REACTION AND CONTROL TORQUE ANALYSIS IN MEDICAL EXOSKELETON DRIVES DURING WALKING SIMULATION
Authors: Капустин А.В. , Кудрявцев И.А. 
Published: July 2024

Экзоскелеты медицинского назначения необходимы для процедур реабилитации и лечения людей с нарушенной функцией опорно-двигательного аппарата. Они получают широкое распространение из-за большой степени автоматизации методик реабилитации, а также разнообразия и высокой эквивалентности форм локомоторных движений. В рамках государственного задания на базе Волгатеха ведётся разработка экзоскелета нижних конечностей. Один из важных элементов проектирования экзоскелета – расчёт энергосиловых показателей движения, который позволяет перейти к разработке конструкции экзоскелета и его приводных звеньев. Так как экзоскелет может воспроизводить множество движенийлокомоций, авторами была выбрана наиболее распространённая и часто используемая локомоция – ходьба. В данной статье описано моделирование работы экзоскелета при ходьбе под нагрузкой и без. Моделирование выполнено в специализированном программном обеспечении Recurdyn, предназначенном для расчёта динамики многих тел. Для моделирования были заданы массо-габаритные параметры модели, а также кинематические законы движения приводных звеньев. Описана методика закрепления экзоскелета связями для обеспечения устойчивости положения, заданы параметры кинематических пар. В модели сделаны определённые допущения и поправки, которые в незначительной степени влияют на результаты моделирования. Результаты исследования отражены в виде графиков изменения реакций и движущих моментов в приводах экзоскелета, даны пояснения к характеру изменения, а также покадрово представлено движение экзоскелета с указанием направления реакций и моментов в каждом кадре. Проведена условная оценка усилия, необходимого для поддержания экзоскелета в вертикальном положении при ходьбе. Экзоскелеты нижних конечностей обладают конструктивным и функциональным подобием, поэтому результаты моделирования могут быть использованы при разработке других моделей экзоскелетов, а также иных шагающих робототехнических устройств.

Medical exoskeletons are necessary for rehabilitation and treatment of people suffering from muscle-skeleton disorders of lower extremities. They are growing in popularity due to increasing automation of rehabilitation techniques and wide variety and high equivalence of locomotions. Volgatech is currently developing an exoskeleton for lower extremities in the framework of the state-funded project. One of the most important elements of the exoskeleton’s design is considered to be the analysis of power indicators of the motion which lets us proceed to an exoskeleton construction design and its drive links. Since an exoskeleton can perform a variety of locomotions, we have focused on walking as the most common and frequent one. The paper describes simulation of exoskeleton walking operation under the load and without it. The simulation was carried out using Recurdyn software which is specially designed to provide the dynamic analysis of various items. In order to simulate the locomotions, we have set such parameters as mass and dimensions as well as kinematic laws of drive links motion. We have described the technique to fix the exoskeleton to provide a stable position and we have set the parameters for kinematic elements. The model contains certain toleration and corrections which to a small extent influence the results of the simulating procedure. The research results are given in the form of the graphs to show the changes of the reactions and moving torques in exoskeleton drives. The nature of these changes has been explained. Besides, the authors have showed a frame-by-frame representation of skeleton motions, each frame contains the direction of reactions and torques. The authors have performed a conditional assessment of the effort necessary to keep an exoskeleton in an upright position while walking. Exoskeletons designed for lower extremities have functional similarities, so the results of the modelling procedure can be used to design other exoskeleton models or walking robotic devices.