10.14489/hb.2020.09.pp.054-064

2020, 09 сентябрь (September)

DOI: 10.14489/hb.2020.09.pp.054-064

Борисов А. В., Волкова Ю. Е., Кончина Л. В., Маслова К. С.
ПАССИВНО-АКТИВНЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ СО ЗВЕНЬЯМИ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ И ПРУЖИННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДВУХ ТИПОВ
(c. 54-64)

Аннотация. Рассмотрена плоская модель пассивно-активного экзоскелета со звеньями переменной длины. Конструкция звена переменной длины, пригодная для реализации в робототехническом устройстве в виде пассивно-активного экзоскелета, следующая: на концах звена расположены два участка постоянной длины, имеющие массу, между ними находится участок переменной длины, считающийся невесомым. На невесомом участке располагается пружина растяжения–сжатия, обеспечивающая поддержание длины звена и рекуперацию энергии при движении человека в экзоскелете. В каждом шарнире установлена пружина кручения, обеспечивающая рекуперацию энергии при относительном вращательном движении звеньев. Применение предложенной модели в виде пассивно-активного экзоскелета с пружинными элементами позволит человеку снизить нагрузку на суставы, увеличить силу и выносливость вследствие рекуперации энергии, а также повысить комфортабельность и увеличить время непрерывного использования. Возможно использование предложенной модели в реабилитационном процессе для восстановления нарушенных функций опорно-двигательного аппарата человека.

Ключевые слова: пассивно-активный экзоскелет; звено переменной длины; пружины растяжения–сжатия; пружины кручения; рекуперация энергии; комфортабельность; дифференциальные уравнения движения.

Borisov A. V., Volkova Yu. E., Konchina L. V., Maslova K. S.
PASSIVE-ACTIVE EXOSKELET WITH VARIABLE LENGTH LINKS AND SPRING ELEMENTS OF TWO TYPES
(pp. 54-64)

Abstract. The article considers a flat model of a passively active exoskeleton with links of variable length. The construction of a variable-length link, suitable for implementation in a robotic device in the form of a passively active exoskeleton, is as follows: at the ends of the link there are two sections of constant length having mass, between them there is a section of variable length, considered weightless. On a weightless area is a tension-compression spring, which ensures the maintenance of the link length and energy recovery during the movement of a person in the exoskeleton. A torsion spring is installed in each hinge, which provides energy recovery with relative rotational movement of the links. The application of the proposed model in the form of a passively active exoskeleton with spring elements will allow a person to reduce the load on the joints and increase strength, endurance due to energy recovery, increase comfort and time of continuous use. It is possible to use the proposed model in the rehabilitation process to restore impaired functions of the human musculoskeletal system.

Keywords: Passive-active exoskeleton; Variable-length link; Tension-compression springs; Torsion springs; Energy recovery; Comfort; Differential equations of motion.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

А. В. Борисов, Ю. Е. Волкова, Л. В. Кончина, К. С. Маслова (Филиал ФГОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, Смоленск, Россия) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Eng

