|
DOI: 10.14489/hb.supp.2019.10.pp.001-020
А. В. Борисов, Г. М. Розенблат
ДИНАМИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ СО ЗВЕНЬЯМИ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНОК ЭНДО-, ЭКЗОСКЕЛЕТАМ И АНТРОПОМОРФНЫМ РОБОТАМ НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ
(c. 1-20)
Аннотация. Разрабатываются модели звеньев экзоселета и опорно-двигательного аппарата человека переменной длины, которые могут быть применены и к созданию антропоморфного робота. Впервые вводится понятие звена переменной длины в рамках теоретической механики, отличное от моделей теории упругости. Предложены модели звеньев переменной длины применительно к моделированию механических свойств опорно-двигательного аппарата человека и созданию экзоскелета или антропоморфного робота. Проведен численный пример управления экзоскелетом на плоскости и в пространстве.
Ключевые слова: опорно-двигательный аппарат человека; антропоморфный робот; экзоскелет; усиление физических возможностей; двухмерный механизм; трехмерный механизм; звено переменной длины; управление; система дифференциальных уравнений движения; обобщения; матричный метод; рекуррентный алгоритм; численное исследование.
A. V. Borisov, G. M. Rozenblat
DYNAMICS OF MECHANICAL RODS SYSTEMS WITH VARIABLE LENGTH LINKS APPLICABLE TO ENDO-, EXOSKELETS AND ANTHROPOMORPHIC ROBOTS ON 2D-SPACE AND 3D-SPACE
(pp. 1-20)
Abstract. The article develops models of exoselet links and a human musculoskeletal system of variable length, which can be applied to the creation of an anthropomorphic robot. The novelty of this study lies in the fact that it is the first comprehensive study of the mechanics of the musculoskeletal system of a person, an exoskeleton designed to create a man-machine system jointly functioning and modeling a person in the exoskeleton. On the basis of the existing models of exoskeletons and studying the properties of the endoskeleton, problems that prevent comfortable operation of exoskeletons were discovered for the first time: the absence of changes in the length of the links when walking and the lack of synchronization when a person moves in the exoskeleton.For the first time, the concept of a link of variable length is introduced within the framework of theoretical mechanics, different from the models of the theory of elasticity. Models of links of variable length are proposed for modeling the mechanical properties of the human musculoskeletal system and the creation of an exoskeleton or an anthropomorphic robot. In the developed model, changing the link length is an additional control in the mechanism along with changing the angles between the links, which is new in modeling anthropomorphic systems and distinguishes this work from the existing ones. To implement the models under consideration with a large number of links, effective high-speed methods have been developed for constructing differential equations of motion, which is especially needed for three-dimensional models. A numerical example of exoskeleton control on a plane and in space has been carried out.
Keywords: Human musculoskeletal system; Anthropomorphic robot; Exskeleton; Physical capacity enhancement; Two-dimensional mechanism; Three-dimensional mechanism; Variable length link; Control; System of differential equations of motion; Generalizations; Matrix method; Recurrent algorithm; Numerical research.
А. В. Борисов (Филиал ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ», Смоленск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
Г. М. Розенблат (Московский автомобильно-дорожный институт, Москва, Россия)
A. V. Borisov (The Branch of National Research University “Moscow Power Engineering Institute”) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
G. M. Rozenblat (Smolensk, Russia, 2Moscow Automobile and Road Construction State Technical University, Moscow, Russia)
1. A Robotic Exoskeleton for Overground Gait Rehabilitation / M. Bortole, A. del Ama, E. Rocon, J. C. Moreno, F. Brunetti, J. L. Pons // Proceedings of the IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation (ICRA '13), May 2013. 2013. P. 3356 – 3361.
2. Miranda A. B. W., Yasutomi A. Y., Souit C., Forner-Cordero A. Bioinspired Mechanical Design of an Upper Limb Exoskeleton for Rehabilitation and Motor Control Assessment // Proceedings of the 4th IEEE RAS & EMBS Intern. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob '12), June 2012. 2012. P. 1776 – 1781.
