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.

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.

Рисунок 4.3 - Расчетная схема экзоскелета в процессе вертикализации

Движение каждого звена экзоскелета описывается тремя обобщенными координатами: x_Ci, y_Ci, φ_i, где x_ci, y_ci- координаты центра масс звена, φ_j. - 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

моментыравные сумме моментов, генерируемых

электроприводамии 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 C_i. Звено 1 находится на шероховатой поверхности. Положение точки C₁определим координатами x_cι, y_cι. Контакт с поверхностью происходит в точках O₁и O₂.

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.