Модель звена переменной длины с управляемой жесткостью и подвижным полюсом для экзокостюма аэрокосмического назначения


Авторы

Блинов А. О.1*, Борисов А. В.1**, Мухарлямов Р. Г.2***, Гончарова И. А.1****, Борисова В. Л.3*****

1. филиал Национального исследовательского университета «МЭИ» в г. Смоленске, Энергетический проезд, д. 1, г. Смоленск, Россия, 214013
2. Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы, д. 6, ул. Миклухо-Маклая, Москва, Россия, 117198
3. Смоленская государственная сельскохозяйственная академия, , ул. Большая Советская, 10/2, г. Смоленск, Россия, 214000

*e-mail: alex-blinov67@yandex.ru
**e-mail: BorisowAndrej@yandex.ru
***e-mail: robgar@mail.ru
****e-mail: goncharovainnaa@yandex.ru
*****e-mail: borisowaveronika@yandex.ru

Аннотация

В статье рассмотрена достаточно приближенная к реальности модель звена переменной длины, содержащая магнитно-реологическую жидкость для активного управления ее жесткостью под действием изменяющегося внешнего магнитного поля. Новизна модели заключается в наличии подвижного полюса в нижней точке звена с заданным законом движения. Таким образом, модель звена имеет семь степеней свободы: три поступательных движения полюса, три вращения вокруг полюса и переменная длина звена при движении верхней части относительно полюса. Динамика звена описывается уравнениями Лагранжа, составляющими систему семи обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка. В качестве модели управления выбран программный метод задания движения и на его основе определены моменты и силы, которые необходимо приложить для реализации заданных движений звена. Созданная модель звена при соединении в многозвенную конструкцию может найти применение при разработке экзокостюмов в виде скафандров, защитных экзоскелетов, усиливающих и поддерживающих физические возможности пилотов и космонавтов в авиакосмической отрасли.

Ключевые слова:

скафандр, экзокостюм, экзоскелет, изменяемая длина, магнитно-реологическая жидкость, управляемая жесткость

Библиографический список

  1. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. О математическом моделировании динамики многозвенных систем и экзоскелетов // Известия РАН. Теория и системы управления. 2021. № 5. С. 162-176. DOI: 10.31857/S0002338821040028

  2. Nordin M., Frankel H. Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System. Lippicot, London, Williams & Wilkins, 2001, 467 р.

  3. Borisov A.V., Chigarev A.V. Mathematical Models of Exoskeleton. Dynamics, Strength, Control. Monograph, Springer, 2022, 232 р. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-97733-7. DOI: 10.1007/978-3-030-97733-7

  4. Borisov A.V., Chigarev A.V. The Causes of a Change in The Length of a Person’s Link and Their Consideration When Creating an Exoskeleton // Biomedical Journal of Scientific and Technical Research, 2020, vol. 25, pp. 18769-18771. DOI: 10.26717/BJSTR.2020.25.004137

  5. Piña-Martínez E., Rodriguez-Leal E. Inverse Modeling of Human Knee Joint Based on Geometry and Vision Systems for Exoskeleton Applications // Mathematical Problems in Engineering, 2015, pp. 1-14. DOI: 10.1155/2015/145734

  6. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г., Филиппенков К.Д. Роботизированная управляемая электромеханическая модель двух звеньев переменной длины аэрокосмического назначения // Известия вузов. Авиационная техника. 2022. № 1. С. 60-69.

  7. Blinov A., Borisov A., Filippenkov K., Konchina L., Maslova K. Modeling the dynamics of an exoskeleton link of variable length using the Lagrange – Maxwell system of differential equations of motion // Journal of Applied Informatics, 2022, vol. 99, no. 3, pp. 117-130. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-3-117-130

  8. 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

  9. Блинов А.О., Борисов А.В., Кончина Л.В., Куликова М.Г., Маслова К.С. Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями // Российский журнал биомеханики. 2023. № 4. С. 186-199. URL: https://vestnik.pstu.ru/biomech/archives/?id=&folder_id=11774. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.15

  10. Blinov A., Borisov A., Konchina L., Novikova M. Applying the models of magneto- rheological substances in the study of exoskeleton variable-length link with adjustable stiffness // Journal of Applied Informatics, 2022, vol. 98, no. 2, pp. 133-142. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2-133-142

  11. Blinov, A.O., Borisov, A.V., Mukharlyamov, R.G. Mathematical Simulation of Dynamics for Exoskeleton Including Variable-Length Links with Adjustable Stiffness // In: Azimov, D. (eds) Proceedings of the IUTAM Symposium on Optimal Guidance and Control for Autonomous Systems 2023. IUTAM 2023. IUTAM Bookseries, vol 40, pp 117–131. Springer, Cham. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-031-39303-7_8

