Рассмотрены динамические модели движения в сагиттальной плоскости экзоскелета нижних конечностей с одним или двумя управляемыми приводами в каждой ноге, интегрированного с помощью лямок с аналогичной моделью человека-оператора. Представлены модели экзоскелета, несущего точечный груз, которые описывают вязко-упругое и жесткое крепления экзоскелета к человеку и динамику электроприводов. В работе изучаются возможности построения систем управления для различных вариантов размещения приводов в шарнирах экзоскелета (коленных или одновременно в коленных и тазобедренных), учитываются также возможности разной степени силового воздействия человека-оператора на процесс движения. Закон управления экзоскелетом строится в аналитическом виде, в основу его построения положено соответствие движения коленей и таза механизма заданным желаемым траекториям. Синтез и моделирование выполняются на примере комфортабельного одноопорного движения, наилучшие по энергетике результаты при хорошей точности реализации траекторий удается получить в случае абсолютно жесткой модели, когда конструкция экзоскелета и тело человека составляют одно целое.
We consider dynamic model of the motion in the sagittal plane of the exoskeleton of lower limbs, integrated with the similar model of the human operator by means of straps with one or two controllable actuators in each leg. The exoskeleton is additionally loaded with heavy point weight. Considered models of visco-elastic and the rigid attachment of the exoskeleton to the person. The model also takes into account the dynamics of the electric actuators. We study the possibility of designing control systems for various options of the actuators in the joints of the exoskeleton (knee or both in the knee and hip), which also take into account the different degrees of force action of the human operator on the process of movement. The synthesis is based on the method of solving the inverse tasks of the dynamics. The analytical motion control for exoskeleton was designed, which provided locomotion to the hip and knee joints in accordance with the selected desired mode. Synthesis of the control system was carried out on the example of a flat, single support for comfortable walking. The algorithms provide a good quality performance of a given motion and an acceptable cost of energy from the human operator. With sufficient size nominal torque for actuators, the exoskeleton is able to provide substantial assistance to the person carrying the heavy weight, as is evident from the analysis of energy costs. The best energy results with good precision implementation can be obtained in the case of a perfectly rigid model, in which the design of the exoskeleton and the human body are one.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.