Моделирование динамики экзоскелета системой трех звеньев переменной длины с регулируемой жесткостью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье предложена пространственная модель экзоскелета для опорно-двигательного аппарата человека, представленная тремя подвижными звеньями переменной длины и двумя точечными массами. Управление жесткостью звеньев осуществляется изменением напряжения, подаваемого на магнитно-реологическую жидкость, заполняющую участки переменной длины. Модель можно использовать для разработки комфортабельных экзоскелетов, кинематические характеристики которых близких к кинематическим характеристикам опорно-двигательного аппарата человека. Уравнения динамики модели составляются с использованием локальных систем координат.

Требуемые законы изменения обобщенных координат задаются уравнениями программных связей, определяющих зависимость дифференцируемых периодических функций от времени. Управляющие моменты и продольные силы определяются методами решения обратных задач динамики и реализуются изменением напряженностей магнитных полей, влияющих на изменение жесткости магнитно-реологической жидкости. Управляющие жесткостью звена напряженности магнитных полей реализуются ступенчатыми функциями. Синтезирована анимация движения механизма, показывающая адекватность предложенной процедуры моделирования. Соединения звеньев моделируются шарнирами и двигателями, реализующими необходимое вращательное движение. Управление динамикой модели осуществляется изменением длин звеньев и углов между звеньями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. О. Блинов

Филиал ФГБОУ ВО НИУ “МЭИ” в г. Смоленске

Автор, ответственный за переписку.
Email: alex-blinov67@yandex.ru
Россия, Смоленск

А. В. Борисов

Филиал ФГБОУ ВО НИУ “МЭИ” в г. Смоленске

Email: borisowandrej@yandex.ru
Россия, Смоленск

Р. Г. Мухарлямов

Институт физических исследований и технологий ФГАОУ ВО Российский университет дружбы народов

