НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o278.pdf (1463.72Кб)

УДК 621.865.8

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Показана высокая актуальность исследований, направленных на создание роботизированных экзоскелетов. Определены некоторые проблемы, сопутствующие процессу их разработки, в числе которых отсутствие источника питания, обеспечивающего достаточную автономность, и трудности управления комплексом человек-машина. Проведён обзор литературы, посвящённой вопросам разработки шагающих роботов с древовидной кинематической структурой. Настоящая работа отражает продолжение исследований, проводимых в настоящее время авторами, и в значительной мере опирается на результаты предыдущих работ, посвящённых данной тематике.
Записано уравнение динамики экзоскелета с учётом воздействия внешних сил и моментов, а также внешних наложенных связей. По разработанной в программном комплексе SolidWorks модели экзоскелета нижних конечностей найдены массо-инерционные характеристики звеньев исполнительного механизма. Проведён анализ различных типовых движений, совершаемых за счёт гармонического изменения обобщённых координат в степенях подвижности экзоскелета, оснащённых электрогидравлическими приводами. Найдены законы изменения обобщённых координат во времени, соответствующие наименее благоприятным случаям нагружения. Определены все необходимые исходные данные для решения уравнения динамики экзоскелета.
В результате моделирования уравнения динамики были получены численные значения всех компонентов уравнения динамики. При этом грузоподъёмность исполнительного механизма экзоскелета принималась равной 50 кг. Построены графики изменения моментов и мощностей в степенях подвижности исполнительного механизма от времени, а также график суммарной мощности всех приводов, как без учёта, так и с учётом реакций опорной поверхности. Полученные зависимости являются исходными данными для расчёта системы приводов.
Предложенный метод определения энергетических параметров экзоскелета позволяет разработчику оперативно оценивать различные варианты конструкции исполнительного механизма в соответствии с выбранными критериями. В качестве основного оценочного критерия предлагается выбрать минимальную затрачиваемую мощность, что, при прочих равных, обеспечивает максимальную автономность проектируемому экзоскелету.

