Моделирование экзоскелета с гибридным линейным гравитационным компенсатором

Цель исследования. Разработка математической модели экзоскелета, оснащенного гибридным линейным гравитационным компенсатором (ГЛГК), проведения динамического анализа на примере типового сценария применения экзоскелета – в процессе подъема груза, получении временных закономерностей изменения параметров системы, в том числе крутящих моментов электроприводов, позволяющих оценить энергопотребление и энергоэффективность силовой установки. В статье рассматривается актуальная задача повышения эффективности функционирования экзоскелетного костюма за счет использования ГЛГК. Использование гибридного подхода позволяет повысить эффективность ассистирования экзоскелетного костюма при выполнении различных технологических операций, например, при подъеме груза, при наклонах и удержании.
Методы. При разработке математической модели использовался оригинальный подход к формированию траектории движения звеньев экзоскелета в процессе работы, основанный на применении полиномов седьмого порядка. В работе используется математическая модель, представленная системой дифференциальных уравнений второго порядка, связывающей между собой моменты, действующие на оператора и экзоскелет, угловые ускорения спины оператора и экзоскелета.
Результаты. В ходе численного моделирования получены временные диаграммы изменения параметров системы, углов поворота шарниров экзоскелета, моментов, возникающих в гибридном ЛГК, а также графики токопотребления двигателей при выполнении предъема и наклонов с грузом.
Заключение. В ходе исследований была разработана кинематическая модель экзоскелетного костюма, оснащенная ГЛГК, записаны дифференциальные уравнения второго порядка, описывающие динамическое поведение электромеханической системы, выполнено численное моделирование, позволившее оценить усилия и энергопотребление в шарнирах экзоскелета и приводе гибридного линейного гравитационного компенсатора.

1. Кореневский Н.А., Яцун С.Ф., Яцун А.С. Экзоскелет с биотехнической обратной связью для вертикализации пациентов // Медицинская техника. 2017. № 3. С. 48-51.

2. Экзоскелеты: анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, О.В. Емельянова, А.С. Яцун, Р.Н. Турлапов. Курск, 2015. 179 с.

3. Analysis of the effect of the exoskeleton geometrical dimensions on the nature of a linear compensator operation / S.F. Jatsun, Al Maji Kh.Kh.M., V.E. Pavlovsky, A.S. Yatsun, A.E. Karlov, E.V. Saveleva // В сборнике по итогам конференции: Developments in eSystems Engineering 2019. Robotics, Sensors and Industry 4.0. Казань, 2019.

4. Plagenhoef Stanley, F. Gaynor Evans, Thomas Abdelnour. "Anatomical data for analyzing human motion" // Research quarterly for exercise and sport. 1983. 54, № 2. Р. 169-178.

5. Spada S. et al. Analysis of exoskeleton introduction in industrial reality: main issues and EAWS risk assessment //International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics. Springer, Cham, 2017. С. 236-244.

6. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks / J. Theurel, K. Desbrosses, T. Roux, A. Savescu // Applied ergonomics. 2018. № 67. Р. 211-217.

7. Ulrey B. L., Fathallah F. A. Subject-specific, whole-body models of the stooped posture with a personal weight transfer device // Journal of Electromyography and Kinesiology. 2013. Vol. 23. №. 1. Р. 206-215.

8. Strausser K. A., Kazerooni H. The development and testing of a human machine interface for a mobile medical exoskeleton // 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2011. Р. 4911-4916.

9. Talaty M., Esquenazi A., Briceno J. E. Differentiating ability in users of the ReWalk TM powered exoskeleton: An analysis of walking kinematics //2013 IEEE 13th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). IEEE, 2013. Р. 1-5.

10. Esquenazi A. et al. The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury //American journal of physical medicine & rehabilitation. 2012. Vol. 91. №. 11. Р. 911-921.

11. Neuhaus P. D. et al. Design and evaluation of Mina: A robotic orthosis for paraplegics // 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. IEEE, 2011. Р. 1-8.

12. Yan T. et al. Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons // Robotics and Autonomous Systems. 2015. Vol. 64. Р. 120-136.

13. Sankai Y. HAL: Hybrid assistive limb based on cybernics // Robotics research. Springer, Berlin, Heidelberg, 2010. Р. 25-34.

14. Farris R. J., Quintero H. A., Goldfarb M. Preliminary evaluation of a powered lower limb orthosis to aid walking in paraplegic individuals // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2011. Vol. 19. №. 6. P. 652-659.

15. Яцун С.Ф., Антипов В.М., Карлов А.Е. Моделирование подъема груза с помощью промышленного экзоскелета // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018; 22(6): 14-20. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-6-14-20.

16. Подъем груза в экзоскелете с гравитационной компенсацией / С.Ф. Яцун, В.М. Антипов, А. Е. Карлов, Аль Манджи Хамиль Хамед Мохаммед // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2019; 23(2): 8-17. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-2-8-17.