Об использовании безредукторных электроприводов при реализации регулярной ходьбы экзоскелетона по неровным поверхностям

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.

1. Mosher R. Handyman to Hardiman // SAE Automotive Engineering Congress, Detroit, Mich. SAE Paper No. 670088. Lightweight exoskeletons with controllable actuators. General Electric, 1967. URL: http://davidszondy.com/future/robot/hardiman.htm,

2. Vukobratovic M., Ciric V., Hristic D. Contribution to the Study of Active Exoskeletons // Proc. of the 5th Int. Feder. of Autom. Contr. Congress. Paris. 1972.

3. Zoss A., Kazerooni H. Architecture and Hydraulics of a Lower Extremity Exoskeleton // Proc. Int. Mech. Engineer. Сongr. and Exposition. Orlando. Florida USA. 2005.

4. Kazerooni H. Еxoskeletons for human power augmentation. Handbook of robotics, part D. Springer, 2008. P. 773—793.

5. 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.

6. Wietse van Dijk, Herman van der Kooij, Edsko Hekman. A Passive Exoskeleton with Artificial Tendons // 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, Rehab Week Zurich, ETH Zurich Science City, Switzerland, June 29 — July 1, 2011.

7. Kamran Shamaei, Aaron M. Dollar . On the Mechanics of the Knee during the Stance Phase of the Gait // 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics Rehab Week Zurich, ETH Zurich Science City, Switzerland, June 29 — July 1, 2011.

8. Белецкий В. В. Двуногая ходьба. М.: Наука, 1984. 286 с.

9. Белецкий В. В. Плоские линейные модели двуногого шагания // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша АН ССР. 1973. № 95.

10. Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. М.: Наука, 1984. 368 с.

11. Белецкий В. В. Динамика двуногой ходьбы // МТТ. 1975. № 3. C.1—14.

12. Белецкий В. В., Чудинов П. С. Нелинейные модели двуногой ходьбы // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша АН ССР. 1975. № 19.

13. Белецкий В. В., Чудинов П. С. Параметрическая оптимизация в задаче двуногой ходьбы // МТТ. 1977. № 1. C.25—35.

14. Лавровский Э. К., Письменная Е. В. Алгоритмы управления экзоскелетоном нижних конечностей в режиме одноопорной ходьбы по ровной и ступенчатой поверхностям // МАУ. 2014. № 1. C.44—51.

15. Лавровский Э. К., Воронов А. В. Определение масс- инерциальных характеристик ноги человека // Физиология человека. 1998, № 2. C. 91—101.