dynamics and Actuating Torque Optimization of Planar Robots // J. Mechanical Sci. and Technol. 2015. V. 29. Pp. 2699—2704.
16. Hokoma [Офиц. сайт] www.hocoma.com/solutions/lokomat (дата обращения 26.07.2020).
17. Тихоплав О.А., Иванова В.В., Гурьянова Е.А., Иванов И.Н. Эффективность роботизированной механотерапии комплекса «Lokomat Pro» у пациентов, перенёсших инсульт // Вестник восстановительной медицины. 2019. № 5(93). С. 57—64.
18. Павловский В.Е. и др. Биомехатронный комплекс нейрореабилитации – концепция, конструкция, модели и управление // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2014. № 111. С. 1—21.
19. Алисейчик А.П. и др. Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных // Материалы ХI Всерос. съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань: Изд-во АН Республики Татарстан, 2015. С. 132—134.
20. Karfidov Lab [Офиц. сайт] www.karfidovlab.com/projects/exochair (дата обращения 26.07.2020).
21. 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. С. 44—51.
22. Лавровский Э.К., Письменная Е.В. Алгоритм управления, обеспечивающий задание произвольных траекторий экзоскелета нижних конечностей // Сб. трудов XII Всеросс. съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Изд-во Башкирского гос. ун-та, 2019. Т. 1. С. 218—219.
23. ExoAtlet [Офиц. сайт] www.exoatlet.com (дата обращения 26.07.2020).
24. Яцун С.Ф. и др. Подъем груза в экзоскелете с гравитационной компенсацией // Известия Юго-Западного гос. ун-та. 2019. Т. 23. № 2. С. 8—17.
25. Яцун С.Ф., Антипов В.М., Карлов А.Е. Моделирование подъема груза с помощью промышленного экзоскелета. // Известия Юго-Западного гос. ун-та. 2018. Т. 22. № 6 (81). С. 14—20.
26. Пат. № 190786 РФ. Пассивный грузовой экзоскелетон / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, А.С. Яцун // Бюл. изобрет. 2019. № 20.
27. Пат. № 189145 РФ. Стопа экзоскелета // С.Ф. Яцун и др. // Бюл. изобрет. 2018. № 14.
28. Maxon [Офиц. сайт] www.maxongroup.com/maxon/view/content/index (дата обращения 26.07.2020).
---
Для цитирования: Борисов А.В., Филиппенков К.Д. Управление звеном экзоскелета переменной длины // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 110—000. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-110-120.
#
1. Borisov A.V., Rozenblat G.M. Matrichnyy Metod Sostavleniya Differentsial'nykh Uravneniy Dvizheniya Ekzoskeleta i Upravlenie Im. Prikladnaya Matematika i Mekhanika. 2017;81;5:511—522. (in Russian).
2. Borisov A.V., Rozenblat G.M. Modelirovanie Dinamiki Ekzoskeleta s Upravlyaemymi Momentami v Sustavakh i Peremennoy Dlinoy Zven'ev s Ispol'zovaniem Rekurrentnogo Metoda Sostavleniya Differentsial'nykh Uravneniy Dvizheniya. Izvestiya RAN. Seriya «Teoriya i Sistemy Upravleniya». 2018;2:148—174. (in Russian).
3. Borisov A.V., Rozenblat G.M. Dinamika Mekhanicheskikh Sterzhnevykh Sistem so Zven'yami Peremennoy Dliny Primenitel'no k Endo-, Ekzoskeletam i Antropomorfnym Robotam na Ploskosti i v Prostranstve. Spravochnik. Inzhenernyy Zhurnal. 2019;10:1—20; 11:1—20. (in Russian).
4. Pat. № 2565101 RF. Ekzoskelet s Elektropnevmaticheskoy Sistemoy Upravleniya. A.V. Mesropyan, A.T. Orazov, R.L, Konovalov. Byul. izobret. 2015;29. (in Russian).
5. Darpa [Ofits. Sayt] www.darpa.com (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
6. Ekso Bionics [Ofits. Sayt] www.eksobionics.com (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
7. Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory [Ofits. Sayt] www.bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
8. Kazerooni H. Exoskeletons for Human Power Augmentation. Proc. IEEE IRS/RSJ Intern. Conf. Intelligent Robots and Systems. 2005:3120—3125.
9. ReWalk Robotics [Ofits. Sayt] www.rewalk.com (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
10. Tsukahara A., Hasegawa Y., Eguchi K., Sankai Y. Restoration of Gait for Spinal Cord Injury Patients Using HAL with Intention Estimator for Preferable Swing Speed. IEEE Trans. Neural Systems and Rehabilitation Eng. 2015;23;2:308—318.
