priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-7-527-534pribor-302Research ArticleНАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИSCIENTIFIC AND PRACTICAL DEVELOPMENTSПрименение эластичных актюаторов с торсионной пружиной переменной жесткости в роботизированных устройствах реабилитацииApplication of Elastic Actuators with Torsion Spring of Variable Stiffness in Robotic Rehabilitation DevicesМаловМ. С.MalovM. S.

Михаил Сергеевич Малов – аспирант; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербур

Mikhail S. Malov – Post-Graduate Student; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

mishamalov1@gmail.comМусалимовВ. М.MusalimovV. M.

Виктор Михайлович Мусалимов – д-р техн. наук, профессор; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербур

Victor M. Musalimov – Dr. Sci., Professor; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

musvm@yandex.ruЛовлинС. Ю.LovlinS. Yu.

Сергей Юрьевич Ловлин – канд. техн. наук, доцент; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербур

Sergey Yu. Lovlin – PhD, Associate professor; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

Университет ИТМОITMO University202202122024657527534Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/302

Исследуется вопрос оптимальной упругости пружины в актюаторе с целью разработки эффективных и компактных гибких соединений с использованием физических пружин для возможного применения в носимых роботизированных устройствах реабилитации. Представлен обзор отечественных и зарубежных разработок, указаны различные подходы к классификация актюаторов по расположению пружины. Рассмотрены преимущества и недостатки альтернативных решений, разработан концепт плоского торсиона, который позволит собирать несколько пружин на одном валу.

The issue of optimal spring elasticity in the actuator is investigated in order to develop efficient and compact flexible joints using physical springs for possible use in wearable robotic rehabilitation devices. An overview of domestic and foreign developments is presented, various approaches to the classification of actuators by the spring location are described. The advantages and disadvantages of alternative solutions are considered; a concept of flat torsion is developed, which allows for assembling several springs on one shaft.

