Александр Олегович Блинов, ассистент
кафедра «Технологические машины и оборудование»
214013
Энергетический проезд, 1
Смоленск
Аlexander О. Blinov
Smolensk Branch
1, Energeticheskii proezd
Smolensk
Андрей Валерьевич Борисов, профессор, доктор физико-математических наук, доцент
кафедра «Технологические машины и оборудование»
214013
Энергетический проезд, 1
Смоленск
ScopusID
Аndrey V. Borisov
Smolensk Branch
1, Energeticheskii proezd
Smolensk
Лариса Владимировна Кончина, доцент кафедры, кандидат физико-математических наук, доцент
кафедра «Технологические машины и оборудование»
214013
Энергетический проезд, 1
Смоленск
Larisa V. Konchina
Smolensk Branch
1, Energeticheskii proezd
Smolensk
Марина Александровна Новикова, старший преподаватель
кафедра «Технологические машины и оборудование»
214013
Энергетический проезд, 1
Смоленск
Marina A. Novikova
Smolensk Branch
1, Energeticheskii proezd
Smolensk
Анатолий Власович Чигарев, профессор факультета, доктор физико-математических наук, профессор
механико-математический факультет
220030
пр. Независимости, 4
Минск
ORCID
Anatoly V. Chigarev
4, Nezavisimosti Avenue
Minsk
Introduction. The article investigated one of the problems of creating exoskeletons — controlling the properties of magnetic rheological fluid in links of variable length with adjustable stiffness. Based on the research of domestic and foreign authors, the development and urgency of the topic was evaluated. The disadvantage of known exoskeleton models has been specified, i.e., the use of absolutely solid links, whose dynamics does not convey the dynamics of the human musculoskeletal system.
The scientific research aimed at the formation of a new direction in the development of exoskeletons that accurately simulate the biomechanics of movements. Materials and Methods. Different states of structures of variable-length links with a magnetorheological fluid were studied. It has been noted that the links work on the principle of magnetic shock absorbers and consist of a piston rod, electromagnetic coils, and a housing filled with magnetorheological fluid. The ordering effect of an external magnetic field on the particles of a magnetorheological fluid was visualized and mathematically presented. The significance of such factors as time, charge density, magnetic field strength, as well as vectors of electric and magnetic induction, electric intensity and electric current density for this system was shown. The input parameter affecting the behavior of the magnetorheological fluid was determined. This was the magnetic field intensity. It was shown that the viscosity of the liquid varied depending on the shape of the magnetic particles (oblong or oblate ellipsoid). Results. The dependences that were fundamental for solving the task were investigated and visualized. The magnetic field strength and the angle between the vector directed along a straight line connecting the centers of two micron particles, and the vector of the external magnetic field strength were taken as the basic parameters. It was shown how the magnetic moment, voltage and its antisymmetric part depended on them. It was established that to control the properties of a magnetorheological fluid, it was required to change: – the external magnetic field intensity; – the angle between the external magnetic field intensity and the orientation vector between the dipoles. Two values of force were compared: one – for a given link design, and the other — fixed when walking in the lower leg of a person. The consistency of these indicators was established. Discussion and Conclusion. The scientific research results allowed us to present: – a method for controlling the properties of a magnetorheological fluid by an external magnetic field; – a variable-length link model with adjustable stiffness. The results obtained can be used in modeling multilink structures to create comfortable exoskeletons that interact synchronously with the human musculoskeletal system as a single human-machine system. The development is applicable to solving significant social and economic problems.
Введение. Статья посвящена одной из проблем создания экзоскелетов — управлению свойствами магнитно-реологической жидкости в звеньях переменной длины с регулируемой жесткостью. По исследованиям отечественных и зарубежных авторов оценена разработанность и актуальность темы. Выявлен недостаток известных моделей экзоскелетов — использование абсолютно твердых звеньев, динамика которых не передает динамику опорно-двигательного аппарата человека.
Цель научных изысканий — формирование нового направления развития экзоскелетов, достаточно точно моделирующих биомеханику движений. Материалы и методы. Рассмотрены разные состояния конструкций звеньев переменной длины с магнитно-реологической жидкостью. Отмечено, что звенья работают по принципу магнитных амортизаторов и состоят из штока с поршнем, электромагнитных катушек и корпуса, заполненного магнитно-реологической жидкостью. Визуализировано и математически представлено упорядочивающее воздействие внешнего магнитного поля на частицы магнитно-реологической жидкости. Показано значение для данной системы таких факторов, как: время, плотность зарядов, напряженность магнитного поля, а также векторы электрической и магнитной индукции, электрической напряженности и плотности электрического тока. Определен входной параметр,влияющий на поведение магнитно-реологической жидкости. Это – напряженность магнитного поля. Показано, что вязкость жидкости меняется в зависимости от формы магнитных частиц (вытянутый или сплюснутый эллипсоид). Результаты исследования. Исследованы и визуализированы зависимости, принципиальные для решения поставленной задачи. Приняты как базовые параметры напряженность магнитного поля, а также угол между вектором, направленным вдоль прямой, соединяющей центры двух микронных частиц, и вектором напряженности внешнего магнитного поля. Показано, каким образом от них зависят магнитный момент, напряжение и его антисимметричная часть. Установлено, что для управления свойствами магнитно-реологической жидкости необходимо менять: – напряженность внешнего магнитного поля; – угол между напряженностью внешнего магнитного поля и вектором ориентации между диполями. Сравниваются два значения силы: для заданной конструкции звена и фиксируемые при ходьбе в голени человека. Установлена согласованность этих показателей. Обсуждение и заключения. Результаты научных изысканий позволили представить: – метод управления свойствами магнитно-реологической жидкости внешним магнитным полем; – модель звена переменной длины с регулируемой жесткостью. Полученный результат можно использовать при моделировании многозвенных конструкций для создания комфортных экзоскелетов, синхронно взаимодействующих с опорно-двигательным аппаратом человека как единая человеко-машинная система. Разработка применима для решения значимых социальных и экономических задач.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.