Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov

Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

2071-7318

6a84bbca94fbba14f78611ca

10.34031/2071-7318-2021-6-11-114-121

Машиностроение и машиноведение

Machine building and mechanical engineering

Машиностроение и машиноведение

STUDY OF THE DYNAMICS OF THE EXOSKELETON ACTUATING UNIT

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ЭКЗОСКЕЛЕТА

Исабеков

Ж. Н.

Isabekov

Z. N.

janibek_23.93@mail.ru

Мороз

Калерия Александровна

Moroz

Kalerya Aleksandrovna

Керимжанова

Маншук Фазыловна

Kerimzhanova

Manshuk Fazylovna

Сатпаев Университет Алматы Казахстан Satbayev University Almaty Kazakhstan

Донской государственный технический университет Ростов-на-Дону Россия Don State Technical University Rostov-on-Don Russian Federation

Сатпаев Университет Алматы Казахстан Satbayev University Almaty Kazakhstan

114 121 03 09 2021

Исабеков Ж. Н., Мороз Калерия Александровна, Керимжанова Маншук Фазыловна

Isabekov Z. N., Moroz Kalerya Aleksandrovna, Kerimzhanova Manshuk Fazylovna

https://zh-szf.ru/en/nauka/publications/6a84bbca94fbba14f78611ca/view

Человек имеет больше 300 степеней подвижности, но воссоздать такую кинематическую схему практический невозможно. В данной статье предложена кинематическая схема экзоскелета самыми необходимыми для движения человека. В системе CAD разработана 3D модель исполнительного механизма экзоскелета с электрогидравлическим приводом и произведен расчет значений масс, координат центров масс, тензоров инерции звеньев исполнительного механизма экзоскелета. Разработан пусковой файл в среде MATLAB для моделирования динамики исполнительного механизма экзоскелета. Выбраны законы управления в степенях подвижности исполнителтного механизма экзоскелета. В результате проведенного теоретического исследования определены диапазоны изменения обобщенных координат для исследуемой сочленений. Получены зависимости мощности, момента в сочленениях 9, 10 от времени. Проведенные исследования показали, что подъёма ноги потребует больше энергии и это заставляет разработать силовые установки, исследовать различные виды приводов и способы энергоэффективного управления ими. Полученные данные могут служить в разработке экзоскелета медицинского назначения.

A person has more than 300 degrees of mobility, but it is practically impossible to recreate such a kinematic scheme. In this article, a kinematic scheme of the exoskeleton is proposed that is most necessary for human movement. A 3D model of the exoskeleton actuating unit with an electrohydraulic drive has been developed in the CAD system and the values of masses, coordinates of mass centers, inertia tensors of the links of the exoskeleton actuating unit have been calculated. A launch file has been developed in the MATLAB environment for modeling the dynamics of the exoskeleton actuating unit. The control laws in the degrees of mobility of the actuating unit of the exoskeleton are selected. As a result of the theoretical study, the ranges of changes in the generalized coordinates for the joints under study are determined. The dependences of the power and the moment in the joints 9, 10 on time are obtained. The conducted studies have shown that lifting the leg will require more energy and this makes it necessary to develop power plants, explore various types of drives and ways to control them energy-efficiently. The obtained data can serve in the development of a medical exoskeleton.

экзоскелет параметры Денавита-Хартенберга синтез кинематической структуры уравнение динамики экзоскелета математической моделирование

exoskeleton Denavit-Hartenberg parameters kinematic structure synthesis exoskeleton dynamics equation mathematical modeling

Wu J., Gao J., Song R., Li R., Li Y., Jiang L. The design and control of a 3dof lower limb rehabilitation robot // Mechatronics. 2016. Vol. 33. Pp. 13-22.

Wu J., Gao J., Song R., Li R., Li Y., Jiang L. The design and control of a 3dof lower limb rehabilitation robot. Mechatronics. 2016. Vol. 33. Pp. 13-22.

Huamanchahua D., Taza-Aquino Y., Figueroa-Bados J., Alanya-Villanueva J., Vargas-Martinez A., Ramirez-Mendoza R.A. Mecha-tronic Exoskeletons for Lower-Limb Rehabilita-tion: An Innovative Review // 2021 IEEE Interna-tional IOT, Electronics and Mechatronics Con-ference (IEMTRONICS). 2021. Pp. 1-8. doi: 10.1109/IEMTRONICS52119.2021.9422513.

Huamanchahua D., Taza-Aquino Y., Figueroa-Bados J., Alanya-Villanueva J., Vargas-Martinez A., Ramirez-Mendoza R.A. Mechatronic Exoskeletons for Lower-Limb Rehabilitation: An Innovative Review. 2021 IEEE International IOT, Electronics and Mechatronics Conference (IEMTRONICS). 2021. Pp. 1-8. doi: 10.1109/IEMTRONICS52119.2021.9422513.

Prado G.V., Yli-Peltola R., Sanchez M.B.C., Design and analysis of a lower limb ex-oskeleton for rehabilitation // Interdisciplinary Applications of Kinematics. 2019. Pp. 103-114.

Prado G.V., Yli-Peltola R., Sanchez M.B.C., Design and analysis of a lower limb exoskeleton for rehabilitation. Interdisciplinary Applications of Kinematics. 2019. Pp. 103-114.

Elias D.A., Cerna D., Chicoma C., Mio R. Characteristics of a lower limb exoskeleton for gait and stair climbing therapies" // Interdisci-plinary Applications of Kinematics. 2019. Pp. 81-92.

Elias D.A., Cerna D., Chicoma C., Mio R. Characteristics of a lower limb exoskeleton for gait and stair climbing therapies. Interdisciplinary Applications of Kinematics. 2019. Pp. 81-92.

