Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Проектирование экзоскелета. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 221 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

О.В. Малюга

Проектирование экзоскелета

Монография

Саратов

2019

УДК 62

М 21

ББК 32.81 М 21

Рекомендовано к изданию Международным НИИ стратегического

консалтинга (протокол No9 от 28.03.2018г.).

Рецензенты:

Решетникова Ирина Ильинична – доктор экономических наук, профессор, кафедра стратегического планирования, управления и прогнозирования, Московский финансово-юридический университет.

Гусев Сергей Александрович – доктор экономических наук, профессор, кафедра экономики и управления, Московский финансово-юридический университет.

Малюга О.В.

Проектирование экзоскелета: монография / О.В. Малюга. – Саратов: Ай Пи Ар Медиа, 2019. 216 с.

ISBN 978-5-4497-0118-3

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий во время движений. Должны быть предусмотрены датчики, которые следят за состоянием тела человека, движением его ног, рук, мышц (а в будущем, возможно за его мыслями). То есть с точки зрения реализации, это механический скелет с системой приводов конечностей и компьютерная программа, работающая на основе математической модели движения человеческого тела, которая на основе данных с датчиков управляет всем этим экзоскелетом. Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно переступают черту, разделяющую смелые мечты и повседневная жизнь. Будучи сначала просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты этого творения.

Публикуется в авторской редакции.

ISBN 978-5-4497-0118-3

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 6

1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ...................................... 7

1.1. Экзоскелет: исторический экскурс ..................................................... 7

1.2. Обзор существующих в мире конструкций .................................... 23

1.3. Современные тенденции : направления разработки и проблемы,

которые возникают ..................................................................................... 27

1.4. Основные положения биомеханики ходьбы ................................. 34

1.5. Структура управления экзоскелета .................................................. 37

Выводы........................................................................................................... 42

2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ЭКЗОСКЕЛЕТОВ ....................................................... 43

2.1 Механическая конструкция пятистепенного экзоскелета ........... 43

2.1.1 Предмет и методы исследования ................................................ 43

2.1.2 Методы моделирования движения и исследования динамики

многостепенного экзоскелета ............................................................... 45

2.1.3 Уравнение движения и динамические характеристики ........ 45

2.2. Математическая модель электропривода экзоскелета ............... 49

2.3. Формирование общей модели экзоскелета ................................... 53

2.3.1. Особенности механики и электроприводов робота-

экзоскелета................................................................................................. 53

2.3.2. Построение общей модели .......................................................... 55

Выводы........................................................................................................... 56

3. ФОРМИРОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ТЗ ..................................................... 58

3.1. Определение требуемых рабочих параметров и ограничений

экзоскелета ................................................................................................... 58

3.2. Формирование требований к рабочим параметрам шарниров

......................................................................................................................... 59

3.2.1. Углы ротации .................................................................................. 60

3.2.2. Крутящие моменты ........................................................................ 60

3.2.3. Быстродействие движений .......................................................... 61

3.2.4. Система питания ............................................................................ 62

4. ВЫБОР КОНСТРУКТОРСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАННЫХ ФУНКЦИЙ . 66

4.1. Способы передачи крутящих моментов в шарнирных

соединениях ................................................................................................. 66

4.2. Выбор комплектующих ....................................................................... 68

4.2.1. Электродвигатели .......................................................................... 68

4.2.2. Способы контроля и их реализация .......................................... 70

4.2.3. Разработка систем управления ................................................... 74

4.2.4. Шаговые двигатели. Особенности работы шаговых

двигателей ................................................................................................. 76

4.3. Шумность и ее устранение на примере автомобиля .................. 79

4.3.1. Источники звука ............................................................................. 79

4.3.2. Материалы для обесшумливания .............................................. 80

4.3.3. Выбор материалов. ........................................................................ 81

4.3.4. Трос ................................................................................................... 81

4.3.5. Муфты ............................................................................................... 82

Выводы........................................................................................................... 85

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ДВУНОГОГО ЭКЗОСКЕЛЕТА С ПЯТЬЮ

СТЕПЕНЯМИ ПОДВИЖНОСТИ ....................................................................... 86

5.1. Управление электроприводом экзоскелета, построенным на основе высокомоментного двигателя с постоянными магнитами .. 86

5.2. Компьютерное моделирование движения пятистепенного

экзоскелета ................................................................................................... 97