роботизированная локомоторная реабилитацияпеременная жесткостьупругий актюаторrobotic locomotor rehabilitationvariable stiffnesselastic actuatorReferencesKhatib O., Yokoi K., Brock O., Chang Kyong Sok, Casal A. Robots in Human Environments: Basic Autonomous Capabilities // Intern. Journal Robotic Res. 1999. N 18. P. 684—696.Khatib O., Yokoi K., & Brock O., Chang K., Casal A. Intern. J. Robotic Res., 1999, no. 18, pp. 684–696.De Santis A., Siciliano B., De Luca A., Bicchi A. An atlas of physical human–robot interaction // Mechanism and Machine Theory. 2008. Vol. 43, iss. 3. P. 253—270, DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2007.03.003.De Santis A., Siciliano B., De Luca A., Bicchi A. Mechanism and Machine Theory, 2008, no. 3 (43), pp. 253–270, ISSN 0094-114X, https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2007.03.003.Williamson M. M. Series Elastic Actuators // Tech. Rep. 1524: Massachusetts Institute of Technology. Boston, 1995.Williamson M.M. Series Elastic Actuators, Tech. Rep. 1524: Massachusetts Institute of Technology. Boston, 1995.Robinson D. W., Pratt J. E., Paluska D. J., Pratt G. A. Series Elastic Actuator Development for a Biomimetic Walking Robot // IEEE/ASME Intern. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics, Atlanta, GA, Sept. 19—22, 1999.Robinson D.W., Pratt J.E., Paluska D.J., Pratt G.A. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Sept. 19–22, 1999, Atlanta, GA.Paine N., Oh S., Sentis L. Design and control considerations for highperformance series elastic actuators // IEEE/ASME Trans. on Mechatronics. 2014. Vol. 19. P. 1080—1091.Paine N., Oh S., Sentis L. IEEE/ASME Trans. Mechatron., 2014, no. 19, pp. 1080–1091.Paine N., Mehling J. S., Holley J., Radford N. A., Johnson G., Fok C. L., Sentis L. Actuator Control for the NASAJSC Valkyrie Humanoid Robot: A Decoupled Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots // J. Field Robot. 2015. N 32. P. 378—396.Paine N., Mehling J.S., Holley J., Radford N.A., Johnson G., Fok C.L., Sentis L. J. Field Robot., 2015, no. 32, pp. 378–396.Carpino G., Accoto D., Sergi F., Tagliamonte L. N., Guglielmelli E. A Novel Compact Torsional Spring for Series Elastic Actuators for Assistive Wearable Robots // ASME Journal of Mechanical Design. 2012. N 134(12). P. 121002. DOI: 10.1115/1.4007695.Carpino G., Accoto D., Sergi F., Tagliamonte L.N., and Guglielmelli E. ASME. J. Mech. Des., December 2012, no. 12(134), pp. 121002, https://doi.org/10.1115/1.4007695.Veneman J. F., Ekkelenkamp R., Kruidhof R., Helm F. van der, Kooij H. van der. A series elastic- and bowdencable-based actuation system for use as torque actuator in exoskeleton-type robots // Intern. Journal of Robotics Research. 2006. N 25(3). P. 261—281.Veneman J.F., Ekkelenkamp R., Kruidhof R., van der Helm F., and van der Kooij H. International Journal of Robotics Research, 2006, no. 3(25), pp. 261–281.Tsagarakis N., Laffranchi M., Vanderborght B., Caldwell D. A compact soft actuator unit for small scale human friendly robots // Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. 2009. P. 4356—4362.Tsagarakis N., Laffranchi M., Vanderborght B., and Caldwell D. Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2009, pp. 4356–4362.Lagoda C., Schouten A., Stienen A., Hekman E., Kooij H. van der. Design of an electric series elastic actuated joint for robotic gait rehabilitation training // Proc. of the 3rd IEEE RAS and EMBS Intern. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics. 2010. P. 21—26.Lagoda C., Schouten A., Stienen A., Hekman E., and van der Kooij H. Proc. 3rd IEEE RAS and EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2010, pp. 21–26.Stienen A., Hekman E., Braak H. ter, Aalsma A., Helm F. van der, Kooij H. van der. Design of a rotational hydroelastic actuator for a powered exoskeleton for upper limb rehabilitation // IEEE Trans. on Biomedical Engineering. 2010. N 57(3). P. 728—735.Stienen A., Hekman E., ter Braak H., Aalsma A., van der Helm F., and van der Kooij H. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2010, no. 3(57), pp. 728–735.Knox B., Schmiedeler J. P. A unidirectional series-elastic actuator design using a spiral torsion spring // ASME Journal of Mechanical Design. 2009. N 131(125001). P. 1—5.Knox B., and Schmiedeler J.P. ASME Journal of Mechanical Design, 2009, no. 131(125001), pp. 1–5.Геофизический комплекс 01-МТ8-1. Техническое описание. СПб: СПбФ ИЗМИРАН, 2009. 38 с.Geofizicheskiy kompleks 01-MT8-1. Tekhnicheskoye opisaniye (Geophysical Complex 01-MT8-1. Technical Description), St. Petersburg, 2009, 38 р. (in Russ.)Мусалимов В. М. Механика деформируемого кабеля. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 203 с.Musalimov V.M. Mekhanika deformiruyemogo kabelya (Deformable Cable Mechanics), St. Petersburg, 2005, 203 р. (in Russ.)Мусалимов В. М., Мокряк С. Я., Соханев Б. В., Шиянов В. Д. Определение упругих характеристик гибких кабелей на основе модели спирально-анизотропного тела // Механика композитных материалов. 1984. № 1. С. 136—141.Musalimov V.M., Mokryak S.Ya., Sokhanev B.V., Shiyanov V.D. Mekhanika kompozitnykh materialov, 1984, no. 1, pp. 136–141. (in Russ.)Мусалимов В. М., Перепелкина С. Ю., Паасуке М., Гапеева Е., Ерелине Я. Статистическое моделирование передаточных отношений коленного сустава // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. № 20 (3). С. 446—454.Musalimov V.M., Perepelkina S.Yu., Pääsuke M., Gapeeva E.N., Ereline J. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2020, no. 3 (20), pp. 446–454, DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-446-454. (in Russ.)Даминов В. Д. Роботизированная локомоторная терапия в нейрореабилитации // Вестн. восстановительной медицины. 2012. № 1.Daminov V.D. Vestnik vosstanovitel'noy meditsiny, 2012, no. 1. (in Russ.)Qian Chenglong, Zhu Aibin, Song Jiyuan, Shen Huang, Zhang Xiaodong, Cao Guangzhong. Design and Control of a Novel Series Elastic Actuator for Knee Exoskeleton // Proc. of the 12th Intern. Conf. on Intelligent Robotics & Applications, ICIRA. 2019. P. 629—640. DOI: 10.1007/978-3-030-27535-8_56.Qia Chenglong, Zhu Aibin, Song Jiyuan, Shen Huang, Zhang Xiaodong, Cao Guangzhong, Design and Control of a Novel Series Elastic Actuator for Knee Exoskeleton, 2019, DOI: 10.1007/978-3-030-27535-8_56.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.