Авторы

Моделирование движения опорной ноги экзоскелета с двумя звеньями переменной длины в 3D-пространстве

В статье предложена модель двух звеньев экзоскелета переменной длины для поддержки нижних конечностей опорно-двигательного аппарата человека. Отличие данной работы от имеющихся заключается в использовании звеньев, изменяющих свою длину, и в способе отсчета углов, которые в других моделях отсчитываются от постоянного направления: от вертикали либо от горизонтали, а в данной работе – между звеньями. При практической реализации экзоскелета такой способ отсчета углов является адекватным реальному способу работы установленных в шарнирах электрических двигателей с редукторами, которые изменяют углы между звеньями. Конструкция звена экзоскелета переменной длины представляет собой два абсолютно твердых весомых участка, расположенных на обоих концах звена, и один невесомый участок между ними в центре звена. В невесомом участке расположен привод, создающий управляющую продольную силу, реализующую увеличение или уменьшение длины звена требуемым образом и обеспечивающую необходимое поддержание длины звена при движении человека в экзоскелете. Звенья соединяются между собой при помощи сферических шарниров. В каждом шарнире установлены приводы, создающие управляющие моменты, которые обеспечивают относительное вращательное движение звеньев. Совместно управляющие продольные силы и моменты реализуют поддержание позы или перемещение звена требуемым образом и, применительно к экзоскелету, повторение основных биомеханических свойств опорно-двигательного аппарата человека. Получена модель в виде системы дифференциальных уравнений Лагранжа второго рода. Проведено исследование полученной математической модели на существование и единственность решения задачи Коши. Синтезирована кинематическая траектория движения звена, моделирующая антропоморфное движение опорной ноги во время одноопорной фазы движения, и определены управляющие воздействия, необходимые для ее реализации. Значимость заключается в возможности создавать учитывающие биомеханические особенности опорно-двигательного аппарата активные экзоскелеты и протезы. Читать дальше...

Использование моделей магнитно-реологических сред при исследовании звена экзоскелета переменной длины с регулируемой жесткостью

В статье рассмотрены имеющиеся математические модели магнитно- реологических сред, описаны некоторые аспекты их поведения. В результате анализа открытых источников установлено, что отсутствуют модели экзоскелетов со звеньями переменной длины с регулируемой жесткостью, основанные на использовании магнитно-реологических жидкостей, поэтому рассмотрено их применение в других технических системах. Предложена математическая модель звена экзоскелета переменной длины с регулируемой жесткостью, которая может быть использована для поддержки и усиления нижних звеньев опорно- двигательного аппарата человека. Отличие предложенной математической модели звена от имеющихся заключается в том, что участок, изменяющий свою длину, считается весомым. Поэтому речь идет о модели звена с переменной инерционной характеристикой – моментом инерции относительно оси, перпендикулярной продольной оси симметрии звена и проходящей через его начало – точку, в которой звено с помощью цилиндрического шарнира прикреплено к неподвижной опоре. Применен аналитический метод управления движением, основанный на задании аналитических дифференцируемых функций, синтезирована траектория движения звена, определены линейные и угловые скорости и ускорения. Приведена компьютерная анимационная визуализация результата решения задачи управления движением звена для наглядного представления перемещения. В результате проведенного вычислительного эксперимента найдены управляющие воздействия, необходимые для реализации заданного движения звена, определен диапазон для изменения коэффициента сопротивления магнитно- реологической среды при реализации предложенного движения звена. Программная реализация предложенной математической модели звена экзоскелета переменной длины с регулируемой жесткостью осуществлена в универсальной системе компьютерной математики Wolfram Mathematica 11.3. Разработан программный комплекс, включающий в себя: блок составления системы дифференциальных уравнений движения в аналитическом виде, блок кинематического синтеза траектории, блок вычислительного эксперимента, блок анимационной визуализации движения модели и экспорта в распространенный видеоформат gif. Читать дальше...