1. Vukobratovic M. Active exoskeletal systems and beginning of the development of humanoid robotics // In: Monograph of ANS: Academy of Nonlinear Sciences. Advances in Nonlinear Sciences II – Sciences and Applications. Vol. 2. Belgrade, 2008. P. 329-348.
2. Hanlon M. Raytheon XOS 2: second generation exoskeleton. Second-Generation Robotics Suit, United States of America // Gizmag: website. Режим доступа:www.gizmag.com/raytheon-significantly-progresses-exoskeleton-design/16479 (дата обращения 20.10.2014).
3. Kazerooni H., Steger R. The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton // ASME Journal of Dynamics Systems, Measurements, and Control. 2005. Vol. 128, is. 1. P. 14-25. DOI: 10.1115/1.2168164
4. Kazerooni H., Steger R., Huang L. Hybrid Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) // The International Journal of Robotics Research. 2006. Vol. 25, no. 5-6. P. 561-573. DOI: 10.1177/0278364906065505
5. Sankai Y. HAL: Hybrid Assistive Limb based on Cybernics // Sankai Laboratory. Cybernics Group : website . Режим доступа:http :// sanlab . kz . tsukuba . ac . jp / sonota / ISSR _ Sankai . pdf (дата обращения 20.10.14).
6. Raade J.M., Amundson K.R., Kazerooni H. Development of Hydraulic-Electric Power Units for Mobile Robots // Proceedings of IMECE 2005. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (5-11 November, 2005, Orlando, Florida USA). ASME, 2005. Paper no. IMECE2005-80138. P. 27-34. DOI: 10.1115/IMECE2005-80138
7. Raade J.M., Kazerooni H., McGee T.G. Analysis and Design of a Novel Power Supply for Mobile Robots // Proceedings of IEEE 2004. International Conference on Robotics & Automation (April, 2005, New Orleans, LA USA).Vol. 5. IEEE Publ., 2004. P. 4911-4917. DOI: 10.1109/ROBOT.2004.1302496
8. Barth E.J, Riofrio J.A. Design of a Free Piston Pneumatic Compressor as a Mobile Robot Power Supply // Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation (18-22 April, 2005, Barcelona, Spain). IEEE Publ., 2005. P. 235-240. DOI:10.1109/ROBOT.2005.1570125
9. Riofrio J.A., Barth E.J. A Free Piston Compressor as a Pneumatic Mobile Robot Power Supply: Design, Characterization and Experimental Operation // International Journal of Fluid Power. 2007. Vol. 8, no. 1. P. 17-28.
10. Amundson K.R., Raade J.M., Harding N., Kazerooni H. Hybrid Hydraulic-Electric Power Unit for Field and Service Robots // 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (2-6 August, 2005, Shaw Convention Center, Edmonton, AB, Canada). IEEE Publ ., 2005. P . 3453-3458. DOI :10.1109/IROS.2005.1545452
11. Воробьев Е.И., Скворчевский А.К., Сергеев А.М. Проблемы создания алгоритмов управления антропоморфными биопротезами рук и ног // Медицина и высокие технологии. 2012. № 1. С. 7-12.
12. Скворчевский А.К., Воробьев Е.И., Скворчевский К.А. Концепция развития технических средств реабилитации (ТСР) людей с ограниченными физическими возможностями на основе антропоморфных биопротезов рук // Медицина и высокие технологии. 2012. № 2. С. 7-22.
13. Скворчевский А.К., Воробьев Е.И., Скворчевский К.А., Сергеев А.М., Акентьев А.А., Ковалев Н.С. Технические средства реабилитации (ТСР) на основе антропоморфных биопротезов рук и ног // Информатизация и связь. 2013. № 4. С. 43-58.
14. Верейкин А.А. Расчёт исполнительных гидроцилиндров экзоскелета // Молодёжный научно-технический вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2013. № 5. Режим доступа:http://sntbul.bmstu.ru/doc/569290.html (дата обращения 20.10.2014).
15. Лавровский Э.К., Письменная Е.В. О регулярной ходьбе экзоскелетона нижних конечностей при дефиците управляющих воздействий // Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18, № 2. С. 208-225.
16. Ковальчук А.К., Семенов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Д.Б., Верейкин А.А., Яроц В.В. Выбор кинематической структуры и исследование динамики древовидного исполнительного механизма робота-треножника // Инженерный вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 10. Режим доступа:http://engbul.bmstu.ru/doc/654481.html (дата обращения (20.10.2014).
17. Ковальчук А.К., Верейкин А.А., Каргинов Л.А., Цепкова А.А. Проектирование и расчёт мощности приводов медицинского робота с учётом динамики его исполнительного механизма // XII Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» (25.02.2014): матер. М.: "Спутник +", 2014. С. 28-41.
18. Ковальчук А.К., Ромашко А.М., Верейкин А.А., Каргинов Л.А., Малякина Е.А., Статива В.А. Кинематический и динамический анализ исполнительного механизма шестиногого шагающего робота // XIV Международная научно-практическая конференция “Современное состояние естественных и технических наук” (14.03.2014): матер. М.: "Спутник +", 2014. С. 60-79.
19. Ковальчук А.К. Выбор кинематической структуры и исследование древовидного исполнительного механизма робота-собаки // Известия вузов. Машиностроение. 2011. № 8. С. 65-73.
20. Ковальчук А.К. Проектирование и исследование динамики древовидного исполнительного механизма шестиногого шагающего робота // Естественные и технические науки. 2014. № 4 (72). С. 104-110.
21. Kovalchuk A.K. Designing drives of a medical robot actuator // Life Science Journal. 2014. № 11 (11s). P. 337-340.
22. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Синтез кинематической схемы исполнительного механизма экзоскелета // XIII Международная научно-практическая конференция “Актуальные вопросы науки” (25.04.2014): матер. М.: “Спутник +”, 2014. С. 68-76.
23. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Анализ и выбор кинематической структуры исполнительного механизма экзоскелета // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2014. № 7. С. 72-93. DOI :10.7463/0714.0717676
24. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Динамика исполнительного механизма экзоскелета // XIII Международная научно-практическая конференция “Техника и технология: новые перспективы развития” (26.05.2014): матер. М.: “Спутник +”, 2014. C . 5-16.
25. Ковальчук А.К. Метод синтеза древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Естественные и технические науки. 2014. № 3 (71). С. 127-130.
26. Denavit J., Hartenberg R.S. A kinematic notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices // J. Appl. Mech . 1955. Vol . 77. P . 215-221.
27. Ковальчук А.К., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов. М.: Изд-во Рудомино, 2010. 170 с.
28. Ковальчук А.К. Метод математического описания кинематики и динамики древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Естественные и технические науки. 2014. № 5 (73). С. 87-90.
29. Ковальчук А.К., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В., Верейкин А.А. Моделирование древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов с учётом внешних наложенных связей: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2014612547 от 28.02.2014.
30. Ковальчук А.К., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В. Программа моделирования древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2012610398. 10.01.2012.
31. Алексеев В.Е., Таланов В.А. Графы и алгоритмы. Структуры данных. Модели вычислений. М.: Изд-во Бином, 2006. 319 с.