Динамический расчет и обоснование параметров приводов трехстепенного стационарного реабилитационного экзоскелета верхних конечностей
Дони В., Замашкин В.В., Кубряк О.В.
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Ключевые слова: стационарный экзоскелет, верхняя конечность, динамическая модель, электропривод, передаточное число, программное движение, ПИД-регулятор, диаграмма нагрузки.
Аннотация. Проектирование приводов реабилитационного экзоскелета требует совместного учета пространственной динамики механизма, массово-инерционных характеристик сегментов руки, упругости сочленений, параметров электродвигателей, передач и системы управления. Цель работы – разработать расчетную последовательность и на ее основе определить и обосновать параметры приводов трехстепенного стационарного экзоскелета верхних конечностей. Построена нелинейная пространственная электромеханическая модель трехзвенной системы с пассивной инерционной нагрузкой сегментов руки человека, упругими элементами, вязким и сухим трением, эквивалентной электрической моделью бесколлекторного двигателя и ПИД-регуляторами. Программное движение сформировано полиномами пятой степени. Целочисленные передаточные числа предварительно отбирались по результатам обратной динамики с учетом продолжительных и пиковых ограничений, после чего проверялись в полной замкнутой модели. Получены временные зависимости моментов, скоростей, токов, напряжений и деформаций упругих элементов. Определен минимально допустимый набор передаточных чисел, обеспечивающий выполнение заданных ограничений и проектного критерия точности. Проверка по каталоговым характеристикам серийного бесколлекторного двигателя подтвердила реализуемость унифицированной приводной конфигурации. Предложенная методика связывает расчет нагрузок, определение передаточных чисел и оценку качества управления и может применяться при проектировании приводных модулей реабилитационных экзоскелетов.
Dynamic analysis and justification of drive parameters for a three-degree-of-freedom stationary upper-limb rehabilitation exoskeleton
Doni V., Zamashkin V.V., Kubryak O.V.
National Research University “Moscow Power Engineering Institute”, Moscow
Keywords: stationary exoskeleton, upper limb, dynamic model, electric drive, transmission ratio, prescribed motion, PID controller, load diagram.
Abstract. Designing drives for rehabilitation exoskeletons requires simultaneous consideration of the spatial dynamics of the mechanism, the mass and inertial properties of the human arm segments, joint elasticity, motor and transmission parameters, and the control system. The aim of this study is to develop a calculation procedure and use it to determine and justify the drive parameters of a three-degree-of-freedom stationary upper-limb rehabilitation exoskeleton. A nonlinear spatial electromechanical model of a three-link system was developed, including the passive inertial load of the human arm segments, elastic joint elements, viscous and Coulomb friction, an equivalent electrical model of a brushless motor, and PID controllers. The prescribed motion was generated using fifth-order polynomials. Integer transmission ratios were initially screened using inverse dynamics against continuous-duty and peak constraints and were subsequently verified in the complete closed-loop model. Time histories of torques, rotational speeds, currents, voltages, and elastic-element deflections were obtained. The minimum feasible set of transmission ratios satisfying the adopted constraints and the tracking-accuracy criterion was determined. Verification against the catalog data of a brushless servomotor confirmed the feasibility of a unified drive configuration. The proposed procedure integrates load calculation, transmission-ratio selection, and control-performance evaluation and can be applied to the design of drive modules for rehabilitation exoskeletons.