Выводы......................................................................................................... 105

6. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА............................................................................ 106

6.1. Спроектированные модули. Блоки перемещения ..................... 106

6.2. Спроектированные шарниры ......................................................... 108

6.2.1. Таз: ................................................................................................... 108

6.2.2. Колено ............................................................................................ 109

6.2.3. Стопа ............................................................................................... 110

6.2.4. Шарнир поворота стопы относительно оси голени ............ 111

6.2.5. Рама ................................................................................................. 112

6.2.6. Тестирование деталей ................................................................ 112

6.2.7. Бедро ............................................................................................... 112

6.2.8. Литка. Конструирование составных частей ........................... 114

Выводы......................................................................................................... 120

7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ........... 121

7.1. Международный стандарт ISO 13482:2014 .................................... 121

7.2. Факторы опасности для оператора экзоскелета ......................... 126

Выводы......................................................................................................... 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................... 131

ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ (ПОЛНЫЙ КОД) .................................................. 136

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день ощущается острая нехватка научнотехнических разработок в области, как анализа динамики сложных движений экзоскелета (таких как ходьба), так и в построении систем управления активными экзоскелетами с учетом особенностей современных безредукторных электроприводов.

Целью работы является создание модели высокой детализации активных экзоскелетов, оснащенных высокомоментными электроприводами.

Достижение этой цели связано с решением нескольких задач:

1. Анализ основных требований к экзоскелетам;

2. Выбор математического аппарата для построения модели

динамики экзоскелета;

3. Построение математической модели динамики

пятистепенного экзоскелета, с учетом взаимосвязанности динамики звеньев и зависимости электрических параметров электропривода от координат механической конструкции, и ее реализация средствами

Matlab;

4. Компьютерное исследование особенностей динамики

движения экзоскелета с помощью построенной модели;

Проверка эффективности управления электроприводом экзоскелета.

1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Экзоскелет: исторический экскурс

Экзоскелет [1] (от греч. έξω – внешний и σκελετος − скелет) ‒ это устройство, предназначенное для увеличения силы человека за счет внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий во время движений. Должны быть предусмотрены датчики, которые следят за состоянием тела человека, движением его ног, рук, мышц (а в будущем, возможно за его мыслями). То есть с точки зрения реализации, это механический скелет с системой приводов конечностей и компьютерная программа, работающая на основе математической модели движения человеческого тела, которая на основе данных с датчиков управляет всем этим экзоскелетом.

Экзоскелет [1] ‒ внешний тип скелета характерен для большинства беспозвоночных, у которых он представлен в виде раковины (многие простейших, моллюски) или кутикулы (хитиновый панцирь членистоногих) у некоторых беспозвоночных животных. До членистоногих входят насекомые, ракообразные, паукообразные и многоножки, и данная группа может считаться самой процветающей группой живых организмов. Количество видов членистоногих превышает количество видов всех остальных животных вместе взятых.

Исходя из этих данных, можно сделать вывод: экзоскелет изобрела Природа. Изобрел и очень активно его использует в своих произведениях. А человек, в какой-то момент решила, опираясь на свой интеллект, пойти по пути природы, также создав для себя экзоскелет. Подобное устройство, кроме увеличения возможностей здорового человека, может помочь больным с нарушением опорнодвигательного аппарата, над чем работают даже ведущие компании мира.

Наука и технологии [3] ‒ это, без преувеличений, самая напряженная гонка изобретательности человека и природы. Всю свою историю человек пытается переделать мир вокруг себя под свои нужды. Где это ей удается, часто не без вреда для природы. Где-то приходится подглядывать у нее. И если у большинства беспозвоночных в том или ином виде есть внешний скелет, у человека его нет. Но и крыльев не было?

В наше время под термином «экзоскелет» подразумевается механический костюм или его часть до 2-2,5 метра высотой.

Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно переступают черту, разделяющую смелые мечты и повседневная жизнь. Будучи сначала просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты этого творения.

Первым изобретателем экзоскелета считается русский «инженер-механик» Николай Фердинандович Ягн, который еще в 1890-х годах зарегистрировал ряд патентов на эту тему. Он жил в Америке, где, собственно, и патентовал свои чудеса, показывал их на выставках, а после возвращения на родную землю вновь изобретал. Его экзоскелет должен был облегчить ходьбу, бег и прыжки в первую очередь, солдат. Уже тогда русский гений предвидел потенциальную военную мощь подобных устройств.

