10.14489/hb.2022.02.pp.029-034

2022, 02 февраль (February)

DOI: 10.14489/hb.2022.02.pp.029-034

Блинов А. О., Борисов А. В., Борисова В. Л., Волкова Ю. Е., Кончина Л. В., Маслаков О. В.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯХ ДВУХ ЗВЕНЬЕВ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ ОПОРНОЙ НОГИ ЭКЗОСКЕЛЕТА
(с. 29-34)

Аннотация. Рассматривается пространственная модель двух звеньев переменной длины активного экзоскелета, моделирующих опорную ногу. Звено переменной длины имеет следующую конструкцию. Два участка постоянной длины расположены на концах звена. Предполагается, что они имеют массу. Между ними в окрестности центра звена находится участок переменной длины. Предполагается, что он невесомый. На невесомом участке располагается привод, обеспечивающий управляемое изменение длины звена при движении человека в экзоскелете. В каждом шарнире установлены приводы, обеспечивающие необходимые повороты при относительном вращательном движении звеньев. Отличие предложенной модели от ранее изученных заключается в использовании углов между звеньями, что соответствует реальной работе электрических приводов. Траектории движения звеньев задаются кинематически. Определяются управляющие силы в модели из составленной системы дифференциальных уравнений движения. Проводится подсчет затрат энергии за время одноопорной фазы движения для одного шага. Предложенная модель в виде двух звеньев переменной длины активного экзоскелета может найти применение при подборе аккумулятора для автономной работы экзоскелета.

Ключевые слова: активный экзоскелет; звено переменной длины; углы между звеньями; дифференциальные уравнения движения; управление, сила; момент силы; привод.

Blinov A. O., Borisov A. V., Borisova V. L., Volkova Yu. E., Konchina L. V., Maslakov O. V.
ENERGY COSTS WHEN MOVING TWO LINKS OF VARIABLE LENGTH OF THE SUPPORTING LEG OF THE EXOSKELETON
(pp. 29-34)

Abstract. The article discusses a spatial model of two links of variable length of an active exoskeleton that simulate a supporting leg. The variable length link has the following construction. Two sections of constant length are located at the ends of the link. They are assumed to have mass. Between them, in the vicinity of the center of the link, there is a section of variable length. It is assumed to be weightless. On a weightless section, there is a drive that provides a controlled change in the length of the link when a person moves in an exoskeleton. Drives are installed in each hinge, providing the necessary turns with the relative rotational movement of the links. The difference between the proposed model and the previously studied ones lies in the use of the angles between the links, which corresponds to the real operation of electric drives. The paths of the links are set kinematically. The control forces are determined in the model from the compiled system of differential equations of motion. The calculation of energy consumption during the single-support phase of movement for one step is carried out. The application of the proposed model in the form of two links of variable length of the active exoskeleton can be found when selecting a battery for the autonomous operation of the exoskeleton.

Keywords: Active exoskeleton; Variable-length link; Angles between links; Differential equations of motion; Control; Force; Moment of force; Drive.

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

Рус

А. О. Блинов, А. В. Борисов, В. Л. Борисова, Ю. Е. Волкова, Л. В. Кончина, О. В. Маслаков (Филиал ФГОУ ВО «НИУ «МЭИ», Смоленск, Россия) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Eng

A. O. Blinov, A. V. Borisov, V. L. Borisova, Yu. E. Volkova, L. V. Konchina, O. V. Maslakov (Branch of the Moscow Energy Institute, 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. Автоматизация разработки экзоскелетов и антропоморфных роботов с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018. № 1. С. 25 – 31.
2. 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. 2019. № 10. 20 с.
3. 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. 2019. № 11. 20 с.
4. Борисов А. В., Волкова Ю. Е., Кончина Л. В., Маслова К. С. Пассивно-активный экзоскелет со звеньями переменной длины и пружинными элементами двух типов // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2020. № 9. С. 54 – 64. DOI 10.14489/hb.2020.09. pp.054-064.
5. 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. No. 81. P. 351 – 359.
6. 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.
7. 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 Sciences International. 2018. V. 57, No. 2. P. 319 – 347.
8. Borisov A. V. Two-Dimensional and Three-Dimensional Models of Anthropomorphic Robot and Exoskeleton with Links of Variable Length // Proceedings of 24th International Conference “MECHANIKA 2019”. 17 May 2019. Kaunas University of Technology, Lithuania. Р. 26 – 39.
9. Борисов А. В. Динамика эндо- и экзоскелета: монография. Смоленск: Смоленская городская типография, 2012. 296 с.
10. Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. М.: Наука, 1982. 368 с.
11. Бербюк В. Е. Динамика и оптимизация робототехнических систем. Киев: Наукова Думка, 1989. 192 с.

Eng

1. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2018). Automation of The Development of Exoskeletons and Anthropomorphic Robots Using a Recurrent Method for Compiling Differential Equations of Motion. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (1), pp. 25 – 31. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2018.01.pp.025-031
2. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2019). Dynamics of Mechanical Rods Systems with Variable Length Links Applicable to Endo-, Exoskelets and Anthropomorphic Robots on 2d-Space and 3d-Space. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem. Prilozhenie, (10). [in Russian language] DOI 10.14489/hb.supp.2019.10.pp.001-020
3. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2019). Dynamics of Mechanical Rods Systems with Variable Length Links Applicable to Endo-, Exoskelets and Anthropomorphic Robots on 2d-Space and 3d-Space. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem. Prilozhenie, (11). [in Russian language] DOI 10.14489/hb.supp.2019.10.pp.001-020
4. Borisov A. V., Volkova Yu. E., Konchina L. V., Maslova K. S. (2020). Passive-active exoskelet with variable length links and spring elements of two types. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (9), pp. 54 – 64. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2020.09.pp.054-064
5. 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, 81, pp. 351 – 359.
6. Borisov A. V., Rozenblat G. M. (2017). New Algorithms for Compiling Differential Equations of Movement of an Exoskeleton with Variable Link Length and Control in Hinged Joints. Komp'yuternye issledovaniya i modelirovanie, Vol. 9, (2), pp. 201 – 210. [in Russian language]
7. 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. Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol. 57, (2), pp. 319 – 347. ISSN 1064-2307.
8. 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.
9. Borisov A. V. (2012). Dynamics of endo- and exoskeleton: monograph. Smolensk: Smolenskaya gorodskaya tipografiya. [in Russian language]
10. Formal'skiy A. M. (1982). Movement of anthropomorphic mechanisms. Moscow: Nauka. [in Russian language]
11. Berbyuk V. E. (1989). Dynamics and optimization of robotic systems. Kiev: Naukova Dumka. [in Russian language]

+ - 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 500 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.2022.02.pp.029-034

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 500 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.2022.02.pp.029-034

and fill out the form