Библиотека

⁠ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ ДЛЯ ВЕРХНИХ И НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Изобретение относится к медицине, а именно к промышленному экзоскелету для верхних и нижних конечностей. Экзоскелет включает каркас. Каркас является частью модуля крепления. Модуль крепления, силовой модуль и модуль переноски груза соединены между собой. Модуль крепления включает в себя присоединяемый к спине оператора с помощью ремней (2) спинной каркас (1). Силовой модуль включает в себя приводы (3), установленные на каркасе и кинематически связанные посредством передач (4) с гибкими связями с бедренными шарнирами (5). При этом модуль переноски груза включает в себя пространственный рычажный двухзвенный механизм. Один конец первого звена (12) связан с каркасом посредством шарнира, ось которого расположена в вертикальной плоскости, а второй конец связан с вторым звеном (13) посредством шарнира (14), ось которого расположена в горизонтальной плоскости. Второе звено шарнирно связано с манжетой (15), установленной на предплечье оператора. Рычажный механизм снабжен накопителем упругой энергии. Корпус (16) накопителя шарнирно связан с первым звеном рычажного механизма. Шток накопителя (17) шарнирно связан со вторым звеном рычажного механизма. Обеспечивается свободное движение кисти оператора, разгрузка гравитационных сил непосредственно на предплечье и локтевом суставе, дополнительное увеличение физических возможностей человека за счет совокупности технических элементов конструкции, применения пространственного рычажного механизма, шарнирных связей и связи звеньев рычажного механизма с помощью гравитационного компенсатора, а также возможность управления движением экзоскелета с учетом заданного закона движения центра масс и информации о силовом взаимодействии ноги человека и экзоскелета в соответствующих фазах движения. 1 ил.

ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ ПАССИВНОГО ТИПА

Experimental studies of a soft industrial exoskeleton in work-related activity for the evaluation of its operational efficiency

ПЕРЕПОДГОТОВКА КАДРОВ ДЛЯ ИНДУСТРИИ 4.0: МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭКЗОСКЕЛЕТА

Статья посвящена разработке методики обучения эффективного и безопасного использования промышленного экзоскелета для облегчения труда рабочих при выполнении такелажных и монтажных работ на производстве в условиях перехода к новому технологическому укладу Индустрии 4.0. Цель исследования заключается в создании уникальной методики обучения, включающей набор практико-ориентированных упражнений, позволяющих обучающимся специалистам получить первичные навыки эффективного и безопасного использования промышленного экзоскелета. Предлагаемая методика обучения основана на знаниях в области биомеханики физических упражнений, физиологических особенностях человеческого тела. Разработанный комплекс упражнений основан на анализе типовых технологических операций работников легкой и тяжелой промышленности, специалистов по ремонту и монтажу оборудования. В работе предлагается некоторый педагогический материал, включающий теоретические и практические разделы, при освоении которых у специалистов формируются новые компетенции, связанные с цифровизацией и автоматизацией производства, необходимые для эффективного и безопасного использования промышленного экзоскелета. Сформирована теоретически обоснованная методика обучения, которая прошла апробацию при обучении специалистов ведущих предприятий России.

SIMULATION OF STATIC WALKING IN AN EXOSKELETON

This article discusses aspects of the operators static walking in a human–machine exoskeletal system increasing the physical capabilities of a person. The development of BTWS models and algorithms, the control strategy implemented by the human–machine interface (HMI) and ensuring the human functionality expansion, is an urgent scientific and technical task. The most important element of BTWS, providing high precision control of the links of the exoskeleton system, is the HMI. In this article, BTWS is considered as a collection of elements, united by heterogeneous and multilevel types of links, as an integral object. The development of control algorithms for the BTWS exoskeleton, using a systematic approach, methods of decomposition, analysis and synthesis, the apparatus of the theory of automatic control and related modern methods of mathematical modeling, allows to explore a complex object as a whole. At the framework of this article, the following results are achieved. The mathematical model of a human exoskeleton during static walking is developed. A model of the system center of mass movement and also a model foot plane-parallel movement during walking on a horizontal rough surface has been developed, which ensures a stable vertical position during walking. Diagrams and trajectories of ankle joint and the center of mass movement during walking were built. The method for determining the force effect on the human–machine system at the interaction of the foot and lower leg is proposed.

MODELING OF THE EXOSKELETAL HUMAN-MACHINE SYSTEM MOVEMENT LIFTING A LOAD

The mechanization and automation are introduced in various industries for loading and unloading operations. However, the manual labor continues to be widespread in a number of industries. One of the ways to improve the quality of working conditions due to the transition from extreme to comfortable conditions is using of exoskeletons. The technological operations of lifting and transfer of goods implementation by a person can be considered in two aspects: from the point of view of the workload performed by a person with this type of work, and on the other hand, the functional stress of the body as an integral response to the load. The study of the human-machine system (HMS) elements interaction allows us to identify new opportunities for providing a cooperative solution to technological problems by obtaining the exoskeleton’s links movement given accuracy. The article is devoted to the HMS motion kinematic model development, as well as the determination of the dependence of the linear gravity compensator (LGC) length change on the magnitude of the exoskeleton’s back rotation angle for various geometric dimensions that determine the position of the LGC. The determination of this dependence allows us to construct an algorithm for the HMI, including the LGC functioning. For this, the vector method of mathematical modeling is used.

