Санкт-Петербург

Ключевые слова: управляемый ортез, фазы шага, биомеханика, экзоскелет, траекторное управление. 
Уже долгое время медицинские организации используют для лечения и реабилитации 
инвалидов ортезы-аппараты и экзоскелеты. Наиболее часто такие устройства используются 
после инсультов, в результате нейродегенеративных процессов, при переломах и травмах 
позвоночника. В этом случае ортезы-аппараты несут опорную функцию – поддержание 
вертикального положения и помогают восстановить двигательную активность. 
Целью работы являлось рассмотрение возможности использования кинетических и 
кинематических параметров совершаемого шага, в частности – углов сгибания и разгибания 
в коленном и тазобедренном суставе, для системы управления механизма манипулятора и 
дальнейшей адаптации для системы управления ортезом-аппаратом. 
Настоящая работа опирается на экспериментальные данные, полученные в результате 
исследований в лаборатории кинезиологии и биомеханики Тартуского университета с 
помощью оптической маркерной системы. Геометрические параметры сегментов тела 
пациентов были измерены антропометрическими методами. Кинетические характеристики 
шага исследовались при помощи оптоэлектронной системы для анализа движений Elite (BTS 
Engineering S.p.A., Италия) [1, 2]. 
В результате исследования были получены массивы данных об изменении угловых 
показателей сгибания и разгибания основных суставов за период совершения цикла шага. 
Результирующие зависимости углов от цикла шага представлены на рис. 1. 
Полученные данные были аппроксимированы и адаптированы для тестирования на 
манипуляторе. Для тестов исполнения траектории ходьбы по полученным данным 
использовался робот-манипулятор платформы KUKA YouBot, который состоит из 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
181 
манипулятора с 5-ю степенями подвижности и мобильной платформы. Манипулятор, 
задействованный для данного исследования, работает на двух типах бесщеточных 
двигателей: maxon EC 32 flat и maxon EC 45 flat, а также энкодере maxon MR encoder, type L. 
Управляющая система построена на базе Robotic Operating System (ROS). 
а 
б 
Рис. 1. Изменение угла флексии/экстензии для коленного сустава (а) 
и тазобедренного сустава (б) 
Траекторное управление осуществлялось скоростным регулятором, который представлен 
на рис. 2. Здесь: 
*
*
,
q q
– желаемые угол и угловая скорость; 
ctrl
q
– управляющая скорость; 
real
q
– текущая скорость звена манипулятора. Блок motor controller выполняет управление уже 
непосредственно скоростью двигателей и помощью подчиненного регулятора. 
Рис. 2. Скоростной регулятор 
Исполнение регулятором траектории представлено на рис. 3. Здесь: 
i
q
; 
i
q
, i=2–4 – углы 
и угловые скорости второго–четвертого звеньев манипулятора соответственно. Ошибка 
i
q
– 
разница между желаемым и реальным углами i-го звена. 
Рис. 3. Исполняемая регулятором траектория 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
182 
Полученные данные позволяют сделать вывод о возможности использования и 
адаптации данных, полученных в результате исследования антропометрических и 
биомеханических показателей совершаемого человеком шага, для системы управления 
манипулятором. Этот результат будет использован в дальнейшей работе для создания 
самостоятельного управляемого макета движения нижний конечности и разработки 
управляемого ортеза-аппарата.