Разработка методики формирования базы данных для настройки нейроконтроллера экзоскелета

Измерительный комплекс, предназначенный для измерения углов кинематической модели в процессе вертикализации, представлен на рисунке 2.12. Для измерения углов использовались резистивные потенциометры, размещенные в шарнирах.

Рисунок 2.12 Кинематическая схема измерительного комплекса

Конструктивно измерительный комплекс состоит из жесткой рамы 19, закрепленной к туловищу человека, и жестких звеньев 20, 23; 22, 25; 21, 24, которые крепятся на теле человека при помощи манжет и располагаются параллельно конечностям человека. Звенья связаны с рамой и между собой плоскими шарнирами 1,11; 2, 12; 3,13. Каждый шарнир содержит в себе резистивный потенциометр для измерения относительного угла между звеньями, соединенными этим шарниром. Также на раме и на каждом звене закреплены акселерометры 4, 5, 6, 14, 15, которые позволяют получать данные о положении рамы и звеньев в пространстве в абсолютных углах. На звеньях, параллельных стопам человека, в точках контакта со стопой, размещены датчики давления 7, 8, 9, 16, 17, 18, по три на каждом звене. Управление процессом вертикализации осуществляется блоком электроники 10. Закрепление человека в измерительном комплексе осуществляется с помощью манжет 26.

Фотография человека с установленным комплексом показана на рисунке 2.13 [95].

Рисунок 2.13- Измерительный комплекс (общий вид)

Комплекс состоит из жесткой рамы 1, соединенной с туловищем, звена 2, параллельном бедру; звена с регулируемой длиной, параллельном голени; звена 4, параллельном стопе; тазобедренного шарнира 5; коленного шарнира 6; голеностопного шарнира 7; акселерометров 8,9, закрепленных на звеньях; блока электроники 10.

Схема подключения датчиков показана на рисунке 2.14 [95].

Рисунок 2.14 - Принципиальная электрическая схема измерительной системы: Arduino Mega Right, Arduino Mega Left - контроллеры, снимающие данные с правой и левой частей экзомежурера; R7, R8, R9, R10, R11, R12 - резистивные датчики давления; R1; R13, R14, R15, R16, R17, R18, - резисторы; DD1, DD2, DD3, DD4, DD5 - разъёмы для подключения акселерометров; Pot1, Pot2, Pot3, Pot4, Pot5, Pot6 - потенциометры

В рамках эксперимента исследовалась вертикализация человека в процессе «встал-сел». Измерялись φ, φ - абсолютные углы наклона звеньев. Для

измерения углов использовались акселерометры, потенциометры и обработка видеозаписи эксперимента.

На рисунке 2.15 приведены слайды видеозаписи эксперимента [95].

Эксперименты позволили найти зависимости углов во времени и в дальнейшем использовать их как задающие воздействия в системе нейроуправления.

Рисунок 2.15 Фотографии человека в процессе вставания

Рисунок 2.16 - Абсолютные углы

В качестве примера на рисунке 2.17 приведен график экспериментальныой зависимостей углов φ₃(t) в режиме «встал-сел».

Рисунок 2.17 - График экспериментальной зависимости φ₃ (t) в режиме

«встал-сел»

Для построения базы данных обучающих выборок использовалась аппроксимация сплайнами временных зависимостей обобщенных координат экзоскелета в процессе вставания. Решение задачи о сплайн интерполяции показала, что удовлетворительный результат может быть получен при использовании сплайнов седьмого порядка.

На рисунке 2.18 приведены временные зависимости φ₂(t), φ₃(t), φ₄(t), полученные путем измерения параметров движения человек в процессе вставания со стула.

68

Рисунок 2.18 - Временные зависимости, полученные в

результате эксперимента

Для аппроксимации φ₂(t),φ₃(t),φ₄(t) в качестве сплайнов использовались полиномы седьмого порядка. Выбор полиномов седьмого порядка обусловлен желанием получить дважды дифференцируемые функции, графики вторых производных которых не имеют разрывов.

Полученные сплайны имеют следующий вид:

где- коэффициенты полиномов, используемых для

составления сплайна.

Для вычисления коэффициентов полиномов используем следующие выражения:

где S₂(t), S₃(t), S₄(t) - сплайны, используемые для аппроксимации зависимостей φ₂(t), φ₃(t), φ₄(t) соответственно.

Графики полученных функций приведены на рисунке 2.19-2.21.

Рисунок 2.19 - Временные зависимости S₂ (t), S₃ (t), S₄ (t) - экспериментальные данные

Рисунок 2.20 - Теоретические зависимости углов φ₁(t) , φ₂(t) , φ₃(t) , φ₄(t) (сплайн-

интерполяция)

Рисунок 2.21 - График изменения угловых скоростей φ₂(t), φ₃(t), φ₄(t) (сплайн- интерполяция)

Проведенные экспериментальные исследования процесса «встал-сел», позволили получить графики изменения абсолютных углов, определяющих

наклон соответствующих звеньев экзоскелета, а также аналитические выражения, определяющие зависимость углов от времени в виде сплайн - функций.

2.6