11. Hassan M., Kadone H., Suzuki K., Sankai Y. Exoskeleton Robot Control Based on Cane and Body Joint Synergies. Proc. XXV IEEE/RSJ Intern. Conf. Robotics and Intelligent Systems. 2012:1609—1614.
12. Honda [Ofits. Sayt] www.corporate.honda.com/innovation/walk-assist (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
13. Rex Bionics [Ofits. Sayt] www.rexbionics.com (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
14. Bortole M. e. a. A robotic Exoskeleton for Overground Gait Rehabilitation. Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Automation. 2013:3356—3361.
15. Gupta V., Chaudhary H., Saha S.K. Dynamics and Actuating Torque Optimization of Planar Robots. J. Mechanical Sci. and Technol. 2015;29:2699—2704.
16. Hokoma [Ofits. Sayt] www.hocoma.com/solutions/lokomat (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
17. Tikhoplav O.A., Ivanova V.V., Gur'yanova E.A., Ivanov I.N. Effektivnost' Robotizirovannoy Mekhanoterapii Kompleksa «Lokomat Pro» u Patsientov, Perenesshikh Insul't. Vestnik Vosstanovitel'noy Meditsiny. 2019;5(93):57—64. (in Russian).
18. Pavlovskiy V.E. i dr. Biomekhatronnyy Kompleks Neyroreabilitatsii – Kontseptsiya, Konstruktsiya, Modeli i Upravlenie. Preprinty IPM im. M.V.Keldysha. 2014;111:1—21. (in Russian).
19. Aliseychik A.P. i dr. Mekhanika i Upravlenie Ekzoskeletami Nizhnikh Konechnostey dlya Neyroreabilitatsii Spinal'nykh Bol'nykh. Materialy XI Vseros. S′ezda po Fundamental'nym Problemam Teoreticheskoy i Prikladnoy Mekhaniki. Kazan': Izd-vo AN Respubliki Tatarstan, 2015:132—134. (in Russian).
20. Karfidov Lab [Ofits. Sayt] www.karfidovlab.com/projects/exochair (Data Obrashcheniya 26.07.2020). (in Russian).
21. Lavrovskiy E.K., Pis'mennaya E.V. Algoritmy Upravleniya Ekzoskeletonom Nizhnikh Konechnostey v Rezhime Odnoopornoy Khod'by po Rovnoy i Stupenchatoy Poverkhnostyam. Mekhatronika. Avtomatizatsiya. Upravlenie. 2014;1:44—51. (in Russian).
22. Lavrovskiy E.K., Pis'mennaya E.V. Algoritm Upravleniya, Obespechivayushchiy Zadanie Proizvol'nykh Traektoriy Ekzoskeleta Nizhnikh Konechnostey. Sb. Trudov XII Vseross. S′ezda po Fundamental'nym Problemam Teoreticheskoy i Prikladnoy Mekhaniki. Izd-vo Bashkirskogo Gos. Un-ta, 2019;1:218—219. (in Russian).
23. ExoAtlet [Ofits. Sayt] www.exoatlet.com (Data Obrashcheniya 26.07.2020). (in Russian).
24. Yatsun S.F. i dr. Pod′em Gruza v Ekzoskelete s Gravitatsionnoy Kompensatsiey. Izvestiya Yugo-Zapadnogo Gos. Un-ta. 2019;23;2:8—17. (in Russian).
25. Yatsun S.F., Antipov V.M., Karlov A.E. Modelirovanie Pod′Ema Gruza s Pomoshch'yu Promyshlennogo Ekzoskeleta. Izvestiya Yugo-Zapadnogo Gos. Un-ta. 2018;22;6 (81):14—20. (in Russian).
26. Pat. № 190786 RF. Passivnyy Gruzovoy Ekzoskeleton. S.F. Yatsun, V.Ya. Mishchenko, A.S. Yatsun. Byul. Izobret. 2019;20. (in Russian).
27. Pat. № 189145 RF. Stopa Ekzoskeleta. S.F. Yatsun i dr. Byul. Izobret. 2018;14. (in Russian).
28. Maxon [Ofits. Sayt] www.maxongroup.com/maxon/view/content/index (Data Obrashcheniya 26.07.2020).
---
For citation: Borisov A.V., Filippenkov K.D. Controlling a Variable-Length Exoskeleton Link. Bulletin of MPEI. 2021;3:110—120. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-110-120.
Опубликован
2020-08-28
Раздел
Роботы, мехатроника и робототехнические системы (05.02.05)