Авторы

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...