Не будем отрицать, гигантский и необъятный вклад в развитие экзоскелетов внесли фантасты. В 1959 году после громкого романа Роберта Хайнлайна «Звездный десант» всем стало понятно, что за внешними каркасными костюмами − будущее военных действий и не только.

Первая попытка создать экзоскелетную конструкцию была предпринята в 1960х годах. Созданный компанией «Дженерал Электрик» совместно с Минобороны США прототип «Hardiman» имел собственную массу 680 кг. Благодаря экзоскелета, оператор мог поднимать грузы массой до 340 кг. Планировалось использовать экзоскелет для работы на военных арсеналах, работы с

крупнокалиберными авиационными боеприпасами, для осуществления работ под водой и в космосе, а также для эксплуатации на атомных электростанциях. К сожалению, на испытаниях в 1965 году костюм показал себя не с лучшей стороны и в серию не пошел.

Питание подавалось через внешний кабель. Система была оснащена компьютерным управлением, которое работало не очень успешно как из-за несовершенства самих компьютеров так и из-за отсутствия, на тот момент, адекватной математической модели. В результате, попытки использовать полный комплект экзоскелета приводили к неконтролируемым движениям последнего (падение), хотя отдельные его элементы (например, рука) успешно работали. Hardiman так никогда и не был протестирован с человеком внутри.

Но начало было положено. Появился опыт, который позволил следующим разработчикам двигаться дальше, а не начинать с нуля. Проект Hardiman в 1971 году был закрыт из-за отсутствия перспектив его развития.

В 1968 Миомир Вукобратович из югославского Белграда показал первый силовой шагающий экзоскелет, задача которого была давать возможность шагать людям с параличом нижних конечностей. В основе устройства лежал пневмопривод. Советские ученые из Центрального института травматологии и ортопедии имени М. М. Приорова проявили первые инициативы по разработке экзоскелетов совместно с югославскими коллегами на основе работ именно Вукобратовича. Но с началом перестройки проекты были закрыты, а о секретные подпольные разработки экзоскелетов данных нет. Однако с освоением космоса все было хорошо.

Дальше были два десятилетия не то чтобы застоя, исследования и разработки, конечно, велись, но не было больших прорывов, вероятно, через небольшое финансирование. Но опыт и знания, несмотря ни на что, накапливались. Параллельно с этим проходили изменения в смежных областях: вычислительной технике, элементах питания, материалах, системах управления и т. д. Все это пригодилось,

когда начался прорыв в этой области. А произошло это, когда об экзоскелете снова вспомнили военные.

Программа – «экзоскелеты для людей». В 2001 году Агентство Передовых Оборонных Исследовательских Проектов (DARPA − Defense Advanced Research Projects Agency) Министерства обороны США начало семилетнюю программу Exoskeletons for Human Performance Augmentation Program, выделив на нее $ 75 миллионов. Были рассмотрены проекты от 14 компаний и университетов. На первой фазе проекта были выбраны: Sarcos Research Corporation, Университет Калифорнии в Беркли и Oak Ridge National Laboratory. На втором этапе проекта остались Sarcos и Университет Беркли. На заключительном этапе программы, который начался в 2004 году основным подрядчиком для разработки и развития быстрых, бронированных и мощных систем экзоскелетов была выбрана Sarcos Research Corporation. Вскоре Sarcos была приобретена большей компанией Raytheon, занимающейся выполнением различных оборонных заказов. Однако работы над собой экзоскелеты были продолжены, и судя по сообщениям, весьма успешно [3].

Исследования в области создания активных экзоскелетов начались в конце 1960-х годов практически параллельно между несколькими исследовательскими группами в США и в бывшей Югославии [1]. Существовали различия в предполагаемом использовании: усиление возможностей трудоспособных людей, часто в военных целях, и развития вспомогательных технологий для лиц с ограниченными физическими возможностями. Несмотря на эти различия, две области развития столкнулись с одними и теми же проблемами и ограничениями, тесно связанными с портативностью и взаимодействием с человеком-оператором.

Экзоскелеты, увеличивающие производительность предназначены для обеспечения здоровых людей возможностью легче выполнять сложные задачи и задачи, которые в противном случае выполнить невозможно.

1 / 221 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]