Проблемы, возникающие при моделировании опорно-двигательного аппарата человека стрежневыми механическими и электромеханическими системами

На основе произведенного статистического анализа публикаций и патентов, расположенных в базе РИНЦ, по ключевым словам, «экзоскелет», «антропоморфный робот», «бионический протез» установлен интерес к теме исследования, выраженный в значительном росте публикаций в последние годы. Выявлено, что большинство моделей используют абсолютно твердые звенья в виде стержней.
ЦЕЛЬ. Выявление и исследование проблем, возникающих при моделировании робототехнических систем антропоморфного типа.
МЕТОДЫ. Использованы методы математического моделирования, анализа, сравнения с биологическим прототипом, робототехники, теоретической механики, электромеханики.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрена проблема точности моделирования стержневыми робототехническими системами с абсолютно твердыми звеньями, звена опорно-двигательного аппарата человека. Вычислена относительная погрешность точности аппроксимации стержнями конечности человека, сделан вывод о существенной погрешности при моделировании звеньев. Рассмотрена проблема оценки влияния вращающегося ротора электродвигателя на модель механизма. Далее рассматривается модель с учетом вращающегося ротора и редуктора. Установлено, что при моделировании стержнями антропоморфных механизмов, возникает проблема необходимости учета динамики приводов. Предложена электромеханическая модель звена с двигателем постоянного тока. Установлен значительный рост затрат энергии при движении звена, в сравнении с моделью идеального шарнира, в котором создается требуемый управляющий момент, что представляет проблему. Предлагается частичное решение выявленных проблем с помощью модели звена переменной длины, содержащего три участка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Исследование позволило выявить проблемы, возникающие при моделировании опорно-двигательного аппарата человека стержневыми робототехническими электромеханическими системами с абсолютно твердыми звеньями.

1. Borisov A.V., Kaspirovich I.E., Mukharlyamov R.G. On Mathematical Modeling of the Dynamics of Multilink Systems and Exoskeletons // (2021) Journal of Computer and Systems Sciences International, 60 (5), pp. 827-841. https://link.springer.com/article/10.1134/S106423072104002X

2. Tsukahara A., Hasegawa Y., Eguchi K., Sankai Y. Restoration of gait for spinal cord injury patients using HAL with intention estimator for preferable swing speed // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2015. V. 23, №. 2. P. 308-318.

3. Павловский В.Е. Биомехатронный комплекс нейрореабилитации - концепция, конструкция, модели и управление // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2014. №11. 19 с.

4. Блинов А.О., Борисов А.В., Борисова В.Л., Гончаров М.В., Гончарова И.А., Кончина Л.В., Куликова М.Г., Маслова К.С., Новикова М.А. Механика экзоскелета. Монография. Смоленск: Универсум . 2021. 220 с.

5. Proud J.K., Lai D.T.H., Mudie K.L., Carstairs G.L., Billing D.C., Garofolini A., Begg R.K. Exoskeleton Application to Military Manual Handling Tasks. Hum Factors. 2020 Nov 18:18720820957467. doi: 10.1177/0018720820957467. Epub ahead of print. PMID: 33203237.

6. Borisov A.V., Borisova V.L., Konchina L.V., Kulikova M.G., Maslova K.S. Application of active exoskeletons with touch sensing, electric drives, energy recuperators and gravity compensators in agricultural technologies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, V. 699 012019 doi:10.1088/1755-1315/699/1/012019.

7. Toshitake Araie, Tomozumi Ikeda, Uichi Nishizawa, Akira Kakimoto, Shigeki Toyama Mechanism evaluation of agricultural power assist suit under development // Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 8, 2016, p. 328-333. https://www.jvejournals.com/article/17391

8. Борисов А.В., Чигарев А.В. Статистическое моделирование неточности и неповторяемости позы человека при ходьбе с использованием конфигурационной энтропии. // Математическое моделирование в области клеточной биологии, биохимии и биофизики: материалы научно-практической internet-конференции. 25-26 ноября 2014 г. Ульяновск: SIMJET. ноябрь 2014. С. 152-158.

9. Борисов А.В., Волкова Ю.Е. Оценка точности движений при изменении количества звеньев экзоскелета и антропоморфного робота. // Естественные и технические науки. 2015. № 10(88). С. 23-26.

10. Борисов А.В., Буренин А.А., Поленов В.С., Чигарев А.В. Детерминированные и стохастические модели неоднородных сред в механике твердых тел. Монография. Под. ред. профессора Чигарева А. В. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2020. 648 с.

11. Крон Г. Исследование сложных систем по частям (диакоптика). М.: Наука, 1972. 544 с.

12. Микулик Н.А. Динамические системы с реактивными звеньями. Минск: Высшая школа. 1985. 112 с.

13. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. ч.4. Динамика. Москва: Высшая школа. 1966. 411 с.

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

15. Борисов А. В. Моделирование опорно-двигательного аппарата человека и применение полученных результатов для разработки модели антропоморфного робота: монография. Москва: Спутник +. 2009. 212 с.

16. Колюбин С.А. Динамика робототехнических систем. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 117 с.

17. Львович А.Ю. Основы теории электромеханических систем. Под ред. Н.Н. Поляхова Л. Издательство Ленинградского университета, 1973. 196 с.

18. Сирегар Х.П. Энергетические затраты при ходьбе антропоморфных роботов. Дисс. канд. технич. наук., М. 2003. 134 с.

19. Белов М.П., Чыонг Д.Д., Лань Н.В. Разработка математической модели и управление методом разделения закона управления для экзоскелета // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» № 1/2020. С. 71-77. https://izv.etu.ru/assets/files/izvestiya-1_2020_p071-077.pdf

20. Варков А.А. Разработка и исследование системы управления манипуляционным промышленным роботом на базе контроллера движения. Дисс. канд. технич. наук., Иваново. 2015. 133 с.

21. Blinov A., Borisov A., Konchina L., Kulikova M., Maslova K. Simulation of the movement of the supporting leg of an exoskeleton with two links of variable length in 3D. // Prikladnaya informatika=Journal of Applied Informatics, 2021, vol.16, no.4, pp.122-134. DOI: 10.37791/2687-0649-2021-16-4-122-134

22. Blinov A., Borisov A., Konchina L., Novikova M. Applying the models of magnetorheological substances in the study of exoskeleton variable-length link with adjustable stiffness // Prikladnaya informatika=Journal of Applied Informatics, 2022, vol.98, no.2, pp. 133-142. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2-133-142

23. Borisov A.V., Chigarev A.V. Mathematical Models of Exoskeleton. Dynamics, Strength, Control. Monograph. Springer, 2022, 232 р. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-97733-7

24. Blinov A., Borisov A., Filippenkov K., Konchina L., Maslova K. Modeling the dynamics of an exoskeleton link of variable length using the Lagrange – Maxwell system of differential equations of motion // Prikladnaya informatika=Journal of Applied Informatics, 2022, vol.99, no.3, pp. 117-130. doi: 10.37791/2687-0649-2022-17-3-117-130