Preview

Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie

Advanced search

Comparative Analysis of the Exoskeleton Control Algorithms with the Links of a Variable Length

https://doi.org/10.17587/mau.18.238-245

Abstract

Automatioи of movement of the anthropomorphic systems is щи important task. It requires development of various motion control algorithms. Control of the exoskeleton is typically done using the reader and gain of the control pulses of a person. However, such a control cannot be implemented, for example, for the recovery of the motor abilities after injuries of the vertebrae and for learning to walk again, or in sports training with the help of the exoskeleton or its parts. In this case, the analytical motion control algorithms are required. The article presents a comparative analysis of these two approaches to the task of the motion control of the exoskeleton. As an illustration, the authors present a graphical dependence of the basic kinematic and dynamic parameters of the walking time and footage of the split-pictorial visualization of a model of an exoskeleton. The difference of this work from the existing ones is in the use of the exoskeleton links of a variable length. The paper describes a model of a link of a variable length in the form of a weightless rod and three lumped masses located at the ends of the rod, and an arbitrary point of the rod between its ends. The masses in the hinges-joints, except the movable joints, can be modeled by a motor mounted on a hinge pin having a substantial mass and creating the control point. Giving each lot a certain value, it is possible to obtain such a distribution of the masses on the rod, which approximately corresponds to the inertial properties of the link in the musculoskeletal system of a person. The differential equations of motion for the single-link and multi-chain systems were obtained. Generalizations for development of an effective matrix and recursive algorithms for writing differential equations of motion for the multi-link systems composed of links of variable length were composed. A study revealed that control of a real human walk had a pronounced pulsed character, while a gait, based on the theoretically specified periodic functions, was more energy intensive than a real human walk. This, in particular, explains why the energy consumption of the modern anthropomorphic robots during walking is higher than that of humans.

About the Authors

A. V. Borisov
Branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute" in Smolensk
Russian Federation


L. V. Konchina
Branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute" in Smolensk
Russian Federation


References

1. Basic biomechanics of the musculoskeletal system / Margareta Nordin, Victor H. Frankel ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2001.

2. Pina-Martfnez E., Rodriguez-Leal E. Inverse Modeling of Human Knee Joint Based on Geometry and Vision Systems for Exoskeleton Applications // Mathematical Problems in Engineering. Vol. 2015 (2015). 14 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/145734. URL: http://www.hindawi.com/journals/mpe/2015/145734/

3. Справочник по теории автоматического регулирования / Под ред. А. А. Красовского М.: Наука, 1987.

4. Борисов А. В. Автоматизация проектирования стержневых экзоскелетов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 10. С. 29-33.

5. Борисов А. В. Автоматизация разработки трехмерных моделей экзоскелетов со звеньями переменной длины // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 12. С. 828-835.

6. Леонов Г. А., Зегжда С. А., Кузнецов Н. В., Товстик П. Е., Товстик Т. П., Юшков М. П. Движение твердого тела, управляемое шестью стержнями переменной длины // Доклады Академии наук. 2014. Т. 455, № 3. С. 282-286.

7. Андреев А. С., Перегудова О. А. Об управлении двухзвенным манипулятором с упругими шарнирами // Нелинейная динамика. 2015. Т. 11, № 2. С. 267-277.

8. Лавровский Э. К., Письменная Е. В., Комаров П. А. Управление ходьбой экзоскелетона нижних конечностей при вязкоупругой связи его с телом человека-оператора // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 2. С. 96-101.

9. Градецкий В. Г., Князьков М. М., Семенов Е. А., Суханов А. Н. Движение мобильного робота по горизонтальным, наклонным и вертикальным поверхностям при наличии возмущений и подвижных препятствий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 3. С. 166-173.

10. Черноусько Ф. Л., Болотник Н. Н. Мобильные роботы, управляемые движением внутренних тел // Тр. ИММ УрО РАН. 2010. Т. 16, № 5. С. 213-222.

11. Черноусько Ф. Л., Ананьевский И. М., Решмин С. А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.

12. Борисов А. В., Кончина Л. В., Абросов Я. А. Разработка методов управления моделью экзоскелета с деформируемыми звеньями и человеком внутри // Естественные и технические науки. 2016. № 7 (97). С. 58-60.

13. Борисов А. В. Моделирование опорно-двигательного аппарата человека и применение полученных результатов для разработки модели антропоморфного робота М.: Спутник+, 2009.

14. с.

15. Зациорский В. М., Аруин А. С., Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М.: Физкультура и спорт, 1981. 143 с.

16. Yamada H. Strength of biological materials. Baltimore: Williams and Wilkins, 1970. 405 p.

17. Головин В. Ф., Архипов М. В., Павловский В. Е. Особенности проектирования робототехнических систем для восстановительной медицины // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 10. С. 664-671.

18. Алисейчик А. П., Орлов И. А., Павловский В. Е., Павловский В. В., Платонов А. К. Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных // Х1 Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Аннотации докладов (Казань, 20-24 августа 2015 г.). Казань: Изд-во Академии наук РТ, 2015. 319 с.

19. Бербюк В. Е. Динамика и оптимизация робототехнических систем. Киев: Наукова Думка, 1989. 192 с.


Review

For citations:


Borisov A.V., Konchina L.V. Comparative Analysis of the Exoskeleton Control Algorithms with the Links of a Variable Length. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2017;18(4):238-245. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.18.238-245

Views: 479


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)