novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.21.34-42novtexmech-746Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSО походках оператора в пассивном экзоскелете нижних конечностей при использовании режима закрепленного коленаAbout the Operator’s Gaits in the Passive Exoskeleton of the Lower Extremities when Using the Fixed Knee ModeЛавровскийЭ. К.LavrovskyE. K.

Канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

Москва

lavrov@imec.msu.ruПисьменнаяЕ. В.PismennayaE. V.

Канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

Москва

epismen@yandex.ruНИИ механики МГУРоссияMoscow State UniversityRussian Federation2020140120202113442Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20202020Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/746

Рассмотрена динамическая модель движения в сагиттальной плоскости пассивного экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с аналогичной моделью человека-оператора, определяющего движение всей конструкции. Экзоскелет призван помочь оператору в перемещении дополнительного точечного груза, размещенного в "рюкзаке" на спине. Конструкция экзоскелета не имеет активных движительных элементов в шарнирах, он наделен только полуавтоматической системой запирания или освобождения коленных суставов на отдельных этапах движения, которые, однако, влияют на общий рисунок походки. Изучаются энергетические затраты и пиковые значения управляющих моментов, которые человек-оператор прилагает в процессе перемещения экзоскелета на некоторых типах регулярных, плоских, одноопорных походок. Полученные результаты позволяют оценить эффективность режима запирания-освобождения коленного сустава, используемого такими аппаратами. Были исследованы как случаи безударных переходов в режим запертого колена, так и переходы, сопровождающиеся возникновением ударных воздействий в динамической системе. При математическом моделировании масс-инерционные характеристики тела человека учитывались в соответствии с данными, принятыми в антропологии.

A dynamic model of motion in the sagittal plane of the passive exoskeleton of the lower extremities, integrated with a similar model of a human operator that determines the movement of the whole structure, is considered. The exoskeleton is designed to help the operator to move additional point load, placed in the "backpack" on the back. The design of the exoskeleton does not have active propulsive elements in the joints; it is endowed with only a semi-automatic system for locking or releasing the knee joints at certain stages of movement, which, however, affect the overall gait pattern. The energy costs and peak values of the control torques that the human operator applies in the process of moving the exoskeleton on certain types of regular, flat, single-support walkings are studied. The results obtained allow us to estimate the effectiveness of the mode of locking-releasing the knee joint used by such devices. Both cases of impact-free transitions to the locked knee mode and transitions accompanied by the occurrence of shock effects in a dynamic system were investigated. In mathematical modeling, the mass inertial characteristics of the human body were taken into account in accordance with the data adopted in anthropology.

пассивный экзоскелетрегулярные режимы движенияэнергетические затратымаксимумы управляющих моментовpassive exoskeletonregular modes of movementenergy costsmaximums of control pointsReferencesVukobratovic M., Stepanenco J. On the stability of anthropomorphic systems // Mathematical Biosciences. Oct. 1972. Vol. 15, Iss. 1—2. P. 1—37.Vukobratovic M., Stepanenco J. On the stability of anthropomorphic systems, Mathematical Biosciences, Oct. 1972, vol. 15, iss. 1—2, pp. 1—37.Zoss A., Kazerooni H. On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) // Proc. IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2005. P. 3132—3139.Zoss A., Kazerooni H. On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), Proc. IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005, pp. 3132—3139.Dollar A. M., Herr H. Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State-of-the-Art // IEEE Trans. On Robotics. 2008. Vol. 24, N. 1. P. 1—15.Dollar A. M., Herr H. Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State-of-the-Art, IEEE Trans. On Robotics, 2008, vol. 24, no. 1, pp. 1—15.Aguirre-Ollinger G., Colgate J. E., Peshkin M. A., Gooswani A. Inertia Compensation Control of a One-Degree-of Freedom Exoskeleton for Lower-Limb Assistance: Initial Experiments // IEEE Trans. of Neural Systems and rehabilitation Engineer. 2012. N.1. P. 68—77.Aguirre-Ollinger G., Colgate J. E., Peshkin M. A., Gooswani A. Inertia Compensation Control of a One-Degree-of Freedom Exoskeleton for Lower-Limb Assistance: Initial Experiments, IEEE Trans. of Neural Systems and rehabilitation Engineer. 2012, vol. 20, no. 1, pp. 68—77.Lavrovskii E. K. On the Energetics of the Walking Gait of Human Operator Using a Passive Exoskeleton // Mechanics of Solids. 2015. Vol. 50, N. 1. P. 6—18.Lavrovskii E. K. On the Energetics of the Walking Gait of Human Operator Using a Passive Exoskeleton, Mechanics of Solids. 2015, vol. 50, no. 1, pp. 6—18.Воронов А. В., Лавровский Э. К. Определение массинерциальных характеристик ноги человека // Физиология человека. 1998. № 2. С. 91—101.Voronov A. V., Lavrovskii E. Finding of mass-inertia parameters for human legs, Physiology of Human. 1998, no. 2, pp. 91—101 (in Russian).Белецкий В. В. Двуногая ходьба. М.: Наука, 1984, 286 с.Beletsky V. V. Biped walking, Moscow, Nauka, 1984, 286 p. (in Russian).Белецкий В. В. Плоские линейные модели двуногого шагания // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша АН СССР. 1973. № 95.Beletsky V. V. Flat linear models of bipedal deviation, Preprint Instituta prikladnoiy matematiki im. M. V. Keldisha AN SSSR, 1973, no. 95 (in Russian).Белецкий В. В., Лавровский Э. К. Модельные задачи двуногой ходьбы // Известия РАН. Механика твердого тела. 1981. № 2. С. 156—165.Beletsky V. V., Lavrovskii E. K. Model problems of bipedal walking, Mechanics of Solids. 1981, no. 2, pp. 156—165 (in Russian).Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. М.: Наука, 1982. 368 с.Formalsky A. M. About displacement of antropomophic mechanismes, Мoscow, Nauka, 1984, 368 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.