Методы параметрического синтеза и проектирования гибридной робототехнической системы для реабилитации нижних конечностей

Целью диссертационной работы является разработка моделей двухмодульной гибридной робототехнической системы для реабилитации нижних конечностей с расширенными функциональными и эксплуатационными характеристиками и методов определения ее оптимальных геометрических и конструктивных параметров. Научная новизна: 1. Предложена гибридная модульная структура робототехнической системы для реабилитации нижних конечностей, выполненная на базе двух идентичных по структуре модулей, включающих активный 3- PRRR манипулятор для перемещения стопы пациента и пассивный ортез на базе RRR механизма для поддержки нижней конечности. Показана возможность за счет модульной структуры изменять параметры системы в зависимости требуемой программы реабилитации, антропометрии пациента и особенностей заболевания, использовать как один модуль для одной конечности, так и два модуля одновременно для обеих конечностей. 2. Разработана математическая модель, описывающая зависимость положений звеньев активных и пассивных механизмов двух модулей от углов в шарнирах пассивного ортеза с учётом вариантов креплений кинематических цепей активных манипуляторов к подвижным платформе и их конфигураций. Получены условия достижимости положений платформ, исключающие возможные пересечения и столкновения звеньев. 3. Разработан метод параметрического синтеза гибридной робототехнической системы модульной структуры с учётом сформированных уровней параметрических ограничений в зависимости от эргономичности и технологичности конструкции на основе критерия в виде свёртки, включающей два компонента, один из которых основан на минимизации недостижимых точек траектории с учётом особенностей антропометрических данных, а другой - на компактности конструкции. Установлено, что увеличение уровня параметрических ограничений снижает показатели компактности конструкции в пределах от 0,57 до 10,56%. Но при этом достигается существенное улучшение эргономичности и технологичности конструкции. 4. Разработан двухэтапный эвристический алгоритм оптимизации геометрических параметров, на первом этапе которого выполняется поиск области допустимых конфигураций, а на втором область оптимальных конфигураций. Это обеспечивается вариативностью критерия оптимизации за счёт обнуления второго компонента с использованием функции Хевисайда в случае наличия недостижимых положений. В алгоритме предусмотрена возможность хранения структурированных массивов данных, описывающих геометрию робототехнической системы и особенности уровней параметрических ограничений. По результатам численного эксперимента получена наилучшая конфигурация для проектирования. 5. Разработан метод автоматизированного проектирования двухмодульной гибридной робототехнической системы с использованием CAD/CAE-систем, включающий создание точной параметризованной электронно-цифровой и имитационной динамической моделей. с учетом особенностей антропометрических и физиологических данных пациентов, сило-моментных характеристик в приводах. Выявлена необходимость корректировки в конструкции шарнирных соединений для обеспечения требуемых движений при сохранении полученных кинематических соотношений. Предложено и экспериментально подтверждено использование для обеспечения безопасности подвесного предохранительного устройства для компенсации избыточной нагрузки, действующей со стороны активного манипулятора на конечность пациента, что позволяет за счет упругих элементов компенсировать движения активного манипулятора, недопустимые физиологией пациента.Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе в БГТУ им.В.Г. Шухова при подготовке студентов и магистров по направлению подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» - профиль программы «Технология машиностроения» и направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника» - профиль программы «Робототехника и искусственный интеллект». Полученные в диссертационной работе результаты используются в проектно-конструкторской и производственной деятельности ООО «Протезное предприятие» (г. Курск).