  12. Borisov A.V., Mukharlyamov R.G. Dynamics of two-link exoskeleton support leg, considering payload and adjustable stiffness // Proc. SPIE 12986, Third International Scientific and Practical Symposium on Materials Science and Technology (MST-III 2023), 1298603 (19 January 2024). URL: https://doi.org/10.1117/12.3016477

  13. Блинов А.О., Борисов А.В., Кончина Л.В., Новикова М.А., Чигарев А.В. Разработка методов управления свойствами магнитно-реологической среды с целью регулирования жесткости звена переменной длины экзоскелета // Advanced Engineering Research, 2022, vol. 22, no. 4, pp. 296–305. URL: https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-4-296-305

  14. Бадяева В.К., Блинов А.О., Борисов А.В., Мухарлямов Р.Г. Движение антропоида на подвижном основании // Российский журнал биомеханики. 2022. № 3. С. 87-97. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.07

  15. Бадяева В.К., Блинов А.О., Борисов А.В., Мухарлямов Р.Г. Моделирование движения экзоскелета при полете на подвижной платформе с учетом динамики электроприводов // Известия вузов. Авиационная техника. 2022. № 4. С. 51-60.

  16. Vasenin S.A., Reshmin S.A. Optimal Suppression of Oscillations in the Problem of a Spin-Up of a Two-Mass System // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2023, vol. 62, pp. 942–955. URL: https://doi.org/10.1134/S1064230723060114

  17. Błażkiewicz M., Hadamus A. Influence of Perturbation’s Type and Location on Treadmill Gait Regularity // Applied Sciences, 2024, vol. 14 (2), pp. 493. URL: https://doi.org/10.3390/app14020493

  18. Park C., Park K. Dynamic Stability of Human Walking in Response to Sudden Speed Changes // Symmetry, 2024, vol. 16 (1), pp. 26. URL: https://doi.org/10.3390/sym16010026

  19. Chandrasekaran S., Ngo C., Lueken M., Bollheimer C., Wolf A., Leonhardt S. On Gait Stability: Correlations between Lyapunov Exponent and Stride Time Variability // Current Directions in Biomedical Engineering, 2022, vol. 8, no. 2, pp. 564-567. URL: https://doi.org/10.1515/cdbme-2022-1144

  20. Pan Q. et al. A Nonresonant and Frequency Up-Conversion Motion Converter for Footstep Energy Harvesting // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024. DOI: 10.1109/TMECH.2023.3341411

  21. Tijjani I., Kumar S., Boukheddimi M. A Survey on Design and Control of Lower Extremity Exoskeletons for Bipedal Walking // Applied Sciences, 2022, vol. 12, pp. 2395. URL: https://doi.org/10.3390/app12052395

  22. Su Q., Pei Z., Tang Z., Liang Q. Design and Analysis of a Lower Limb Loadbearing Exoskeleton // Actuators, 2022, vol. 11 (10), pp. 285. URL: https://doi.org/10.3390/act11100285

  23. Bourgeois A., Rice B., Goh C.-H. Design Optimization of the Lift Mechanism in the Robotic Walking Training Device Using the Engineering Design Methodology // Applied Sciences, 2023, vol. 14 (1), pp. 327. URL: https://doi.org/10.3390/app14010327

  24. Heo Y., Choi H-J., Lee J-W., Cho H-S., Kim G-S. Motion-Based Control Strategy of Knee Actuated Exoskeletal Gait Orthosis for Hemiplegic Patients: A Feasibility Study // Applied Sciences, 2023, vol. 14(1), pp. 301. URL: https://doi.org/10.3390/app14010301

  25. Capitani S.L., Bianchi M., Secciani N. et al. Model-based mechanical design of a passive lower-limb exoskeleton for assisting workers in shotcrete projection // Meccanica, 2021, vol. 56, pp. 195–210. URL: https://doi.org/10.1007/s11012-020-01282-3

  26. Guo Y-Q., Luo W-H., Xu Z-D., Shu B-M., Yang D-K. Research on the Design and Gait Planning of a Hexapod Robot Based on Improved Triangular Gait for Lunar Exploration // Applied Sciences, 2024, vol. 14 (1), pp. 260. URL: https://doi.org/10.3390/app14010260

  27. Петров Ю.А., Брешев Е.Н., Сергеев Д.В. Амортизация спускаемых аппаратов при посадке на поверхности планет // Труды МАИ. 2023. № 133. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=177654

