Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии
Оценка энергетической эквивалентности различных локомоций для ресурсных испытаний экзоскелета медицинского назначения
Опубликована: 2019-12-20
  • А. В. Капустин Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • Ю. В. Лоскутов Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • М. Ю. Лоскутов Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола)
  • М. Д. Соловьева Марийский машиностроительный завод (г. Йошкар-Ола)
  • А. Р. Насыбуллин Волжский электромеханический завод (г. Волжск)

Аннотация

Экзоскелеты (роботизированные костюмы) в настоящее время становятся все более распространенными. Они различаются по размеру и функциональному назначению. Такие антропоморфные структуры фиксируются на конечностях и теле человека. Экзоскелеты предназначены для воспроизведения движений с возможным масштабированием усилий. Они позволяют человеку выполнять сложные действия, связанные с повышенными нагрузками. Кроме того, они помогают людям, имеющим двигательные нарушения или нервно-мышечные дисфункции, быстрее реабилитироваться и просто иметь возможность перемещаться. Медицинский экзоскелет должен полностью повторять локомоции человека, в отличие от промышленного или военного экзоскелетов. Повышенные требования при этом предъявляются к прочности и жесткости звеньев, узлов и приводов. Экзоскелет должен выдерживать вес человека до 100 кг. Должна быть высокая точность системы позиционирования суставов человека с кинематическими парами экзоскелета. Также при этом должна быть обеспечена надежность сборки узлов и изделия в целом.
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки стационарных методик испытаний экзоскелета, позволяющих эквивалентно воссоздать различные циклы работы, в том числе в форсированном режиме, исключающих перемещение в пространстве. В работе выполнено расчетное обоснование эквивалентности по энергетическим показателям режимов работы экзоскелета с весовым манекеном. Рассмотрены педалирование на велотренажере, ходьба, присед и вставание с опоры. Критериями эквивалентности движений в шарнире приняты среднеквадратичный вращающий момент, эквивалентная мощность, средняя частота оборотов между звеньями. Сопоставление значений основных параметров локомоций дает небольшие расхождения наибольших эквивалентных моментов, средних межзвенных частот оборотов и эквивалентных мощностей в шарнирах. По энергетическим показателям режимов работы экзоскелета с весовым манекеном локомоции (ходьба, вставание-присед и велопедалирование) вполне могут быть эквивалентны при правильном выборе параметров движений. Показано, что использование велотренажера для проведения ресурсных испытаний экзоскелета вполне может быть допустимо.

Литература

1. Редин В.Н., Аббясов В.М. Разработка метода оценки нагруженности элементов технологических роботизированных комплексов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. № 5. С. 21-24.
2. Схемные решения системы управления реабилитационным экзоскелетом медицинского назначе-ния / А.В. Капустин, Ю.В. Лоскутов, Д.В. Скворцов, А.Р. Насыбуллин, К.С. Клюжев, А.И. Кудрявцев // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и ин-фокоммуникационные системы. 2018. № 2 (38). С. 77-86. DOI: 10.15350/2306-2819.2018.2.77
3. Synthesis of exoskeleton control algorithms based on kinematic analysis of locomotions and human gait modelling / Y. Loskutov, A. Kapustin, A. Kudryavtsev, A. Nasibullin, A. Lebedeva // Journal of Applied Engi-neering Science. 2018. No. 16(4). Р. 583-591. doi:10.5937/jaes16-17230
4. Казаков И.Г., Шкляр С.А. Организация производства роботизированного аппарата "экзоскелет "АUXILIUM" // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2016. Т. 93, № 2-2. С. 84-85.
5. Winter David A., Biomechanics and motor control of human movement. John Wiley & Sons, Inc., 2009. 370 p.
6. Белецкий В.В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. Москва: Наука, 1984. 288 с.
7. Любовицкий В.П. Гоночные велосипеды. Ленинград: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 319 с.
8. Турлапов Р.Н. Модели и алгоритмы управления движением экзоскелета для вертикализации и расширения функциональных возможностей человека: дис. … канд. техн. наук. Курск: Юго-Запад. гос. ун-т, 2015. 172 с.
9. Масандилов Л.Б., Сергиевский Ю.Н., Козырев С.К. Электропривод. Гидро- и виброприводы // Машиностроение: энциклопедия: в 40 т. Т. IV-2: в 2 кн. Кн. 1: Электропривод. Москва: Машиностроение, 2012. 520 с.
10. Mark L. Latash, Vladimir Zatsiorsky. Biomechanics and Motor Control: Defining Central Concepts. Elsevier, Academic Press, 2016. P. 426.