A. V. Borisov, Yu. E. Volkova, L. V. Konchina, K. S. Maslova (Branch of the National Research University Moscow Power Engineering Institute in Smolensk, Smolensk, Russia) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Динамика механических стержневых систем со звеньями переменной длины применительно к эндо-, экзоскелетам и антропоморфным роботам на плоскости и в пространстве // Справочник. Инженерный журнал с приложением. Приложение № 10, 11. 2019. С. 1 – 20.
2. Borisov A. V. Two-Dimensional and Three-Dimensional Models of Anthropomorphic Robot and Exoskeleton With Links of Variable Length // Proceedings of 24th Intern. Conf. MECHANIKA 2019, 17 May 2019, Kaunas University of Technology, Lithuania. Р. 26 – 39.
3. Пат. 2008138988, Kz, МПК А61Н 3/00. Устройство интенсивной нейрофизиологической реабилитации пациента путем формирования двигательных навыков ходьбы; заявл. 03.01.2013; опубл. 15.11.2013, Бюл. № 11.
4. Пат. 2489130, РФ, МПК A61H 3/00, A61F5/052. Простая конструкция компенсации веса человека при ходьбе и беге; заявл. 28.11.2011; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22. 13 с.
5. Пат. 2565101, МПК A61H 3/00. Экзоскелет с электропневматической системой управления; заявл. 09.12.2014; опубл. 20.05.2015, Бюл. № 29. 11 с.
6. Пат. 2567589, МПК A61H 3/00. Экзоскелет; заявл. 05.08.2014; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. 9 с.
7. Черноусько Ф. Л., Ананьевский И. М., Решмин С. А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.
8. Бербюк В. Е. Динамика и оптимизация робототехнических систем. Киев: Наукова Думка, 1989. 192 с.
9. Борисов А. В. Динамика механических стержневых систем со звеньями переменной длины применительно к эндо- и экзоскелетам: дисс. … д-ра физ.-мат. наук: 01.02.01. М., 2018. 257 с.
10. Борисов А. В. Динамика эндо- и экзоскелета: монография. Смоленск: Смоленская городская типография, 2012. 296 с.
11. Borisov A. V., Rozenblat G. M. Matrix Method of Constructing the Differential Equations of Motion of an Exoskeleton And its Control // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2017. V. 81. P. 351 – 359.
12. Борисов А. В. Эмпирический и теоретический подходы к управлению движением экзоскелета // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: физико-математические и технические науки. 2017. № 3. С. 33 – 47.
13. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Новые алгоритмы составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета с переменной длиной звеньев и управлением в шарнирах-суставах // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9, № 2. С. 201 – 210.
14. Borisov A. V., Rozenblat G. M. Modeling the Dynamics of an Exoskeleton with Control Torques in the Joints and a Variable Length of the Links Using the Recurrent Method for Constructing Differential Equations of Motion // ISSN 1064-2307, Journal of Computer and Systems Sc. Intern.. 2018. V. 57, Is. 2. Р. 319 – 347.

Eng

1. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2019). Dynamics of mechanical rod systems with links of variable length in relation to endo-, exoskeletons and anthropomorphic robots on the plane and in space. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem. Prilozhenie, (10, 11), pp. 1 – 20. [in Russian language]
2. Borisov A. V. (2019). Two-Dimensional and Three-Dimensional Models of Anthropomorphic Robot and Exoskeleton With Links of Variable Length. Proceedings of 24th International Conference MECHANIKA 2019, pp. 26 – 39. Lithuania: Kaunas University of Technology.
3. Device for intensive neurophysiological rehabilitation of a patient by developing motor skills of walking. (2013). KZ Patent No. 2008138988. [in Russian language]
4. Simple design to compensate for human weight when walking and running. (2013). Ru Patent No. 2489130. Russian Federation. [in Russian language]
5. Exoskeleton with electropneumatic control system. (2015). Patent No. 2565101. [in Russian language]
6. Exoskeleton. (2015). Patent No. 2567589. [in Russian language]
7. Chernous'ko F. L., Anan'evskiy I. M., Reshmin S. A. (2006). Control methods for nonlinear mechanical systems. Moscow: Fizmatlit. [in Russian language]
8. Berbyuk V. E. (1989). Dynamics and optimization of robotic systems. Kiev: Naukova Dumka. [in Russian language]
9. Borisov A. V. (2018). Dynamics of mechanical rod systems with links of variable length as applied to endo- and exoskeletons. Moscow. [in Russian language]
10. Borisov A. V. (2012). Dynamics of the endo- and exoskeleton: monograph. Smolensk: Smolenskaya gorodskaya tipografiya. [in Russian language]
11. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2017). Matrix Method of Constructing the Differential Equations of Motion of an Exoskeleton And its Control. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 81, pp. 351 – 359.
12. Borisov A. V. (2017). Empirical and theoretical approaches to controlling the movement of an exoskeleton. Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Seriya: fiziko-matematicheskie i tekhnicheskie nauki, (3), pp. 33 – 47. [in Russian language]
13. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2017). New algorithms for drawing up differential equations of motion of an exoskeleton with variable link length and control in hinges-joints. Komp'yuternye issledovaniya i modelirovanie, Vol. 9, (2), pp. 201 – 210. [in Russian language]
14. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2018). Modeling the Dynamics of an Exoskeleton with Control Torques in the Joints and a Variable Length of the Links Using the Recurrent Method for Constructing Differential Equations of Motion. ISSN 1064-2307. Journal of Computer and System Sciences International, Vol. 57, (2), pp. 319 – 347.

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

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.2018.01.pp.003-012

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

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.2018.01.pp.003-012

and fill out the form