К ВОПРОСУ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКЗОСКЕЛЕТАПУТЕММАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯВ СРЕДЕ «МATLAB/SIMULINK»
Authors: Иванов В.К. , Макаров В.Е. 
Published: October 2024

В настоящее время возрос интерес исследователей к таким устройствам, как экзоскелеты, использующиеся для расширения функциональных возможностей человека в части подъема грузов, перемещения на большие расстояния и выполнения задач, которые человек в обычном состоянии выполнить не может. Такие устройства характеризуются большим числом степеней свободы, пространственным движением звеньев механизма, наличием развитой сети электроприводов и сенсорных устройств. Поэтому создание экзоскелетов возможно при наличии хорошо развитой теории функционирования таких систем, особое внимание при этом должно уделяться вопросам управления движением с учетом взаимодействия человека и машины. Одними из основных этапов проектирования являются моделирование, выбор параметров системы управления, исследование и обеспечение качества функционирования алгоритмов управления. На сегодняшний день открытыми остаются вопросы математического моделирования динамики экзоскелета с учетом свойств электропривода и характера взаимодействия человека и машины. Не развиты методы, позволяющие измерять характер движения отдельных элементов механической части экзоскелета и силового взаимодействия ступни с опорной поверхностью. Нет эффективных алгоритмов, обеспечивающих устойчивое положение пациента в экзоскелете в процессе вертикализации. Отсутствуют инженерные методики проектирования таких сложных систем. Все это сдерживает дальнейшее развитие экзоскелетов и внедрение их в жизнь. При этом основу проектирования таких систем составляет моделирование как динамики, так и механических конструкций, которые являются наиболее сложными и трудоемкими процессами. Компоненты механических конструкций описываются наиболее сложными математическими моделями, которые в данной работе представлены в виде передаточных функций, а сам экзоскелет и его элементы представлены в виде системы автоматического управления. Приведена математическая модель экзоскелета, которая на первом этапе не учитывает моменты, создаваемые мышцами человека. Система дифференциальных уравнений экзоскелета записывается с использованием уравнений Лагранжа второго рода. Для определения обобщенных сил используется принцип возможных перемещений, в соответствии с которым системе по каждой обобщенной координате сообщается виртуальное перемещение, на котором вычисляется работа всех действующих сил и моментов. Цель работы состоит в выборе параметров системы управления трехзвенного манипулятора с использованием пакета «Мatlab/Simulink».

In order to increase a person's functionality in liftingheavy objects, travelling long distances, and carrying out jobs that a person cannot typically undertake, exoskeletons have come to the focus of research interest. Such devices are characterized by a large number of degrees of free-dom, the spatial movement of mechanism links, and the presence of a developed network of electric drives and sensor devices. Therefore, the development of exoskeletons is possible in the presence of a well-developed theory of the functioning of such systems, while special attention should be paid to the issues of motion control, taking into account the man-machine interaction. One of the main design stages is modelling, selection of control system parameters, research and quality assurance of the functioning of control algorithms. Taking into consideration the charac-teristics of the electric drive and the nature of the connection between man and machine, the is-sues of mathematical modelling of the exoskeleton's behaviour in the mode of verticalization remain open. The mechanics of how each component of the exoskeleton moves and how force interacts between the foot and the ground have not been transformed into measurement tech-niques. There are no effective algorithms to ensure the stable position of the patient in the exo-skeleton during verticalization. There are no engineering methods for designing such complex systems. All this hinders the further development of exoskeletons and their implementation in life. While modelling dynamics and mechanical structures, two of the most difficult and time-consuming procedures, serves as the foundation for modelling mechatronic systems, both pro-cesses are also fundamental to this field of study. The components of mechanical structures are described by the most complex mathematical models, which are presented in this paper in the form of transfer functions, and the exoskeleton itself and its elements are presented in the form of an automatic control system. Аmathematical model is compiled, which at the first stage does not take into accountthe moments created by human muscles. The system of differential equa-tions of the exoskeleton is written using the Lagrange equations of the second kind. The concept of potential displacements, which states that a virtual displacement is reported to the system for each generalised coordinate, is utilised to derive the generalised forces. On these generalised co-ordinates, the work of all active forces and moments is determined. The purpose of the work is to select the parameters of the control system of a three-link manipulator using the Matlab/Simulink package.