Email: robgar@mail.ru
Россия, Москва

М. А. Новикова

Филиал ФГБОУ ВО НИУ “МЭИ” в г. Смоленске

Email: mar.novikova@ro.ru
Россия, Смоленск

Список литературы

  1. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. О математическом моделировании динамики многозвенных систем и экзоскелетов // Известия РАН. Теория и системы управления. 2021. № 5. С. 162–176. https://doi.org/10.31857/S0002338821040028
  2. Borisov A.V., Chigarev A.V. The causes of a change in the length of a person’s link and their consideration when creating an exoskeleton // Biomed. J. Sci. Tech. Res. 2020. V. 25. Р. 18769–18771. https://doi.org/10.26717/BJSTR.2020.25.004137
  3. Piña-Martínez E., Rodriguez-Leal E. Inverse modeling of human knee joint based on geometry and vision systems for exoskeleton applications // Math. Probl. Eng. 2015. V. 2015. P. 145734. http://dx.doi.org/10.1155/2015/145734
  4. Nordin M., Frankel H. Basic biomechanics of the musculoskeletal system. Lippicot–London: Williams & Wilkins, 2001. 467 р.
  5. Borisov A.V., Chigarev A.V. Mathematical models of exoskeleton. Dynamics, strength, control. Springer, 2022. 232 р. https://doi.org/10.1007/978-3-030-97733-7
  6. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г., Филиппенков К.Д. Роботизированная управляемая электромеханическая модель двух звеньев переменной длины аэрокосмического назначения // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 2022. № 1. С. 60–69.
  7. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. Управление динамикой составной конструкции со звеньями переменной длины // Изв. РАН. МТТ. 2021. № 2. С. 72–87. https://doi.org/10.31857/S0572329921020057
  8. Blinov A., Borisov A., Konchina L., Kulikova M., Maslova K. Simulation of the movement of the supporting leg of an exoskeleton with two links of variable length in 3D // J. Appl. Informatics. 2021. V. 16. № 4. P. 122–134. https://doi.org/10.37791/2687-0649-2021-16-4-122-134
  9. Blinov A., Borisov A., Filippenkov K., Konchina L., Maslova K. Modeling the dynamics of an exoskeleton link of variable length using the Lagrange – Maxwell system of differential equations of motion // J. Appl. Informatics. 2022. V. 17. № 3. P. 117–130. https://doi.org/10.37791/2687-0649-2022-17-3-117-130
  10. Franks P.W., Bryan G.M., Martin R.M., Reyes R., Lakmazaheri A.C., Collins S.H. Comparing optimized exoskeleton assistance of the hip, knee, and ankle in single and multi-joint configurations // Wearable Technologies. 2021. V. 2. e16. https://doi.org/10.1017/wtc.2021.14
  11. Das Gupta S., Bobbert M.F. and Kistemaker D.A. The metabolic cost of walking in healthy young and older adults – A systematic review and meta analysis // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 9956. https://doi.org/10.1038/s41598-019-45602-4
  12. Sanchez N., Simha S.N., Donelan J.M. and Finley J.M. Using asymmetry to your advantage: Learning to acquire and accept external assistance during prolonged split-belt walking // J. Neurophysiol. 2020. V. 125. № 2. Р. 344–357. https://doi.org/10.1152/jn.00416.2020
  13. Young A.J. and Ferris D.P. State of the art and future directions for lower limb robotic exoskeletons // IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 2017. V. 25. № 2. Р. 171–182. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2016.2521160
  14. Sawicki G.S., Beck O.N., Kang I. and Young A.J. The exoskeleton expansion: Improving walking and running economy // J. Neuroeng. Rehabilitation. 2020. V. 17. P. 25. https://doi.org/10.1186/s12984-020-00663-9
  15. Ding Y., Kim M., Kuindersma S., Walsh C.J. Human-in-the-loop optimization of hip assistance with a soft exosuit during walking // Sci. Robot. 2018. V. 3. № 15. P.5438. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar5438
  16. Lee S., Kim J., Baker L., Long A., Karavas N., Menard N., Galiana I., Walsh C.J. Autonomous multi-joint soft exosuit with augmentation-power-based control parameter tuning reduces energy cost of loaded walking // J. Neuroeng. Rehabilitation. 2018. V. 15. P. 66. https://doi.org/10.1186/s12984-018-0410-y
  17. Malcolm P., Galle S., Derave Wand De Clercq D. Bi-articular knee-ankle-foot exoskeleton produces higher metabolic cost reduction than weight-matched mono-articular exoskeleton // Front. Neurosci. 2018. V. 12. P. 69. https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00069
  18. Lim B., Lee J., Jang J., Kim K., Park Y.J., Seo K., Shim Y. Delayed output feedback control for gait assistance with a robotic hip exoskeleton // IEEE Trans. Robot. 2019. V. 35. № 4. Р. 1055–1062. https://doi.org/10.1109/TRO.2019.2913318
  19. MacLean M.K. and Ferris D.P. Energetics of walking with a robotic knee exoskeleton // J. Appl. Biomech. 2019. V. 35. № 5. Р. 320–326. https://doi.org/10.1123/jab.2018-0384
  20. Cao W., Chen C., Hu H., Fang K., Wu X. Effect of hip assistance modes on metabolic cost of walking with a soft exoskeleton // IEEE Trans. Autom. Sci. Eng. 2020. V. 18. № 2. Р. 426–436. https://doi.org/10.1109/TASE.2020.3027748
  21. Medrano R.L., Thomas G.C., Rouse E.J. Methods for measuring the just noticeable difference for variable stimuli: Implications for perception of metabolic rate with exoskeleton assistance // 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). NY.: IEEE. 2020. P. 483–490. https://doi.org/10.1109/BioRob49111.2020.9224374
  22. Franks P.W., Bianco N.A., Bryan G.M., Hicks J.L., Delp S.L., Collins S.H. Testing simulated assistance strategies on a hipknee-ankle exoskeleton: A case study // 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). NY.: IEEE. 2020. P. 700–707. https://doi.org/10.1109/BioRob49111.2020.9224345
