Разработка алгоритмов управления активным экзоскелетом человека
Гарсия Р.Б., Меркурьев И.В., Сайпулаев Г.Р., Сайпулаев М.Р.
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Ключевые слова: экзоскелет, математическая модель, оптимальное управление, динамика, стабилизация, численное моделирование.
Аннотация. В рамках данной работы ставится задача построения математической модели трехзвенного экзоскелета с симметричным движением ног. Используется конструкция экзоскелета с равными длинами звеньев и допущение об отсутствии проскальзывания точек контакта ног с опорной поверхностью. С помощью формализма Лагранжа построена математическая модель нелинейной динамики трехзвенного экзоскелета. Проведена линеаризация уравнений динамики в окрестности программного движения. Продемонстрирована приводимость линеаризованной модели к стандартной форме Коши. Решена линейно-квадратичная задача нахождения управления оптимального по энергозатратам и отклонениям с целью стабилизации вертикального положения экзоскелета. Проведено численное моделирование движения экзоскелета при рассмотрении частного случая движения – стабилизации вертикального положения. По результатам моделирования подтверждена эффективность и работоспособность предложенного управления. Полученное оптимальное управление движениями звеньев экзоскелета позволяет уменьшить энергозатраты, требуемые для осуществления движения, по сравнению с программным управлением.
Development of control algorithms for the active human exoskeleton
Garcia R.B., Merkuryev I.V., Saypulaev G.R., Saypulaev M.R.
National Research University “Moscow Power Engineering Institute”, Moscow
Keywords: exoskeleton, mathematical model, optimal control, dynamics, stabilization, numerical simulation.
Abstract. In this paper, we present the task of development a mathematical model of a three-link exoskeleton with symmetrical leg movement. The design of the exoskeleton with equal lengths of links and the assumption that there is no slippage of the points of contact of the legs with the supporting surface is used. Using the Lagrange formalism, a mathematical model of the nonlinear dynamics of a three-link exoskeleton is constructed. The linearization of the equations of dynamics near the program motion is carried out. The reducibility of the linearized model to the standard Cauchy form is demonstrated. The linear-quadratic problem of finding the optimal control in terms of energy consumption and deviations was solved in order to stabilize the vertical position of the exoskeleton. Numerical modeling of the exoskeleton movement was carried out for a particular case of movement - stabilization of the vertical position. Based on the simulation results, the effectiveness and efficiency of the proposed control was confirmed. The obtained optimal control of the movements of the exoskeleton links makes it possible to reduce the energy consumption required for the implementation of the movement, in comparison with programm control.