канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.
Moscow
канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.
Ph.D., Senior Researcher
Moscow
Рассматривается регулярная ходьба (вверх или вниз) по лестнице (или наклонной плоскости) человека-оператора с надетым на него экзоскелетоном нижних конечностей, несущего дополнительный груз. Предполагается, что экзоскелетон снабжен высокомоментными электродвигателями без редукторов в коленных, а может быть, и в других суставах. Рассматриваются режимы плоской, одноопорной квазикомфортабельной ходьбы, в реализации которых участвуют как электродвигатели, так и человек-оператор, имеющий опыт работы с данным механизмом. Номинальная картина движения, связанная, в частности, с обходом переносимой ногой препятствий (ступенек) и постановкой ее в положение опоры на следующем шаге, задается и поддерживается человеком. Задачей алгоритма, управляющего электродвигателями, является частичное снижение нагрузки, выпадающей на долю оператора.
С точки зрения минимизации энергозатрат человека наиболее важна опорная нога и в особенности ее коленный сустав. В коленном суставе опорной ноги предлагается использовать алгоритм управления соответствующим электродвигателем, основанный на измерении вертикальной силы реакции опоры в сочетании, быть может, с углом в колене и угловой скоростью. Строится обратная связь, "удачные" значения коэффициентов которой можно предсказать, используя своеобразный метод наименьших квадратов вдоль номинального режима. Задачей этой обратной связи является, фактически, распределение нагрузки, выпадающей на долю оператора и системы электродвигателей. Показано с помощью использования численных методов, какие выгоды в смысле энергозатрат за один регулярный шаг это в принципе может дать. Данный принцип построения обратной связи распространяется далее на моменты опорной ноги в тазобедренном и голеностопном суставах. Предполагается, что переносимая нога управляется всюду только за счет собственных усилий человека-оператора, отсутствие редукторов позволяет осуществлять это без особых потерь на трение, что сказывается, в свою очередь, на малости энергетических затрат и оператора.
The regular walking (up or down) on a ladder (or an inclined plane) of a human operator with an exoskeleton of the lower extremities, carrying an additional load, is considered. It is assumed that the exoskeleton is equipped with high— torque electric motors without gearboxes — in the knee and, perhaps, in other joints. The modes of flat, single-support quasi-comfortable walking are considered, in the implementation of which both electric motors and a human operator with experience working with this mechanism participate. The nominal pattern of movement associated, in particular, with the circumvention of obstacles (steps) with a portable foot and placing it in the support position at the next step is set and supported by a person. The task of the algorithm controlling electric motors is to partially reduce the load that falls on the operator. From the point of view of minimizing human energy consumption, the supporting leg and especially its knee joint are the most important. In the knee joint of the supporting leg, an algorithm for controlling the corresponding electric motor is proposed, based on measuring the vertical reaction force of the support in combination, perhaps, with the angle in the knee and angular velocity. Feedback is constructed, the "successful" values of the coefficients of which can be predicted using a kind of least squares method along the nominal mode. The task of this feedback is actually the distribution of the load that falls to the share of the operator and the system of electric motors. It is shown by using numerical research methods to what benefits in terms of energy consumption in one regular step this can, in principle, lead. This principle of feedback construction extends further to the hip and ankle moments of the supporting leg. It is assumed that the portable leg is controlled everywhere only by the human operator’s own efforts, the absence of gearboxes allows this to be done without much friction loss, which in turn affects the smallness of energy costs and for the operator.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.