  23. Bryan G.M., Franks P.W., Klein S.C., Peuchen R.J., Collins S.H. A hip–knee–ankle exoskeleton emulator for studying gait assistance // Int. J. Robot. Res. 2020. V. 40. № 4–5. Р. 722–746. https://doi.org/10.1177/0278364920961452
  24. Bengler K., Harbauer C.M., Fleischer M. Exoskeletons: A challenge for development // Wearable Tech. 2023. V. 4. e1. https://doi.org/10.1017/wtc.2022.28
  25. Carlson J. Magnetorheological Fluid Actuators // Adaptronics and Smart Structures: Basics, Materials, Design, and Applications. Saarbrücken: Springer, 1999. Р. 180–195.
  26. Laflamme S. Online learning algorithm for structural control using magnetorheological actuators. Massachusetts institute of technology, 2007. 88 р.
  27. Ahmadkhanlou F., Zite J.L., Washington G.N. A magnetorheological fluid-based controllable active knee brace // Proc. SPIE. 2007. V. 6527. Р. 652700. https://doi.org/10.1117/12.715902
  28. Chen J., Liao W. Design, testing and control of a magnetorheological actuator for assistive knee braces // Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. № 2. Р. 035029. https://doi.org/10.1088/0964-1726/19/3/035029
  29. Bougrinat Y. Design and development of a lightweight ankle exoskeleton for human walking augmentation // Mechatronics. 2019. V. 64. P. 102297. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2019.102297
  30. Blinov A., Borisov A., Konchina L., Novikova M. Applying the models of magneto- rheological substances in the study of exoskeleton variable-length link with adjustable stiffness // J. Appl. Inform. 2022. V. 17. № 2. P. 133-142. https://doi.org/10.37791/2687-0649-2022-17-2-133-142
  31. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. М. Наука, 1970. 492 с.
  32. Покровский В.Н. Статистическая механика разбавленных суспензий. М.: Наука, 1978. 136 с.
  33. Лахтина Е.В., Пшеничников А.Ф. Дисперсия магнитной восприимчивости и микроструктура магнитной жидкости // Коллоидный журнал. 2006. Т. 68. № 3. С. 327–337.
  34. Коновалова Н.И., Мартынов С.И. Динамика магнитных частиц в вязкой жидкости // Изв. вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2009. № 3. С. 3–11.
  35. Чириков Д.Н. Вязкоупругие свойства магнитных жидкостей. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2012. 102 с.
  36. Jason P. Rich, Patrick S. Doyle, Gareth H. McKinley Magnetorheology in an aging, yield stress matrix fluid // Rheol. Acta. 2012. V. 51. P. 579–593. https://doi.org/10.1007/s00397-012-0632-z
  37. Чириков Д.Н. Теоретическое исследование реологических свойств бидисперсных магнитных жидкостей: заключительный отчет о НИР. Екатеринбург, 2013. 17 с.
  38. Новопашин С.А., Серебрякова М.А., Хмель С.Я. Методы синтеза магнитных жидкостей // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 4. С. 411–427.
  39. Lebedev A.V. Viscosity of magnetic fluids must be modified in calculations of dynamic susceptibility // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 431. Р. 30-32. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.110
  40. Магнитореологические жидкости: технологии создания и применение: монография / Е.С. Беляев и др. под ред. А.С. Плехова. Ниж. Новгород.: Нижегородский гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2017. 94 с.
  41. Alekhina Y.A., Makarova L.A., Rusakova T.S., Semisalova A.S., Perov N.S. Properties of magnetorheological elastomers in crossed AC and DC magnetic fields // Журнал Сибирского федерального университет. Серия: Математика и физика. 2017 Т. 10. № 1. С. 45–50. https://doi.org/10.17516/1997-1397-2017-10-1-45-50
  42. Пучков П.В. О применении магнитных жидкостей в качестве смазочного материала в узлах трения машин и механизмов // Технические науки. 2018. Т. 1. № 78. С. 95-99.
  43. Макарова Л.А. Исследование магнитных и электрических свойств композитных реологических материалов на основе ферромагнитных и сегнетоэлектрических наполнителей. Дисс. канд. физ.-мат. наук, МГУ. 2018. 182 с.
  44. Юсупбеков Х.А., Собиров М.М., Юлдашев А.Р. Активные подвески автомобиля с амортизаторами переменной жесткости // Наука, техника и образование. 2020. № 2(66). С. 18–27.
  45. Найгерт К.В., Целищев В.А. Прикладные свойства магнитореологических жидкостей. Уфа.: УГАТУ, 2021. 118 с.
  46. Черноусько Ф.Л., Ананьевский И.М., Решмин С.А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.
  47. Борисов А.В. Моделирование опорно-двигательного аппарата человека и применение полученных результатов для разработки модели антропоморфного робота. М.: Спутник +, 2009. 212 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пространственная модель трех звеньев экзоскелета переменной длины с регулируемой жесткостью (показано состояние с приложенным внешним магнитным полем, когда магнитные частицы ориентированы вдоль силовых линий поля).

Скачать (162KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости задаваемых формулами (4.1)–(4.9) обобщенных координат от времени.

Скачать (162KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости обобщенных скоростей от времени.

Скачать (170KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости обобщенных ускорений от времени.

Скачать (173KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости управляющих моментов в шарнирах экзоскелета от времени.

Скачать (91KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости управляющих продольных сил в звеньях экзоскелета от времени.

Скачать (58KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость управляющей жесткостью звена напряженности внешнего магнитного поля.

Скачать (70KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Кадры анимации движения механизма.

Скачать (111KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024