3. Hassan M., Kadone H., Suzuki K., Sankai Y. Exoskeleton Robot Control Based on Cane and Body Joint Synergies // Proceedings of the 25th IEEE/RSJ Intern. Conf. on Robotics and Intelligent Systems (IROS '12), October 2012. P. 1609 – 1614.
4. Exoskeleton: Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory [Электронный ресурс]. URL: http:// bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/ (дата обращения: 15.06.2018)
5. EksoBionics [Электронный ресурс]. URL: http:// www.eksobionics.com (дата обращения: 15.06.2018)
6. Lokomat – Hocoma [Электронный сайт]. URL: https://www.hocoma.com/solutions/lokomat/ (дата обращения: 17.08.2018)
7. Honda, Honda Walking Assist [Электронный ресурс]. URL: https://www.honda.com/mobility/walking-assist-technology (дата обращения: 07.05.2018)
8. Indego, Indego–Powering People Forward [Электронный ресурс]. URL: http://www.indego.com/indego/ en/home (дата обращения: 07.05.2018)
9. ReWalk [Электронный ресурс]. URL: http:// www.rewalk.com/ (дата обращения: 12.08.2018)
10. Rex Bionics. Step into the Future [Электронный ресурс]. URL: http://www.rexbionics.com/ (дата обращения: 15.06.2018)
11. Погорелов Д. Ю. Современные алгоритмы компьютерного синтеза уравнений движения систем тел // Теория и системы управления (Известия АН). 2005. № 4. С. 5 – 15.
12. Биомехатронный комплекс нейрореабилитации – концепция, конструкция, модели и управление / В. Е. Павловский и др. // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2014. № 111. 19 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint. asp?id=2014-111 (дата обращения: 07.05.2018)
13. Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных / А. П. Алисейчик, И. А. Орлов, В. Е. Павловский, В. В. Павловский, А. К. Платонов // ХI Всерос. съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: аннотации докладов. (Казань, 20 – 24 августа 2015 г.). Казань: Изд-во Академии наук РТ, 2015. С. 319.
14. Формальский А. М. Об одном способе управления экзоскелетоном // Ломоносовские чтения: тезисы докладов науч. конф. (16 – 25 апреля 2012, Москва, МГУ имени М. В. Ломоносова). М.: Изд-во Московского ун-та, 2012. С. 151–152.
15. Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. М.: Наука, 1982. 368 с.
16. Белецкий В. В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.
17. Бербюк В. Е. Динамика и оптимизация робото-технических систем. Киев: Наукова Думка, 1989. 192 с.
18. Голубев Ю. Ф., Погорелов Д. Ю. Компьютерное моделирование шагающих роботов // Фундаментальная и прикладная математика. 1998. Т. 4, № 2. С. 525 – 534.
19. Голубев Ю. Ф. Функция Аппеля в динамике систем твердых тел // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2014. № 58. 16 с. URL: http://library.keldysh.ru/ preprint.asp?id=2014-58
20. Черноусько Ф. Л., Болотник Н. Н. Локомоция многозвенных систем на плоскости: динамика, управление, оптимизация. М.: Изд-во ИПМех РАН (Препринт № 1128), 2016. 154 с.
21. Черноусько Ф. Л., Ананьевский И. М., Решмин С. А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.
22. Решмин С. А. Синтез управления в нелинейных механических системах: дис. … д-ра физ. мат. наук: 01.02.01. М., 2010. 240 с.
23. Мухарлямов Р. Г. Дифференциально-алгебраические уравнения программных движений лагранжевых динамических систем // Известия РАН. МТТ. 2011. № 4. С. 50 – 61.
24. Мухарлямов Р. Г. Стабилизация движений механических систем на заданных многообразиях фазового пространства // ПММ. 2006. Т. 70, № 2. С. 236 – 249.
25. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Автоматизация разработки экзоскелетов и антропоморфных роботов с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018. № 1. С. 25 – 31.
26. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Матричный метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета и управление им // Прикладная математика и механика. 2017. Т. 81, № 5. С. 511 – 522.
27. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Моделирование динамики экзоскелета с управляемыми моментами в суставах и переменной длиной звеньев с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Известия РАН. Теория системы управления. 2018. № 2. С. 148 – 174.
28. ANSUS [Электронный ресурс]. URL: http://www. ansys.com/ (дата обращения: 03.04.2018)
29. Журавков М. А., Громыко О. В., Царева А. А. Использование пакетов ANSYS WORKBENCH, ADAMS, VISUAL NASTRAN и Pro/Engineer для исследования механики роботов // Информатизация образования. Минск: БГУ, 2010. С. 209 – 214.
30. Universal Mechanism [Электронный сайт]. URL: http://www.umlab.ru/ (дата обращения: 06.09.2018)
31. OpenModelica [Электронный сайт]. URL: https:// openmodelica.org/ (дата обращения: 06.09.2018)
32. Piña-Martínez E. Inverse Modeling of Human Knee Joint Based on Geometry and Vision Systems for Exoskeleton Applications / Eduardo Piña-Martínez, Ernesto Rodriguez-Leal // Mathematical Problems in Engineering [Электронный журнал]. 2015. V. 2015, Article ID 145734. 14 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/145734. URL: http:// www.hindawi.com/journals/mpe/2015/145734/ (дата обращения: 14.06.2018)
1. Bortole M., A. del Ama, Rocon E., Moreno J. C., Brunetti F., Pons J. L. (2013). A Robotic Exoskeleton for Overground Gait Rehabilitation. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA '13), pp. 3356 – 3361.
2. Miranda A. B. W., Yasutomi A. Y., Souit C., Forner-Cordero A. (2012). Bioinspired Mechanical Design of an Upper Limb Exoskeleton for Rehabilitation and Motor Control Assessment. Proceedings of the 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob '12), pp. 1776 – 1781.
3. Hassan M., Kadone H., Suzuki K., Sankai Y. (2012). Exoskeleton Robot Control Based on Cane and Body Joint Synergies. Proceedings of the 25th IEEE/RSJ International Conference on Robotics and Intelligent Systems (IROS '12), pp. 1609 – 1614.
4. Exoskeleton: Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory. Available at: http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/ (Accessed: 15.06.2018)
5. EksoBionics. Available at: http:// www.eksobionics.com (Accessed: 15.06.2018)
6. Lokomat – Hocoma. Available at: https://www.hocoma.com/solutions/lokomat/ (Accessed: 17.08.2018)
7. Honda, Honda Walking. Available at: https://www.honda.com/mobility/walking-assist-technology (Accessed: 07.05.2018)
8. Indego, Indego–Powering People Forward. Available at: http://www.indego.com/indego/ en/home (Accessed: 07.05.2018)
9. ReWalk. Available at: http:// www.rewalk.com/ (Accessed: 12.08.2018)
10. Rex Bionics. Step into the Future. Available at: http://www.rexbionics.com/ (Accessed: 15.06.2018)
11. Pogorelov D. Yu. (2005). Modern algorithms for computer synthesis of motion equations of the bodies systems. Teoriya i sistemy upravleniya (Izvestiya AN), (4), pp. 5 – 15. [in Russian language]
12. Pavlovskiy V. E. et al. (2014). Biomechatronic neurorehabilitation complex - concept, design, models and management. Preprints of IPM im. M. V. Keldysha, 111. Available at: http://library.keldysh.ru/preprint. asp?id=2014-111 (Accessed: 07.05.2018) [in Russian language]
13. Aliseychik A. P., Orlov I. A., Pavlovskiy V. E., Pavlovskiy V. V., Platonov A. K. (2015). Mechanics and control of exoskeletons of the lower extremities for neurorehabilitation of spinal patients. XI All-Russian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics: annotations of reports. Kazan': Izdatel'stvo Akademii nauk RT. [in Russian language]
