Preview

Известия Юго-Западного государственного университета

Расширенный поиск

Моделирование системы управления исполнительных звеньев реабилитационного экзоскелета с учетом эффекта спастичности

https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-3-103-119

Полный текст:

Аннотация

Цель исследование. Математическое моделирование адаптивной системы управления реабилитационного экзоскелетного комплекса, позволяющей учитывать эффекты взаимодействия человека с исполнительными звеньями приводной системы, в том числе детектировать появление эффекта спастичности. Для достижения поставленной цели авторами работы решаются следующие задачи: разработка концепции человеко-машинного взаимодействия, описание информационной инфраструктуры экзоскелетного комплекса; разработка структуры адаптивной системы управления, позволяющей учитывать взаимодействие человека с роботом в процессе движения; разработка математической модели человеко-машинной системы (ЧМС) и постановка вычислительных экспериментов с целью отработки алгоритмов адаптивного управления при различных условиях, разработка метода детектирования явления спастичности и алгоритма адаптивной системы управления, обеспечивающего безопасность пациента.
Методы. При построении математической модели ЧМС учитываются биомеханические и физиологические свойства объекта манипулирования, механические свойства силовых элементов конструкции, а также особенности работы информационной системы электромеханического устройства. В работе используется математическая модель, представленная системой дифференциальных уравне-ний второго порядка, описывающих динамику совместного движения исполнительных звеньев экзоске-лета и конечности оператора.
Результаты. В ходе численного моделирования получены временные диаграммы изменения углов поворота звеньев экзоскелета и ноги оператора, законы изменения крутящих моментов в шарнирах и усилия на манжетах, характеризующие человеко-машинное взаимодействие при различных режимах и условиях функционирования устройства.
Заключение. На основании полученных результатов математического моделирования функционирования ЧМС сделаны выводы о применимости предлагаемых алгоритмов адаптивной системы управления при различных режимах и условиях функционирования экзоскелетного комплекса, в том числе для реабилитации пациентов с возможностью возникновения спастичности.

Об авторах

С. Ф. Яцун
Юго-Западный государственный университет
Россия

Яцун Сергей Федорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики, мехатроники и робототехники

ResearcherID G-3891-2017

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040



А. В. Мальчиков
Юго-Западный государственный университет
Россия

Мальчиков Андрей Васильевич, доцент, старший начный сотрудник, кафедра механики, мехатроники и робототехники

ResearcherID N-8856-2016

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040



А. А. Постольный
Юго-Западный государственный университет
Россия

Постольный Алексей Александрович, преподаватель кафедры механики, мехатроники и робототехники

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040



А. С. Яцун
Юго-Западный государственный университет
Россия

Яцун Андрей Сергеевич, кандадат технических наук, доцент, заведующий лабораторией НИЛ МИР, кафедра механики, мехатроники и робототехники

ResearcherID N-6212-2016

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040



Список литературы

1. Al-Quraishi M. S. et al. EEG-based control for upper and lower limb exoskeletons and prostheses: A systematic review // Sensors. 2018. Т. 18. N.10. P. 3342. https://doi.org/10.3390/s18103342

2. Bhagat N. A. et al. Design and optimization of an EEG-based brain machine interface (BMI) to an upper-limb exoskeleton for stroke survivors //Frontiers in neuroscience. 2016. – Т. 10. P. 122. https://doi.org/10.3389/fnins.2016.00122

3. Kawamoto H. et al. Power assist method for HAL-3 using EMG-based feedback controller //SMC'03 Conference Proceedings. 2003 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. Conference Theme-System Security and Assurance (Cat. No. 03CH37483). IEEE, 2003. Т. 2. P. 1648-1653. https://doi.org/10.1109/ICSMC.2003.1244649

4. Rosen J. et al. A myosignal-based powered exoskeleton system //IEEE Transactions on systems, Man, and Cybernetics-part A: Systems and humans. 2001. Т. 31. №. 3. P. 210-222. https://doi.org/10.1109/3468.925661

