4.1 Объяснение задачи
Экзоскелет представляет собой двуногий механизм, приводимый в движение линейными актюаторами (рисунок 4.1).
а) б)
Рисунок 4.1 - Структурная схема экзоскелета (а) и общий вид экзоскелета для реабилитации (б)
1 - бедро; 2 - голень; 3 - ступня; 4 - корпус; 5 - поверхность, по которой происходит движение
Экзоскелет, состоящий из четырех звеньев 1-4, установлен на опорной поверхности 5.
Звенья последовательно соединены электроприводами и шарнирами. Будем называть эти звенья корпусом, бедром, голенью и стопой.
Контакт с поверхностью, по которой происходит перемещение, осуществляется через контактные поверхности стоп. Всего на устройстве установлено шесть линейных приводов, два из них шарнирно закреплены на корпусе, на каждом из бедер и голеней установлены еще четыре привода. Шток привода шарнирно соединен с одним из звеньев ноги экзоскелета. Пациент закреплен в экзоскелете с помощью специальных манжет, исключающих движение пациента относительно экзоскелета.
Рисунок 4.2 - Общий вид пациента с экзоскелетом
Данные актюаторы являются мотор-редукторами с электродвигателем постоянного тока и шарико-винтовой передачей. Прототип устройства снабжен сенсорной системой, включающей в себя энкодеры для определения относительных углов поворота звеньев, каждая ступня дополнительно снабжена двумя датчиками давления, определяющими нормальные реакции в точках контакта ступни с опорной поверхностью [31, 46, 95, 106, 107].
Для описания движения экзоскелета и пациента в режиме «сел-встал» используем расчетную схему, представленную на рисунке 4.3. Движение системы происходит в вертикальной сагиттальной плоскости Oxy.Масса пациента приведена к звеньям экзоскелета.
Оси вращения суставов пациента и шарниров совпадают. Моменты, создаваемые мышцами пациента, определяются в соответствии с моделью Хилла. Длина li, масса miи моменты инерции Jiкаждого звена задаются геометрическими размерами пациента.
Рисунок 4.3 - Расчетная схема экзоскелета в процессе вертикализации
Движение каждого звена экзоскелета описывается тремя обобщенными координатами: xCi, yCi, φi, где xci, yci- координаты центра масс звена, φj. - угол наклона i-го звена к положительному направлению горизонтальной оси. Звенья 1 - 4 соединены между собой в точках O2, O3, O4. В шарнирах O2, O3, O4действуют
моменты
равные сумме моментов, генерируемых
электроприводами
и мышцами человека
где
-постоянные электродвигателей, мышц человека,
токи в контурах электродвигателей, относительные углы поворота,
относительные угловые скорости, n-показатель степени полинома.
Предполагается, что если нижние конечности травмированы, то
Центры масс звеньев расположены в точках Ci. Звено 1 находится на шероховатой поверхности. Положение точки C1определим координатами xcι, ycι. Контакт с поверхностью происходит в точках O1и O2.
В результате взаимодействия возникают силы N1, N2, Ffr1, приложенные в точках O1и O2, как показано на рисунке 4.3. На систему также действуют силы тяжести mig. Положение экзоскелета определяют три обобщенные координаты
. Для радиусов-векторов, определяющих положение центров масс звеньев, имеем следующие выражения:
110
Положение центра масс системы найдем по формуле:
Дифференциальные уравнения, описывающие движение экзоскелета под действием управляющих моментов, представлены в векторной форме: 
где A(φ) - матрица, определяющая массо-инерционные свойства системы
- вектор центробежных и Кориолисовых сил;
- вектор потенциальных сил;
) - вектор диссипативных сил, полученных дифференцированием
диссипативной функции Релея;
- вектор обобщенных сил [95].
В скалярной форме дифференциальные уравнения движения имеют вид:
111
Для определения реакций в точках контакта ступни N1, N2, F 1 используем формулы:
112
Системы дифференциальных уравнений (4.7), (4.8) позволяет определить значения управляющих моментов в зависимости от вида задающих функций φ,∙(t),а также временные зависимости реакций, со стороны шероховатой опорной поверхности [95].
В общем случае в подъеме пациента могут принимать участие как электроприводы, так и мышцы. Поэтому система управления должна обеспечивать контроль за моментами электроприводов, скоростью и ускорением звеньев при подъеме пациента и обеспечивать гарантированное устойчивое положение.