Моделирование динамики звена экзоскелета переменной длины с использованием системы дифференциальных уравнений движения Лагранжа – Максвелла

Задачей, решаемой в данном исследовании, является разработка 3D-модели звена переменной длины с электроприводами для применения при создании комфортабельных экзоскелетов нового поколения. Созданная модель звена содержит на своих концах два инерционных абсолютно твердых участка и находящийся между ними участок переменной длины, считающийся невесомым. Реализация механической части модели звена экзоскелета переменной длины осуществлена в универсальной системе компьютерной математики Wolfram Mathematica 11.3, где составлена система дифференциальных уравнений Лагранжа – Максвелла. Электромеханическая модель звена с учетом электроприводов реализована в пакете MatLab Simulink, состоящая из блока синтеза траектории для каждой степени свободы, блока нахождения управляющих моментов, использующего дифференциальные уравнения движения, блока задания двигателей с передачами, расчета токов двигателей и реализацией системы управления. Осуществлен выбор электрических двигателей, редукторов и реечной передачи, реализующих заданное программное движение звена. Выбраны инерционные и геометрические параметры звена переменной длины, соответствующие голени человека и времени движения в одноопорной фазе. Электроприводы, реализующие повороты звена, расположены в нижней точке звена, в комбинации двух ортогональных цилиндрических шарниров, один из которых жестко связан с опорной поверхностью, а другой – с началом звена. Эта комбинация моделирует голеностопный сустав человека в фазе опоры на одну ногу. Электропривод, управляющий изменением длины звена, расположен на конце нижнего абсолютно твердого весомого участка. Программные траектории для обобщенных координат задаются исходя из требования моделирования антропоморфного движения голени. В результате создана электромеханическая модель звена переменной длины с параметрами, соответствующими голени среднестатистического человека. Подобраны электроприводы и передачи, позволяющие реализовать движение, близкое к антропоморфному, показана его реализация с помощью созданных программ в системе компьютерной математики Wolfram Mathematica 11.3 и пакете MatLab Simulink, приведены результаты численных расчетов. Читать дальше...

Математическое моделирование мягкого экзоскелета из магнитно-реологических модулей с интеллектуальным управлением

В статье рассматривается принципиально новое поколение мягких экзоскелетов, функционирующих на основе магнитно-реологических модулей. Предложена модель звена экзоскелета с регулируемой жесткостью, для которой составлена система дифференциальных уравнений движения. Разработана модель экзоскелета для нижних конечностей человека, составленная из модулей с магнитно-реологической жидкостью. Использование в экзоскелете звеньев с регулируемой необходимым образом жесткостью позволит создавать устройства, комфортабельные для пользователя как с физиологической, так и психологической точки зрения. Мягкие экзоскелеты будут востребованы во многих отраслях промышленности и медицины. Использование электромагнитных актуаторов, имеющих, как правило, меньшие габариты и энергопотребление, практически мгновенную скорость отклика в сравнении с пневмоприводами, гидроприводами и электроприводами, является перспективным и технически, энергетически, экологически, экономически более приемлемым. Под действием электрического или магнитного полей жесткость электроупругих и магнитно-реологических материалов может изменяться более чем на порядок. Это позволяет создавать звенья экзоскелета с регулируемой жесткостью. Регулирование жесткости элементов модулей экзоскелета в режиме реального времени является сложной задачей управления. Поэтому управление движением экзоскелета требует разработки алгоритмов адаптивного типа на основе нейро-нечеткого подхода, с использованием информации, получаемой по обратной связи. Нейросетевые алгоритмы самообучения в процессе функционирования являются логически целесообразной частью мягкого бионического экзоскелета. Также в качестве необходимой компоненты экзоскелета наряду с актуаторной частью необходима сенсорная система с чувствительными датчиками нервно-мышечных импульсов пользователя и различными датчиками положения, скорости, ускорения, силы, момента силы в приводах экзоскелета. Описывается построение нейро-нечетких систем управления мягкими экзоскелетами в рамках разработки новых математических методов моделирования сложных технических объектов. Читать дальше...