Controlling a Variable-Length Exoskeleton Link

Authors

  • Андрей [Andrey] Валерьевич [V.] Борисов [Borisov]
  • Константин [Konstantin] Дмитриевич [D.] Филиппенков [Filippenkov]

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-3-110-120

Keywords:

variable-length link, electric drive, reducing gear, exoskeleton, anthropomorphic robot, Lagrange-Maxwell differential equations, numerical simulation

Abstract

The aim of the study is to develop a spatial electromechanical model of a variable-length link for use in telescopic manipulators, anthropomorphic robots, exoskeletons, and in studying the human musculoskeletal system. The proposed link model has two massive absolutely solid sections at the ends and a weightless section of variable length located between them.

The study was carried out using the methods of theoretical mechanics, electromechanics, mathematical modeling, engineering design, numerical methods for solving systems of ordinary differential equations, control theory, nonlinear dynamics, experimental methods, and empirical data on the biomechanical properties of the human musculoskeletal system. The reliability of the obtained results is substantiated by a rigorous use of the above-mentioned methods.

As a result of the study, a system of Lagrange-Maxwell differential equations was written, and an electromechanical model of an anthropomorphic system was developed in the Matlab Simulink software package. With the specified geometric and inertial parameters of a variable-length link corresponding to an average person's leg lower part and the time corresponding to the single-support motion phase, the electric motors and reducing gears implementing the human musculoskeletal system link's biomechanical motion fragment are selected. All of the selected motors have a sufficient operating parameters margin. The trajectories of all generalized coordinates along which the anthropomorphic system performs its necessary motion are determined. The mechanism load diagrams are obtained. The control system for the motors is synthesized, and the positioning error is evaluated.

The novelty of the approach is that the newly developed electromechanical models of controlled variable-length links have a wide range of applying the obtained results and can be used in designing anthropomorphic robots and comfortable new-generation exoskeletons. Thus, the electromechanical model of a variable-length link with the parameters corresponding to the average person's leg lower part has been developed. The electric drives and transmissions able to implement a motion close to the anthropomorphic one have been selected; its implementation has been demonstrated, and the numerical calculation results are given.

Author Biographies

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

Dr.Sci. (Phys.-Math.), Professor of Higher Mathematics Dept., Branch of NRU MPEI in Smolensk, e-mail: BorisowAndrej@yandex.ru

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

Master's Degree of Electromechanical Systems Dept., Branch of NRU MPEI in Smolensk, e-mail: colonel.engineer@yandex.ru

References

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.

Published

2020-08-28

Issue

Section

Robots, Mechatronics and Robotic Systems (05.02.05)