Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии
Метод и средство оценки качества сборки, технического состояния и остаточного ресурса электропривода для электромеханического ортеза нижней конечности экзоскелета
Опубликована: 2019-12-20
  • А. В. Егоров Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • В. Н. Белогусев Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • А. В. Капустин Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • И. А. Кудрявцев Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • Т. С. Ливанова Марийский государственный университет (г. Йошкар-Ола)

Аннотация

В данной статье представлены метод и средство для оценки качества сборки и технического состояния электропривода для экзоскелета, основанные на определении его момента трогания в качестве одного из важнейших показателей уровня деградации его компонентов. Существующие методы в основном базируются на определении момента трогания с помощью дополнительных устройств, которые требуют участия оператора в процессе измерения, что увеличивает его время и трудозатраты и усложняет автоматизацию. В отличие от существующих методов и средств, предлагаемые здесь метод и аппаратно-программный комплекс позволяют автоматизировать процесс измерения, не требуют дорогостоящего оборудования и могут контролировать техническое состояние без демонтажа привода из экзоскелета.
Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет проводить контроль технического состояния электропривода в автоматическом режиме с низким уровнем влияния человеческого фактора и с меньшими временными и трудовыми затратами, по сравнению с существующими методами контроля. Применение энкодера с высокой точностью измерения угла положения входного вала редуктора, встроенного в систему электропривода, потенциально может позволить проводить экспресс-испытания исследуемого объекта без применения дополнительного оборудования.
Данный метод может найти широкое применение на заводах-изготовителях и предприятиях, эксплуатирующих экзоскелеты, поскольку он сокращает временные и финансовые затраты на испытания и контроль качества их сборки и технического состояния за счет универсальности метода и массогабаритных показателей разработанного аппаратно-программного комплекса, а также отсутствия необходимости в калибровке измерительных органов.
В экспериментальной части данной статьи предлагаемый метод и средство были оценены на основе электрических приводов с редукторами для электромеханического ортеза экзоскелета нижней конечности. Согласно результатам эксперимента, расхождение между значениями момента трогания, полученными существующим и предлагаемым способами, находится в пределах 1,8 %, что подтверждает эффективность и применимость разработанного способа контроля технического состояния электроприводов для экзоскелетов как на стадии их производства, так и во время эксплуатации.