  28. Берников А.С., Петров Ю.А., Сергеев Д.В., Штокал А.О. Амортизация автоматических космических аппаратов при посадке на планеты и их спутники с учетом упругости конструкции посадочного устройства // Труды МАИ. 2021. № 121. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=162657. DOI: 10.34759/trd-2021-121-10

  29. Chen J., Liao W. Design and control of a Magnetorheological actuator for leg exoskeleton // 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Sanya, 2007, pp. 1388-1393. DOI: 10.1109/ROBIO.2007.4522367

  30. Беляев Е.С., Ермолаев А.И., Титов Е.Ю., Тумаков С.Ф. Магнитореологические жидкости: технологии создания и применение. - Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2017. – 94 с.

  31. Simon Laflamme. Online learning algorithm for structural control using magnetorheological actuators, Massachusetts Institute of Technology, 2007, 88 p. URL: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/39271/170931934-MIT.pdf?sequence=2

  32. Psomopoulou E., Doulgeri Z., Rovithakis G., Tsagarakis N. A Simple Controller for a Variable Stiffness Joint with Uncertain Dynamics and Prescribed Performance Guarantees // 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 7-12, 2012, Vilamoura, Algarve, Portugal, pp. 5071–5076. DOI: 10.1109/BioRob.2012.6290757

  33. Блинов А.О. Создание алгоритма управления жесткостью магнитно-реологической среды звена переменной длины и моделирование его движений для использования в комфортабельных защитных экзоскелетах человека // Вопросы оборонной техники. Серия 16. Технические средства противодействия терроризму. 2023. № 1-2 (175-176). С. 11-19.

  34. Ahmadkhanlou F., Zite J.L., Washington G.N. A magnetorheological fluid-based controllable active knee brace // In Proceedings SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2007, vol. 6527. DOI: 10.1117/12.715902

  35. Andrade R.M., Fabriz Ulhoa P.H., Fragoso Dias E.A. Design and testing a highly backdrivable and kinematic compatible magneto-rheological knee exoskeleton // Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2022, vol. 5. DOI: 10.1177/1045389X221117496

  36. Bougrinat Y. Design and development of a lightweight ankle exoskeleton for human walking augmentation, Avril, Université de Montréal, 2018, 114 р. URL: https://publications.polymtl.ca/3076/1/2018_YacineBougrinat.pdf

  37. Carlson J. Magnetorheological Fluid Actuators. Adaptronics and Smart Structures: Basics, Materials, Design, and Applications, 2013, 1808 p.

  38. Зубарев А.Ю., Чириков Д.Н. Магнитореологические свойства феррожидкостей c кластерными частицами // Коллоидный журнал. 2013. Т. 75. № 5. С. 567–576.

  39. Коновалова Н.И., Мартынов С.И. Динамика магнитных частиц в вязкой жидкости // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. Математика. 2009. № 3 (11). С. 3-11.

  40. Макарова Л.А. Исследование магнитных и электрических свойств композитных реологических материалов на основе ферромагнитных и сегнетоэлектрических наполнителей: автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. - М.: МГУ им. Ломоносова, 2018. – 27 с.

  41. Найгерт К.В., Целищев В.А. Прикладные свойства магнитореологических жидкостей. - Уфа: УГАТУ, 2021.

  42. Чириков Д.Н. Теоретическое исследование реологических свойств бидисперсных магнитных жидкостей. – Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2013. – 17 с.

  43. Lebedev A.V. Viscosity of magnetic fluids must be modified in calculations of dynamic susceptibility // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, vol. 431, pp. 30–32. URL: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.110

  44. Dollar A.M., Herr H. Lower extremity exoskeletons and active orthoses: challenges and state-of-the-art // IEEE Transactions on robotics, 2008, vol. 24, pp. 144-158.

  45. Glowinski S., Krzyzynski T., Bryndal A., Maciejewski I. A Kinematic Model of a Humanoid Lower Limb Exoskeleton with Hydraulic Actuators // Sensors, 2020, vol. 20, pp. 6116. URL: https://doi.org/10.3390/s20216116

  46. Glowinski S., Obst M., Majdanik S., Potocka-Banaś B. Dynamic Model of a Humanoid Exoskeleton of a Lower Limb with Hydraulic Actuators // Sensors, 2021, vol. 21 (10), pp. 3432. URL: https://doi.org/10.3390/s21103432

  47. Lee T., Lee D., Song B., Baek Y.S. Design and Control of a Polycentric Knee Exoskeleton Using an Electro-Hydraulic Actuator // Sensors, 2020, vol. 20, pp. 211. URL: https://doi.org/10.3390/s20010211


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход