Details

Предметом настоящего исследования являются электромеханические устройства - экзоскелеты. В частности, проводится оптимизация существую-щего экзоскелетного каркаса, выполняющего роль несущего основания всего устройства. Экзоскелетный каркас присутствует только в экзоскелетах, относящихся по классификации к классу жестких. Анализ литературы показал, что экзоскелетные каркас проектируется и рассчитываются при помощи стандартных пакетов автоматизированного проектирования класса CAD и CAE. Благодаря ним рассчитываются нагрузки, которые берет на себя экзоскелет, проектируется геометрия будущих уз-лов и далее производится прочностной расчет. Получающиеся экзоскелетные каркасы получаются удобными и надежными, что удовлетворяет требованиям, предъявляемый к такому рода устройств. Одно из основных требований – максимально возможное снижение веса экзоскелетного каркаса с сохранением прочностных характеристик. Подобные задачи нередко встречаются в инженерной практике и успешно решаются. Но в случае экзоскелетных каркасов определение нагрузок является более трудной задачей. Чаще всего они определяются при помощи перехода от реального объекта, человеческого тела, к механической системе, состоящей из рычагов с сосредоточенной массой, соединенных между собой шарнирами разной степенью подвижности. Подход данной работы отличается. Проводится анализ динамики движений человеческого тела во время ходьбы путем решения обратной задачи динамики. Для этого был получен набор данных. При помощи записей си-стемы видеозахвата VICON были получены кинематические характеристики, а при помощи формул, полученных на основе широких исследований анатомии, были рассчитаны массовые-инерционные характеристики сегментов человеческого тела. После чего высчитывались нагрузки на шарнирные соединения. Целью работы является топологическая оптимизация существующего экзоскелетного каркаса с целью снижения массы и при этом минимизацией податливости узлов. Также рассчитать количество рабочих циклов каждого из узлов В результате была получена оптимизированная геометрия узлов, а также поля напряжений в них. Получены деформации узлов под нагрузкой. Подходы, излагаемые в настоящей работе, могут полезны для будущего проектирования более легких, прочных и совершенных экзоскелетов.

The subject of this research is electromechanical devices - exoskeletons. In particular, the existing exoskeleton frame, which serves as the supporting base of the entire device, is being optimized. The exoskeletal frame is present only in ex-oskeletons classified as rigid. An analysis of the literature showed that exoskeletal frames are designed and calculated using standard CAD and CAE computeraided design packages. Thanks to them, the loads that the exoskeleton takes on are calculated, the geometry of future units is designed, and then a strength calculation is performed. The resulting exoskeleton frames are comfortable and reliable, which satisfies the re-quirements for such devices. One of the main requirements is to reduce the weight of the exoskeleton frame as much as possible while maintaining strength characteristics. Similar problems are often encountered in engineering practice and are successfully solved. But in the case of exoskeletal frames, determining the loads is more diffi-cult. Most often, they are determined by transitioning from a real object, the hu-man body, to a mechanical system consisting of levers with concentrated mass, interconnected by hinges of varying degrees of mobility. The approach of this work is different. An analysis of the dynamics of the movements of the human body while walking is carried out by solving the inverse problem of dynamics. For this purpose, a data set was obtained. Using record-ings from the VICON video capture system, kinematic characteristics were ob-tained, and using formulas derived from extensive anatomical research, the mass-inertial characteristics of human body segments were calculated. After which the loads on the hinge joints were calculated. The goal of the work is topological optimization of the existing exoskeleton frame in order to reduce mass and at the same time minimize the compliance of the nodes. Also calculate the number of operating cycles of each node. As a result, an optimized geometry of the nodes was obtained, as well as the stress fields in them. The deformations of the nodes under load were ob-tained. The approaches outlined in this work may be useful for the future design of lighter, stronger, and more advanced exoskeletons.