Литература

1. A wearable exoskeleton suit for motion assistance to paralysed patients / B. Chen, C.-H. Zhong, X. Zhao, H. Ma, X. Guan et al. // Journal of Orthopaedic Translation. 2017. Vol. 11. Р. 7-18. DOI: 10.1016/j.jot.2017.02.007.
2. Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons / B. Chen, H. Ma, L.-Y. Qin, F. Gao, K.-M. Chan et al. // Journal of Orthopaedic Translation. 2016. Vol. 5. Р. 26-37. DOI: 10.1016/j.jot.2015.09.007.
3. Singla A., Rupal B.S., Virk G.S. Optimization of stepped-cone CVT for lower-limb exoskeletons // Perspectives in Science. 2016. Vol. 8. Р. 592-595. DOI: 10.1016/j.pisc.2016.06.030.
4. Assessment of an active industrial exoskeleton to aid dynamic lifting and lowering manual handling tasks / K. Huysamen, M. Looze, T. Bosch, J. Ortiz, S. Toxiri, L.W.O. O’Sullivan // Applied Ergonomics. 2018. Vol. 68. Р. 125-131. DOI: 10.1016/j.apergo.2017.11.004.
5. Kawale S.S., Sreekumar M. Design of a Wearable Lower Body Exoskeleton Mechanism for Shipbuilding Industry // Procedia Computer Science. 2018. Vol. 133. Р. 1021-1028. DOI: 10.1016/j.procs.2018.07.073.
6. Pons J.L. Wearable robots: biomechatronic exoskeletons. John Wiley & Sons, Ltd, 2008.
7. Moreno J.C., Figueiredo J., Pons J.L. Exoskeletons for lower-limb rehabilitation / Colombo R., Sanguineti V. (Eds.) // Rehabilitation Robotics. Academic Press, Elsevier Inc., 2018. P. 89-99. DOI: 10.1016/B978-0-12-811995-2.00008-4.
8. Gasperini G., Cannaviello G., Eng E.G. Exoskeleton and End-Effector Robots for Upper and Lower Limbs Rehabilitation: Narrative Review // PM&R: Innovations Influencing Physical Medicine and Rehabilitation. 2018. Vol. 10, issue 9. Р. S174-S188. DOI: 10.1016/j.pmrj.2018.06.005.
9. Powered orthosis for lower limb movements assistance and rehabilitation / W. Hassani, S. Mohammed, H. Rifaï, Y. Amirat // Control Engineering Practice. 2014. Vol. 26. Р. 245-253. DOI: 10.1016/j.conengprac.2014.02.002.
10. Control strategies for effective robot assisted gait rehabilitation: the state of art and future prospects / J. Cao, S.Q. Xie, H. Rifaï, R. Das, G.L. Zhu // Med Eng Phys. 2014. Vol. 36. Р. 1555-1566.
11. The Control of a Lower Limb Exoskeleton for Gait Rehabilitation: A Hybrid Active Force Control Approach / A.P.P.A. Majeed, Z. Taha, A.F.Z. Abidin, M.A. Zakaria, I.M. Khairuddina, M.A.M. Razman, Z. Mohamed // Procedia Computer Science. 2017. Vol. 105. Р. 183-190. DOI: 10.1016/j.procs.2017.01.204.
12. Sit-to-stand and stand-to-sit transfer support for complete paraplegic patients with robot suit HAL / A. Tsukahara, R. Kawanishi, Y. Hasegawa, Y. Sankai // Adv Robot. 2010. Vol. 24. Р. 1615-1638.
13. Anam K., Al-Jumaily A.A. Active Exoskeleton Control Systems: State of the Art // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. Р. 988-994. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.273.
14. Biomechanical design of an agile, electricity-powered lower-limb exoskeleton for weight-bearing assistance / D.J. Hyun, H. Park, T. Ha, S. Park, K. Jung // Robotics and Autonomous Systems. 2017. Vol. 95. Р. 181-195. DOI: 10.1016/j.robot.2017.06.010.
15. Aliman N., Ramli R., Haris S.M. Design and development of lower limb exoskeletons: A survey // Robotics and Autonomous Systems. 2017. Vol. 95. Р. 102-116. DOI: 10.1016/j.robot.2017.05.013.
16. O'Sullivan L., Nugent R., der Vorm J. Standards for the Safety of Exoskeletons Used by Industrial Workers Performing Manual Handling Activities: A Contribution from the Robo-Mate Project to their Future Development // Procedia Manufacturing. 2015. Vol. 3. Р. 1418-1425. DOI: 10.1016/j.promfg.2015.07.306.
17. Manna S.K., Dubey V.N. Comparative study of actuation systems for portable upper limb exoskeletons // Medical Engineering & Physics. 2018. Vol. 60. Р. 1-13. DOI: 10.1016/j.medengphy.2018.07.017
18. Veale A.J., Xie S.Q. Towards compliant and wearable robotic orthoses: A review of current and emerging actuator technologies. Medical Engineering & Physics. 2016. Vol. 38, issue 4. Р. 317-325. DOI: 10.1016/j.medengphy.2016.01.010.
19. Development and Analysis of an Electrically Actuated Lower Extremity Assistive Exoskeleton / Y. Long, Z. Du, C. Chen, W. Wang, L. He et al. // Journal of Bionic Engineering. 2017. Vol. 14, issue 2. Р. 272-283. DOI: 10.1016/S1672-6529(16)60397-9.
20. Egorov A., Kozlov K., Belogusev V. The method and instruments for induction motor mechanical parameters identification // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10, No. 17. Р. 37685-37691.
21. Котеленец Н.Ф., Акимова Н.А., Антонов М.В. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин. Москва: Академия, 2003.
22. Measurement and evaluation of DC motor starting torque / R. Cipin, M. Mach, M. Toman, J. Knobloch // 2017 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe). DOI: 10.1109/EEEIC.2017.7977475.
23. A Design of Rotor Bar for Improving Starting Torque by Analyzing Rotor Resistance and Reactance in Squirrel Cage Induction Motor / H.J. Lee, S.H. Im, D.Y. Um, G.S. Park // IEEE Transactions on Magnetics. 2018. Vol. 54, issue 3. Р. 1-4. DOI: 10.1109/TMAG.2017.2764525.
24. Санников K. Calculation of forces and moments in calculating mechanisms. Москва: GIOP, 1948.
25. Янгулов B.C. Ускоренные испытания прецизионного редуктора на его ресурс // Известия Том-ского политехнического университета. 2008. Т. 313, № 2. С. 28-31.
26. Кондратов Р.Ю. Некоторые уточнения по расчету статического момента редуктора при отрица-тельных температурах окружающей среды // Интеллектуальные системы в производстве. 2017. Т. 15, № 2. С. 31-38.