НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o114.pdf (1333.60Кб)

УДК 521.1, 681.51.011

Россия, НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Рассматривается задача управления биомеханизмом – человеком, интегрированным с экзоскелет, при перемещении его по ровной горизонтальной поверхности в режиме плоской, регулярной, одноопорной ходьбы.
Экзоскелет представляет собой стержневую металлическую конструкцию, имеющую такие же длины, как у человека, но с другими масс-инерциальными характеристиками. Экзоскелет способен повторять диктуемое ему человеком движение. За спиной человека - в «рюкзаке» находится точечный груз. Контакт между телом человека и экзоскелетом поддерживается в восьми точках упругими лямками.
В статье исследуется поведение экзоскелета в двух режимах: пассивном и активном. Пассивный режим характеризует поведение экзоскелета только под действием сил, возникающих при движении человека в режиме «комфортабельной» ходьбы, а активный режим отличается от пассивного наличием в коленных шарнирах экзоскелета движителей, способных развивать заданные моменты.
Активный режим исследовался на основе полных уравнений динамики. Строилось управление экзоскелетом, обеспечивающее отслеживание желаемых движений в коленных шарнирах с требуемым качеством переходных процессов. В случае идеальных двигателей моделирование показало правильность построенных алгоритмов и высокую точность реализации задаваемой походки (в том числе, и по угловому положению корпуса экзоскелета), а также выявило существенное влияние коэффициентов демпфирования и упругости лямок. Исследование показало возможность подбора коэффициентов, позволяющих обеспечить комфортность движения для человека–оператора за счет резкого снижения вибраций в системе. Одновременно с этим наблюдается снижение энергозатрат человека, подсчитанных по критерию биомеханического функционала. Исследовалась также модель экзоскелета, учитывающая динамические свойства гидроцилиндров и геометрию их расположения.
Проведенные численные исследования позволяют сделать обоснованный выбор материала для крепежных лямок экзоскелета к телу человека, получить необходимые параметры по выбору двигателей для активного варианта, а также синтезировать закон управления, удовлетворяющий требуемым параметрам качества.

1. Белецкий В.В. Двуногая ходьба. М.: Наука, 1984. 286 с.
2. Лавровский Э.К., Письменная Е.В. Алгоритмы управления экзоскелетоном нижних конечностей в режиме одноопорной ходьбы по ровной и ступенчатой поверхностям // Мехатроника, Автоматизация, Управление. 2014. № 1. С . 44-51 .
3. Белецкий В.В. Плоские линейные модели двуногого шагания. М., ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 1973. (Препринт / Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша АН СССР; № 95).
4. Лавровский Э.К., Воронов А.В. Определение масс-инерциальных характеристик ноги человека // Физиология человека. 1998. № 2. С . 91-101.
5. Muvengei M., Kihiu J. Bond Graph Modeling of Inter-Actuator Interactions in a Multi-Cylinder Hydraulic System // World Academy of Science, Engineering and Technology. 2011. Vol. 74. P. 32-41.
6. Merritt H.E. Hydraulic Control Systems. New York: Wiley and Sons Publishers, 1967.
7. Abbot R.D., McLain N.W., Beard R.W. Validation of synthesis technique for the optimal control of an electro-hydraulic position system // ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control . 2000. Vol. 123, no. 3. P. 377-384.