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭКЗОСКЕЛЕТАМИ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Монография посвящена разработке роботизированных промышленных экзоскелетов, которые существенно увеличивают силовые возможности человека, при этом уровень функционального напряжения организма снижается. Этот эффект достигается в том случае, когда оператор и экзоскелет образуют интегрированную человеко-машинную систему (ЧМС), эффективность работы которой, определяется степенью согласованности и синхронности движения элементов. Система, состоящая из оператора, экзоскелета и человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) в работе получила название биотехническая шагающая система (БТШС). Для создания таких систем, необходимо решить задачи, связанные с разработкой структуры, математических моделей и алгоритмов управления движением БТШС, которые в настоящий момент остаются не достаточно разработанными, что сдерживает развитие этих перспективных ЧМС. Поэтому, особое внимание авторы уделяют разработке структуры БТШС роботизированного типа и ее элементов в составе: оператор-ЧМИ — экзоскелет. Также разработаны модели управляющих факторов, обеспечивающих копирующий режим движения экзоскелета с учетом внешних возмущающих воздействий детерминированного и случайного типа. Монография будет полезна студентам и аспирантам, обучающимся по специальности «Мехатроника и робототехника».

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭКЗОСКЕЛЕТЫ: МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ

В монографии представлены результаты исследований, выполненных в рамках научных проектов Грант Президента «Изучение закономерностей движения исполнительных звеньев управляемых электроприводов промышленных экзоскелетных систем» МК-780.2020.8 и Грант РФФИ «Моделирование подъема груза человеком с использованием промышленного экзоскелета» №19-01-00540. Приводится комплексный анализ существующих конструкций экзоскелетных комплексов, рассматриваются типовые расчетные схемы и математические модели, описывающие функционирование промышленного экзоскелета в различных режимах. Рассматриваются особенности конструирования, изготовления, настройки и применения экзоскелетов. Предназначена инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами сервисной робототехники, а также студентам и аспирантам.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОПЕРАТОРА И ЭКЗОСКЕЛЕТА

В статье рассмотрена структура аппаратных средств человеко-машинного интерфейса промышленных экзоскелетов и соответствующие математические модели, позволяющие подобрать оптимальные параметры человеко-машинного интерфейса и разработать алгоритмы управления. Предложен четырехэтапный алгоритм планирования угла поворота спины оператора при выполнении операции по подъему груза на основании полиномов седьмого порядка. Выполнено моделирование движения системы человек–экзоскелет с акцентом на тазобедренный сустав и поясничный отдел позвоночника. Показано влияние параметров математической модели системы человек–экзоскелет и в том числе мышечной системы оператора на точность воспроизведения экзоскелетом движений оператора.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛИЗАЦИЕЙ ЭКЗОСКЕЛЕТА

Рассматривается экзоскелет нижних конечностей и решается задача повышения его энергоэффективности. Сформулирована задача нелинейной оптимизации. В качестве оптимизируемых параметров выступают коэффициенты регулятора системы управления экзоскелетом. Целевая функция выбрана так, чтобы оптимальный набор коэффициентов обеспечивал высокую точность работы системы управления и ее энергоэффективность. Описан численный метод решения задачи оптимизации и представлены результаты моделирования.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВСТАВАНИЯ ЭКЗОСКЕЛЕТА ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ СИДЯ

Рассматриваются вопросы моделирования процессов вставания экзоскелета из положения сидя. Описана математическая модель устройства, предложена схема системы автоматического управления, использующая ZMP-метод, приведены результаты математического моделирования. Показано, что предложенная система управления позволяет осуществить процесс вставания без падения из широкого диапазона начальных условий.

ЭКЗОСКЕЛЕТЫ: АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ, ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В монографии представлены результаты исследований, выполненных в рамках научного проекта Создание научно-исследовательской лаборатории современных методов и робототехнических систем для улучшения среды обитания человека № 14-39-00008 по научному приоритету «Комплексные научные исследования в целях улучшения среды обитания человека». Приводится комплексный анализ существующих конструкций механотерапевтических устройств, современных методов и средств, применяемых для лечения и реабилитации больных с повреждениями опорно-двигательного аппарата. При этом особое внимание уделено анализу конструкций экзоскелетов и устройств, повышающих мускульную силу человека и совершающих управляемые движения его конечностей в целях реабилитации и расширения функциональных возможностей. Предназначена инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами робототехники, а также студентам и аспирантам.