5. Jatsun S., Malchikov A., Loktionova O. Modeling of Human-Machine Interaction in an Industrial Exoskeleton Control System //International Conference on Interactive Collaborative Robotics. Springer, 2020. P.116-125. https://doi.org/10.1007/978-3-030-60337-3_12

6. Aguirre-Ollinger G. et al. Active-impedance control of a lower-limb assistive exoskeleton //2007 IEEE 10th international conference on rehabilitation robotics. IEEE, 2007. P. 188-195. https://doi.org/10.1109/ICORR.2007.4428426

7. Anam K., Al-Jumaily A. A. Active exoskeleton control systems: State of the art // Procedia Engineering. 2012. Т. 41. P. 988-994. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.273

8. Kazerooni H., Steger R., Huang L. Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) //The International Journal of Robotics Research. 2006. Т. 25. № 5-6. P. 561-573. https://doi.org/10.1177/0278364906065505

9. Jatsun S., Malchikov A., Yatsun A. Comparative Analysis of the Industrial Exoskeleton Control Systems // Proceedings of 14th International Conference on Electromechanics and Robotics “Zavalishin's Readings”. Springer, Singapore, 2020. P. 63-74. https://doi.org/10.1007/978-981-13-9267-2_6

10. Sheean G. The pathophysiology of spasticity //European journal of neurology. 2002. Т. 9. P. 3-9. https://doi.org/10.1046/j.1468-1331.2002.0090s1003.x

11. Stampacchia G. et al. Walking with a powered robotic exoskeleton: Subjective experience, spasticity and pain in spinal cord injured persons //NeuroRehabilitation. 2016. Т. 39. No.2. P. 277-283. https://doi.org/10.3233/NRE-161358

12. Chernikova L.A. et al. Effect of the use of robotic devices ("Erigo" and "Lokomat") in the early stages after ischemic stroke // Bulletin of rehabilitation medicine. 2008. No.5. P. 73-75.

13. Jatsun S., Malchikov A., Yatsun A.. Simulation of a walking robot-exoskeleton movement on a movable base //ROBOTS IN HUMAN LIFE. P. 15. https://doi.org/10.13180/clawar.2020.24-26.08.26

14. Hill A. Mechanics of muscle contraction: Old and new experiences: Transl. from English. Mir, 1972.

15. Heo P. et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering //International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2012. Т. 13. № 5. P. 807-824. https://doi.org/10.1007/s12541-012-0107-2

16. Veneman J. F. et al. Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation //IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2007. Т. 15. №. 3. P. 379-386. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2007.903919

17. Pratt G. A., Williamson M. M. Series elastic actuators //Proceedings 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Human Robot Interaction and Cooperative Robots. IEEE, 1995. Т. 1. P. 399-406. https://doi.org/10.1109/IROS.1995.525827

18. Lu R. et al. Development and learning control of a human limb with a rehabilitation exoskeleton //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013. Т. 61. № 7. P. 3776-3785. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148942

19. Rajasekaran V. et al. An adaptive control strategy for postural stability using a wearable robot //Robotics and Autonomous Systems. 2015. Т. 73. P. 16-23. https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.11.014

20. Brahmi B. et al. Adaptive tracking control of an exoskeleton robot with uncertain dynamics based on estimated time-delay control //IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2018. Т. 23. №. 2. P. 575-585. https://doi.org/10.1109/TMECH.2018.2808235


Рецензия

Для цитирования:


Яцун С.Ф., Мальчиков А.В., Постольный А.А., Яцун А.С. Моделирование системы управления исполнительных звеньев реабилитационного экзоскелета с учетом эффекта спастичности. Известия Юго-Западного государственного университета. 2021;25(3):103-119. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-3-103-119

For citation:


Jatsun S.F., Malchikov A.V., Postolny А.А., Yatsun A.S. Simulation of Control System of Executive Links of Rehabilitation Exoskeleton Considering Spasticity Effect. Proceedings of the Southwest State University. 2021;25(3):103-119. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-3-103-119

Просмотров: 67


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2223-1560 (Print)
ISSN 2686-6757 (Online)