14. Formal'skiy A. M. (2012). About one way to control exoskeleton. Lomonosov readings: abstracts of scientific conference reports, pp. 151–152. Moscow: Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta. [in Russian language]
15. Formal'skiy A. M. (1982). The movement of anthropomorphic mechanisms. Moscow: Nauka. [in Russian language]
16. Beletskiy V. V. (1984). Twolegged walking: model tasks of dynamics and control. Moscow: Nauka. [in Russian language]
17. Berbyuk V. E. (1989). Dynamics and optimization of robotic systems. Kiev: Naukova Dumka. [in Russian language]
18. Golubev Yu. F., Pogorelov D. Yu. (1998). Computer simulation of walking robots. Fundamental'naya i prikladnaya matematika, Vol. 4, (2), pp. 525 – 534. [in Russian language]
19. Golubev Yu. F. (2014). Appel function in the dynamics of solids. Preprints of IPM im. M. V. Keldysha, 58. Available at: http://library.keldysh.ru/ preprint.asp?id=2014-58 [in Russian language]
20. Chernous'ko F. L., Bolotnik N. N. (2016). Locomotion of multilink systems on the plane: dynamics, control, optimization. Moscow: Izdatel'stvo IPMekh RAN (Preprint No. 1128). [in Russian language]
21. Chernous'ko F. L., Anan'evskiy I. M., Reshmin S. A. (2006). Control methods for nonlinear mechanical systems. Moscow: Fizmatlit. [in Russian language]
22. Reshmin S. A. (2010). Control synthesis in nonlinear mechanical systems. Moscow. [in Russian language]
23. Muharlyamov R. G. (2011). Differential-algebraic equations of programmed motions of Lagrangian dynamical systems. Izvestiya RAN. MTT, (4), pp. 50 – 61. [in Russian language]
24. Muharlyamov R. G. (2006). Stabilization of the movements of mechanical systems on given manifolds of phase space. PMM, 70(2), pp. 236 – 249. [in Russian language]
25. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2018). Automation of the development of exoskeletons and anthropomorphic robots using the recurrent method of composing differential equations of motion. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal, (1), pp. 25 – 31. [in Russian language] DOI: 10.14489/hb.2018.01.pp.025-031
26. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2017). The matrix method of compiling the differential equations of motion of the exoskeleton and its control. Prikladnaya matematika i mekhanika, 81(5), pp. 511 – 522. [in Russian language]
27. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2018). Modeling the dynamics of exoskeleton with controlled moments in joints and a variable length of links using the recurrent method of composing differential equations of motion. Izvestiya RAN. Teoriya sistemy upravleniya, (2), pp. 148 – 174. [in Russian language]
28. ANSUS. Available at: http://www.ansys.com/ (Accessed: 03.04.2018) [in Russian language]
29. Zhuravkov M. A., Gromyko O. V., Tsareva A. A. (2010). Using ANSYS WORKBENCH, ADAMS, VISUAL NASTRAN and Pro / Engineer packages to study the mechanics of robots. Education Informatization, pp. 209 – 214. Minsk: BGU. [in Russian language]
30. Universal Mechanism. Available at: http://www.umlab.ru/ (Accessed: 06.09.2018)
31. OpenModelica. Available at: https://openmodelica.org/ (Accessed: 06.09.2018)
32. Piña-Martínez E., Rodriguez-Leal E. (2015). In-verse Modeling of Human Knee Joint Based on Geometry and Vision Systems for Exoskeleton Applications. Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2015, Article ID 145734. DOI: 10.1155/2015/145734. Available at: http:// www.hindawi.com/journals/mpe/2015/145734/ (Accessed: 14.06.2018)
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 350 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/hb.supp.2019.10.pp.001-020
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 350 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/hb.supp.2019.10.pp.001-020
and fill out the form
.
|
Архив номеров
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»