Tanyildizi A.K., Yakut O., Tasar B. Mathematical modeling and control of lower extremity exoskeleton // Biomedical Research. 2018. 29 (9). Pp. 1947-1952.

Tanyildizi A.K., Yakut O., Tasar B. Mathematical modeling and control of lower extremity exoskeleton. Biomedical Research. 2018. 29 (9). Pp. 1947-1952.

D´ıaz I., Gil J.J., Sanchez E. Lower-limb robotic rehabilitation:´ literature review and challenges // Journal of Robotics. 2011. Vol. 2011. 11. https://doi.org/10.1155/2011/759764.

D´ıaz I., Gil J.J., Sanchez E. Lower-limb robotic rehabilitation:´ literature review and challenges. Journal of Robotics. 2011. Vol. 2011. 11. https://doi.org/10.1155/2011/759764.

Исабеков Ж.Н. Проектирование кинематической схемы древовидного исполнительного механизма экзоскелета в МГТУ им. Н.Э. Баумана // Молодежный научно-технический вестник. 2016. №.11. C. 5-10.

Issabekov Zh.N. Design of the kinematic scheme of the tree-like executive mechanism of the exoskeleton. Bauman Moscow State Technical University. Youth Scientific and Technical Bulletin. 2016. 11. Pp. 5-10. (rus).

Ковальчук А.К. Метод математического описания кинематики и динамики древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Естественные и технические науки. 2014. № 5 (73). С. 87-90.

Koval'chuk A.K. Method of mathematical description of the kinematics and dynamics of tree-like actuators of walking robots. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2014. No. 5 (73). Pp. 87-90. (rus).

Ковальчук А.К. Способ синтеза древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Естественные и технические науки, 2014. № 3 (71). С. 127-130.

Koval'chuk A.K. Method for the synthesis of tree-like actuators of walking robots. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2014. No. 3 (71). Pp. 127-130 (rus).

10.

Kovalchuk A.K. Designing drives of a medical robot actuator // Life Science Journal. 2014. № 11 (11s). Pp. 337-340.

Kovalchuk A.K. Designing drives of a medical robot actuator. Life Science Journal. 2014. № 11 (11s). P. 337-340.

11.

Ковальчук А.К. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов. Москва: Рудомино, 2010. 170 с.

Kovalchuk A.K. Fundamentals of the theory of executive mechanisms of walking robots. Moscow: Rudomino Publishing House. 2010. 170 p. (rus).

12.

Лавровский Е.К., Пищная Е.В., Комаров П.А. К проблеме организации ходьбы экзоскелета нижних конечностей с использованием контроля в коленных суставах // Российский журнал биомеханики. 2015. № 2. C. 158-176.

Lavrovsky E.K., Pishchnaya E.V., Komarov P. A. On the problem of organizing the walking of the exoskeleton of the lower extremities using control in knee joints. Russian Journal of Biomechanics. 2015. No. 2. Pp. 158-176 (rus).

13.

Лавровский Э.К., Писменная Е.В. О регулярной ходьбе экзоскелетона нижних конечностей при дефиците управляющих воздействий // Россиский журнал биомеханики. 2014. Т. 18, № 2. С. 208-225.

Lavrovskiy E.K., Pis'mennaya E.V. On the lower limb exoskeleton regular locomotion under input control deficit. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki [Russian Journal of Biomechanics]. 2014. Vol. 18. No. 2. Pp. 208-225 (rus).

14.

Ковальчук А.К. Расчет мощности приводов робота с учетом динамики его исполнительного механизма // Естественные и технические науки. 2014. № 1 (69). С. 128-131.

Kovalchuk A.K. Calculation of the power of robot drives taking into account the dynamics of its executive mechanism. Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2014. No. 1 (69). Pp. 128-131 (rus).

15.

Ковальчук А.К., Яроц В.В. Проектирование исполнительного механизма и расчет мощности приводов робота специального назначения // Естественные и технические науки. 2016. № 10. С. 101-106.

Kovalchuk A.K., Yarots V.V. Design of the executive mechanism and calculation of the power of special-purpose robot drives. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2016. No. 10. Pp. 101-106.

16.

Ковальчук А.К., Верейкин А.А., Каргинов Л.А., Цепкова А.А. Проектирование и расчёт мощности приводов медицинского робота с учётом динамики его исполнительного механизма // Техника и технология: новые перспективы развития. 2014. № XII. С. 28-41.

Kovalchuk A.K., Vereykin A.A., Karginov L.A., Tsepkova A.A. Design and calculation of the power of drives of a medical robot taking into account the dynamics of its executive mechanism. Technique and technology: new prospects for development. 2014. No. XII. Pp. 28-41.

17.

Jackson R.W., Dembia C.L., Delp S.L., Collins S.H., Muscle-tendon mechanics explain unexpected effects of exoskeleton assistance on metabolic rate during walking // J. Exp. Biol. 2017. Vol. 220. No. 11. Pp. 2082-2095.

Jackson R.W., Dembia C.L., Delp S.L., Collins S.H., Muscle-tendon mechanics explain unexpected effects of exoskeleton assistance on metabolic rate during walking. J. Exp. Biol. 2017. Vol. 220. No. 11. Pp. 2082-2095.

18.

Song S., Collins S.H. Optimizing Exo-skeleton Assistance for Faster Self-Selected Walking // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2021. Vol. 29. Pp. 786-795. doi: 10.1109/TNSRE.2021.3074154

Song S., Collins S.H. Optimizing Exoskeleton Assistance for Faster Self-Selected Walking. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2021. Vol. 29. Pp. 786-795. doi: 10.1109/TNSRE.2021.3074154.