Моделирование управляемого движения человека при ходьбе в экзоскелете

Цель исследования. Появление экзоскелетов – роботов открывает новые возможности в реабилитации пациентов, имеющих повреждение нижних конечностей. Несмотря на рост публикаций по этой тематике, многие вопросы, связанные с разработкой инструментальных средств проектирования на основе моделирования движения человека в экзоскелете с использованием теоретических основ устойчивого движения в вертикальном положении, изучены недостаточно. Поэтому целью данной статьи является разработка методов повышения эффективности системы управления экзоскелетом нижних конечностей при двуногой ходьбе.

Методы. Ключевой особенностью статьи является применение методов моделирования задающих законов движения экзоскелета. Применяются методы математического моделирования движения звеньев  с учетом последующего возможного их применения на моделировании движения звеньев экзоскелета, составляются уравнения траекторий с применением векторно-матричного метода. Исследуются траектории движения стопы, голени и бедра экзоскелета при устойчивой ходьбе.

Результаты. Для моделирования работы робототехнического комплекса (прототипа экзоскелета нижних конечностей с десятью активными степенями свободы)  применяется кинематическое задание траектории движения звеньев. Для нахождения вектора обобщенных координат решается обратная задача кинематики с применением векторно-матричного метода с применением матрицы Якоби. Результаты численного моделирования показывают высокую сходимость и адекватность предложенного метода. Методика позволяет задавать траектории движения оператора в экзоскелете на реальных аппаратах.

Заключение. В статье исследование ходьбы выполнено с позиций моделирования квазистатической походки с помощью кинематических подходов. Разработанный метод определения задающих углов поворота звеньев экзоскелета для различных положений стопы с учетом положения проекций центра масс используется при разработке алгоритмов управления движением человека в экзоскелете. 

1. Ergasheva B.I. Lower Limb Exoskeletons: Brief Review // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 6. С. 1153-1158.

2. December. Adaptive control system for exoskeleton performing sit-to-stand motion. S. Jatsun, S. Savin, A. Yatsun, R. Turlapov // In Mechatronics and its Applications (ISMA), 10th International Symposium. 2015. P. 1-6. IEEE.

3. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Improvement of energy consumption for a lower limb exoskeleton through verticalization time optimization // In Control and Automation (MED), 24th Mediterranean Conference. 2016. P. 322-326. IEEE.

4. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Motion Control Algorithm for a Lower Limb Exoskeleton Based on Iterative LQR and ZMP method for trajectory generation.

5. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Study of controlled motion of an exoskeleton performing obstacle avoidance during a single support walking phase // In System Theory, Control and Computing (ICSTCC), 20th International Conference, 2016. P. 113-118. IEEE.

6. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of global optimization-based controller tuning methods for an exoskeleton performing push recovery // In System Theory, Control and Computing (ICSTCC), 20th International Conference, 2016, P. 107-112. IEEE.

7. Гаврилов С. В., До Т. З. Компьютерное моделирование динамики движения пятистепенного шагающего робота // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. 2016. №1. C.72-76.

8. Домрачев Т. Б., Яшметов К. С., Лоскутов Ю. В. Кинематика локомоций человека при вставании из седа и посадке на опору // Инженерные кадры – будущее инновационной экономики России. 2017. №. 1. С. 40-42.

9. Лавровский Э. К. Об энергетике походок человека-оператора, осуществляемых при помощи аппарата “пассивный” экзоскелетон // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2015. №. 1. С. 9-24.

10. Лушников Б. В., Скрыльников Н. Е. Имитационная модель процесса вертикализации экзоскелета нижних конечностей в среде Simmechanics/MATLAB с учетом сухого трения в кинематических парах // Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины: сборник научных статей по материалам XI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. / отв. ред. С.Ф. Яцун. Курск, 2014. С. 261-271.

11. Павловский В. Е. [и др.]. Биомехатронный комплекс нейрореабилитации— концепция, конструкция, модели и управление // Препринты Института прикладной математики им. МВ Келдыша РАН. 2014. № 10. С. 111-19.

12. NEUROExos: A powered elbow exoskeleton for physical rehabilitation / N. Vitiello, T. Lenzi, S. Roccella, S. M.M. De Rossi, E. Cattin, F. Giovacchini, F. Vecchi, M. Carrozza. // Robotics, IEEE Transactions on 29, 2013. No. 1. P.220-235.

13. Нейрореабилитационный комплекс: структура, управление движением экзоскелетных модулей / В.Е. Павловский, А.К. Платонов, А.П. Алисейчик, И.А. Орлов, В.В., Павловский А.А. Птахин // Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины: сборник научных статей по материалам XI Международной научнотехнической конференции: в 2 ч. / отв. ред. С.Ф. Яцун. Курск, 2014. С. 312-322.

14. Разработка и имплементанция сплайн-алгоритма планирования пути в среде ROS/GAZEBO / Р.О. Лавренов, Е.А. Магид, Ф. Мацуно, М.М. Свинин, Д. Сутакорн // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18. № 1. С. 57-84.

15. Хусаинов Р.Р., Климчик А.С., Магид Е.А. Оптимизация параметров движения двуногого шагающего робота // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2018. № 13 (223). С. 119-125.

16. Zoss A.B., Kazerooni H., Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) // IEEE/ASME Transactions On Mechatronics. 2006. №11(2). P.128-138.

17. Алисейчик А. П. [и др.] Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных // ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник. Казань, 2015. С. 132-134.

18. Борисов А. В., Розенблат Г. М., Чигарев А. В. Применение матричного метода и рекуррентного алгоритма к модели плоского многозвенного механизма со звеньями переменной длины, движущегося по горизонтальной плоскости // Теоретическая и прикладная механика: научно-техн. сборник. Минск, 2018, С.370-380.

19. Борисов А. В. Механика пространственной модели экзоскелета и антропоморфного робота //Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2018. № 3-4. С. 46-55.

20. Реабилитационный экзоскелет БиоМех: модели, управление, конструкция, эксперименты / А. П. Алисейчик, И. А. Орлов, Е. Ю. Колесниченко, В. Е. Павловский, В. В Павловский., А. К. Платонов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. №17(10). С. 670-677.

21. Основные клинико-анатомические критерии для разработки экзоскелета верхней конечности / А.А. Воробьев, А.В. Петрухин, О.А. Засыпкина, П.С. Кривоножкина // Журнал анатомии и гистопатологии. 2014. Т. 3. № 1. С. 20-26.