Оценка силового взаимодействия человека и экзоскелета на основе технологии квазинепосредственного привода (QDD)

В области человеко-роботного взаимодействия технологии экзоскелетов становятся важным решением для реабилитации, помощи при ходьбе и физического усиления. Однако достижение эффективного и точного взаимодействия между человеком и экзоскелетом остается серьезной задачей, особенно в оценке и управлении силовым воздействием. Традиционные методы основаны на использовании датчиков силы, что увеличивает сложность системы и ее стоимость. В данном исследовании предлагается метод оценки взаимодействующих сил на основе технологии квазинепосредственного привода (QDD), позволяющий определять силы без использования дополнительных датчиков, опираясь на динамические характеристики самого привода.

Дизайн системы и динамическое моделирование

Исследовательская группа разработала тазобедренный экзоскелет с применением технологии QDD, обеспечивающий вспомогательный крутящий момент при минимальном ограничении естественных движений человека. Ключевой особенностью системы является использование низкоредукционного привода для непосредственного приведения в движение суставов, что повышает обратную подвижность и комфорт пользователя. В этом исследовании использован CubeMars AK10-9 V1.1, обладающий высокой плотностью крутящего момента и низким механическим импедансом, что делает его оптимальным для систем QDD.

Для реализации метода оценки взаимодействующих сил без использования датчиков исследователи разработали динамическую модель привода, учитывающую такие параметры, как момент инерции, силы трения и характеристики передачи зубчатых механизмов. Эта модель позволяет в реальном времени оценивать крутящий момент на основе данных о токе и угловой скорости, а затем вычислять взаимодействующие силы между экзоскелетом и пользователем.

Экспериментальная проверка и результаты

Исследовательская группа создала тестовую платформу для оценки характеристик привода в контролируемых условиях, а затем протестировала систему в эксперименте с ходьбой. В ходе испытаний испытуемый передвигался по беговой дорожке в экзоскелете, а уровень вспомогательного крутящего момента варьировался (6 Н·м, 8 Н·м, 10 Н·м).

Результаты показали, что предложенный метод оценки взаимодействующих сил достиг средней абсолютной ошибки (MAE) всего 2,78±0,58 Н, что составляет 6,4% от номинального выходного усилия. В сравнении с традиционными методами, использующими датчики силы, данный подход обеспечивает высокую точность при снижении аппаратных требований, что повышает эффективность и надежность системы. Кроме того, предложенный метод управления крутящим моментом в режиме открытого контура позволил снизить ошибку на 23% по сравнению с номинальными методами управления.

Технологические преимущества и перспективы применения

Основные достижения данного исследования включают:

Снижение зависимости от датчиков силы, что уменьшает сложность системы и стоимость при сохранении высокой точности.

Оптимизацию управления крутящим моментом, что способствует более стабильной поддержке походки и увеличению комфорта пользователя.

Повышенную обратную подвижность, позволяющую экзоскелету естественно адаптироваться к движениям человека без ограничения походки.

Предложенная технология открывает новые перспективы для разработки экзоскелетных систем, особенно в таких сферах, как реабилитация, промышленная помощь и поддержка мобильности пожилых людей. В будущих исследованиях можно будет внедрить персонализированные алгоритмы адаптации, повышающие точность оценки взаимодействующих сил и расширяющие возможности применения технологии.