Разработка гибридной роботизированной системы на основе пассивного ортеза и активного параллельного манипулятора для реабилитации нижних конечностей

Объект исследования: новые типы реабилитационных роботизированных систем, имеющих повышенные характеристики структурной жесткости механической конструкции, эргономичности, компактности системы, точности позиционирования, улучшенные массогабаритные характеристики и снижение динамической нагруженности на приводы, для обеспечения стабильного и безопасного перемещения нижних конечностей пациентов, а также построение системы управления на основе робастного контроллера и наблюдателя состояний с учетом неопределенностей и возмущений, связанных с типом требуемой терапии, состоянием и размерами пациентов.Цель работы: разработка математических и имитационных моделей гибридной роботизированной системы (РС), включающей пассивный ортез и активный параллельный робот с сервоприводами, для реабилитации нижних конечностей инвалидов и больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата, а также построение эффективных алгоритмов управления на базе робастных регуляторов и наблюдателей состояний и коррекции ошибок при наличии неопределенностей и действии возмущений, связанных с типом требуемой терапии, состоянием и размерами пациентов, разработка прототипа и интеграция системных компонентов, контроллера и датчиков. Ожидаемые результаты: Будет разработана и оптимизирована архитектура новой роботизированной системы реабилитации нижних конечностей на основе пассивного ортеза и активного параллельного манипулятора, будут разработаны методы аппроксимации рабочей области РС и синтезирован численный алгоритм для автоматизированного решения системы нелинейных неравенств. Будет создан программный многокомпонентный комплекс для описания рабочей области РС. Будут определены границы требуемого рабочего пространства для активного робота. Будут разработаны динамическая и имитационная модели роботизированной системы (РС) на основе уравнений Эйлера-Лагранжа с учетом характеристик приводов и датчиков. Результаты численного моделирования РС в симуляционной среде с использованием набора клинических данных, необходимых для восстановления конечностей, будут использованы для построения системы управления. Будет синтезирован нелинейный робастный регулятор состояний на основе комбинации обратных связей и интегральных скользящих режимов, который позволит объединить пассивную часть (измерение углов тазобедренного, коленного и голеностопного суставов) и активную часть параллельного робота (измерение перемещений и скоростей приводов). Использование в двухконтурной системе управления кинематического контроллера и динамического контроллера. Будет синтезирован наблюдатель состояний. Будет синтезирован алгоритм коррекции ошибок. На основе оптимизации геометрических и конструктивных параметров РС будет выполнено детальное проектирование отдельных модулей системы с учетом требуемых ресурсов и РС в целом. На основе функциональных и компоновочных схем будет изготовлен экспериментальный прототип РС и проведены экспериментальные испытания в режиме реального времени его кинематических характеристик. Будет обеспечена интеграция системных компонентов, датчиков и контроллера, и механической системы, состоящей из пассивного ортеза и активного параллельного манипулятора, и проведены экспериментальные исследования для проявления его терапевтических возможностей и обеспечения требуемого диапазонов пассивных перемещений в лабораторных (доклинических) условиях. Будет выполнена оптимизация параметров контроллера и тестирование его эффективности, включая повторяемость, разрешающую способность, производительность, точность, управление. Будет разработан графический пользовательский интерфейс и виртуальный симулятор РС для обучения терапевтов для реабилитации нижних конечностей.