ASSESSMENT OF ENERGY EQUIVALENCE OF VARIOUS LOCOMOTIONS FOR LIFE TESTS OF MEDICAL EXOSKELETON
Authors: Капустин А.В. , Лоскутов Ю.В. , Лоскутов М.Ю. , Соловьева М.Д. , Насыбуллин А.Р. 
Published: July 2024

Экзоскелеты (роботизированные костюмы) в настоящее время становятся все более распространенными. Они различаются по размеру и функциональному назначению. Такие антропоморфные структуры фиксируются на конечностях и теле человека. Экзоскелеты предназначены для воспроизведения движений с возможным масштабированием усилий. Они позволяют человеку выполнять сложные действия, связанные с повышенными нагрузками. Кроме того, они помогают людям, имеющим двигательные нарушения или нервно-мышечные дисфункции, быстрее реабилитироваться и просто иметь возможность перемещаться. Медицинский экзоскелет должен полностью повторять локомоции человека, в отличие от промышленного или военного экзоскелетов. Повышенные требования при этом предъявляются к прочности и жесткости звеньев, узлов и приводов. Экзоскелет должен выдерживать вес человека до 100 кг. Должна быть высокая точность системы позиционирования суставов человека с кинематическими парами экзоскелета. Также при этом должна быть обеспечена надежность сборки узлов и изделия в целом. Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки стационарных методик испытаний экзоскелета, позволяющих эквивалентно воссоздать различные циклы работы, в том числе в форсированном режиме, исключающих перемещение в пространстве. В работе выполнено расчетное обоснование эквивалентности по энергетическим показателям режимов работы экзоскелета с весовым манекеном. Рассмотрены педалирование на вело-тренажере, ходьба, присед и вставание с опоры. Критериями эквивалентности движений в шарнире приняты среднеквадратичный вращающий момент, эквивалентная мощность, средняя частота оборотов между звеньями. Сопоставление значений основных параметров локомоций дает небольшие расхождения наибольших эквивалентных моментов, средних межзвенных частот оборотов и эквивалентных мощностей в шарнирах. По энергетическим показателям режимов работы экзоскелета с весовым манекеном локомоции (ходьба, вставание-присед и велопедалирование) вполне могут быть эквивалентны при правильном выборе параметров движений. Показано, что использование велотренажера для проведения ресурсных испытаний экзоскелета вполне может быть допустимо.

Exoskeletons (robotic suits) are now becoming more common. They vary in size and function. Such anthropomorphic structures are fixed on the limbs or the body. Exoskeletons are designed to reproduce movements with the possible scaling of efforts. They allow a person to perform complex actions associated with increased stress. What is more, they help people with motor impairment or neuromuscular dysfunction to move around and recover faster. Therefore, a medical exoskeleton must imitate the locomotion of a person, in contrast to industrial or military exoskeletons. Enhanced requirements are thus imposed on the strength and stiffness of the links, components and drives. Exoskeleton must support a persons weight up to 100 kg. There should be high accuracy in the positioning system of human joints with kinematic exoskeleton pairs. The assembly of units and the product as a whole should be reliable. The authors have performed calculations of the equivalence of energy indicators of the exoskeleton operating modes. The paper analyzes pedaling on an exercise bike, walking, squatting and standing up. Criteria for the equivalence of movements in the hinge are as follows: torque, equivalent power, average speed between links. Comparison of the values of the main parameters of locomotion gives small discrepancies of the largest equivalent moments, average inter-link speeds of revolutions and equivalent powers in the hinges. According to the energy indicators of the operating modes of an exoskeleton with a simulating model, locomotion (walking, standing up, sitting down and cycling) may well be equivalent provided the movement parameters are correctly selected. It has been shown that the use of an exercise bike for conducting life tests of an exoskeleton may well be acceptable.