Моделирование паттернов походки пациента с повреждением опорно-двигательного аппарата с помощью экзоскелета

Цель исследования. В статье приведено описание реабилитационного робототехнического комплекса EXOLITE-REHAB, позволяющего осуществлять реабилитационные упражнения нижних конечностей пациентов путем выполнения подъема ноги, вертикализации, приседаний и прочих видов движения. Во многих странах ведутся работы по созданию устройств, позволяющих человеку передвигаться в пространстве при повреждении опорно-двигательного аппарата. Поэтому целью данной статьи является изучение и задание основных закономерностей и алгоритмов на основе математических моделей, описывающих управляемое движение экзоскелета нижних конечностей на примере моделирования движения голеностопного шарнира экзоскелета.

Методы. Ключевой особенностью комплекса является применение копирующей системы управления, которая позволяет обеспечить заданное движение голеностопного сустава человека с высокой степенью точности в широком диапазоне изменения параметров. Применяются методы математического моделирования движения голеностопного сустава с учетом последующего возможного их применения на моделировании движения звеньев экзоскелета.

Результаты. Для моделирования работы робототехнического комплекса применяется кинематическое задание траектории движения голеностопного шарнира. 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.

Заключение. В статье рассмотрен метод применения копирующей системы управления, обладающей достаточной степенью точности копирования траектории. Результаты моделирования копирующей системы управления реабилитационного экзоскелета EXOLITE-REHAB, работающей по разработанному алгоритму, показывают, что она в достаточной степени точности способна повторять требуемую траекторию. В будущем планируется более углубленно исследовать систему на трёхмерной модели с электроприводами.

1. Алисейчик А.П. [и др.] Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабелитации спинальных больных // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник докладов. Казань, 2015. P. 132-134.

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

3. 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: международный научно-технический сборник / пред. редкол. А. В. Чигарев. Минск, 2018. Вып. 33. C. 370-380 .

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

5. Гаврилов С. В., Занг Д. Т. Компьютерное моделирование динамики движения пятистепенного шагающего робота // АЭЭ Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. Пермь, 2016.

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

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

8. Contreras-Vidal, Jose L., and Robert G. Grossman. "NeuroRex: A clinical neural interface roadmap for EEG-based brain machine interfaces to a lower body robotic exoskeleton." Engineering in medicine and biology society (EMBC), 2013 35th annual international conference of the IEEE. IEEE, 2013.

9. Kiguchi Kazuo, Takakazu Tanaka, and Toshio Fukuda. "Neuro-fuzzy control of a robotic exoskeleton with EMG signals." Fuzzy Systems, IEEE Transactions on 12.4, 2004. P. 481-490.

10. Kazerooni H., Steger R., Huang L. Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) // The International Journal of Robotics Research. 2006, May 1. no. 25. Р.561-573.

11. Kazerooni H., Racine JL., Huang L., Steger R. On the control of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) // In Robotics and automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE international conference. 2005. Apr 18. P. 4353-4360. IEEE.

12. Steger R, Kim SH, Kazerooni H. Control scheme and networked control architecture for the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) // InRobotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference. 2006, May 15. P. 3469-3476. IEEE.

13. Study of Controlled Motion of Exoskeleton Moving from Sitting to Standing Position / S. Jatsun, S. Savin, A. Yatsun, A. Malchikov // In Advances in Robot Design and Intelligent Control. 2016, P. 165-172. Springer International Publishing.

14. Adaptive control system for exoskeleton performing sit-to-stand motion / S. Jatsun, S. Savin, A. Yatsun, R. Turlapov // InMechatronics and its Applications (ISMA), 2015 10th International Symposium. 2015. Dec 8. P. 1-6. IEEE.

15. Vorochaeva L.Yu., Savin S.I., Yatsun A.S. An investigation of motion of a crawling robot with supports with controllable friction // ANS Conference Series: Scientific Heritage of Sergey A. Chaplygin (Nonholonomic Mechanics, Vortex Structures and Hydrodynamics) Book of Abstracts. 2019. P. 207-209.

16. Jatsun S.F., Yatsun A.S. Criterion of the rehabilitation process effectiveness on the basis of biomehatronic system EXOLITE REHAB // Proceedings of IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts, ARSO Сер. 2018 IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts, ARSO 2018". 2019. P. 105-110.

17. Structure Design and Dynamic Model Analysis of Multi-degree-of-freedom Exoskeleton / W. Yang, Y. Yang, W. Liu, R. Wang // In 2015 International Conference on Mechatronics, Electronic, Industrial and Control Engineering (MEIC-15). Atlantis Press, 2015.

18. Yatsun A., Jatsun S. Modeling quasi-static gait of a person wearing lower limb exoskeleton Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2019. № 9783319956299. P. 565-575.

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

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