КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-21-20104
НазваниеПоиск и теоретическое обоснование новых методов, алгоритмов и средств для расширения функциональных возможностей человеко-машинных систем
Руководитель Яцун Андрей Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" , Курская обл
Конкурс №100 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-319 - Механика машин и роботов
Ключевые слова мехатроника, робототехника, биоинженерия, человеко-машинный интерфейс, реабилитация, гравитационные компенсаторы, экзоскелет
Код ГРНТИ55.30.30
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены теоретические основы нового направления робототехники, являющегося междисциплинарным с точки зрения своего инструментария, и синергетическим с точки зрения своего влияния на ряд других областей.
В частности,
1. Будет разработана структура робототехнической системы с персонифицированным человеко-машинным интерфейсом, включающим комплект датчиков углов, датчиков сило-моментного взаимодействия и линейный гравитационный компенсатор, обеспечивающим заданную точность траектории движения звеньев РТС при кооперативном выполнении технологических операций.
2. Будут разработаны математические модели силовых факторов, действующих на ЧМС, учитывающих совместное влияние на показатели качества управления мышечной системы оператора и линейного гравитационного компенсатора, которые позволят оптимизировать параметры человеко-машинного интерфейса и повысить показатели качества управления - синхронизацию движений элементов носимой РТС - конечностей и туловища оператора, точность, быстродействие.
3. Будут разработаны математические модели, описывающие взаимодействие ЧМС, учитывающие кинематические и динамические особенности движения звеньев робота, что позволит исследовать на стадии проектирования погрешность движения звеньев по заданным оператором траекториям.
4. Будут разработаны алгоритм работы человеко-машинного интерфейса при планировании траектории движения, основанные на определении направления движения тела человека в характерных точках и контроле сил, возникающих при взаимодействии оператора и РТС, что позволит осуществить заданные траектории движения звеньев системы.
5. Будут разработаны и созданы прототипы носимых РТС, на примере экзоскелета, оснащенного гибридной энергетической установкой, включающей в себя системы электроприводов и гравитационные компенсаторы, обеспечивающие движение звеньев по заданной траектории.
6. Будут проведены экспериментальные исследования прототипа экзоскелета и проведено сравнение качества алгоритмов управления человеко-машинной системой на базе экспериментальных данных с теоретическими предпосылками, полученными на математической модели.
7. Будет активно проводится работа в направлениях мехатроники, робототехники, автоматизации и микросистемной техники путем выполнения контрактов междисциплинарных коллаборациях, организации научно-технических конференций и симпозиумов с приглашением ведущих специалистов промышленных предприятий региона и страны. Планируется обмен и взаимообучение преподавателей, студентов и молодых ученых с профильными университетами и лабораториями России, российскими и международными научными и образовательными организациями и фондами.
8. Будет активно проводится работа по популяризация научных знаний и довузовская профориентационная работа, проведение научных конференций студентов и аспирантов, мастер-классов и выставок, разработка и практическая реализация мер по мотивации талантливой молодежи для профессиональной карьеры в области мехатроники, робототехники, автоматизации и микросистемной технике.
Запланированные результаты соответствуют мировому уровню, а в части создания многоуровневой системы безопасности превышают его.
Социально-общественная значимость проекта направлена на расширение функциональных возможностей человека за счет применения ЧМС, а именно: в создании комфортных условий труда, обеспечивающих оптимальную работоспособность человека и сохранение его жизни и здоровья.
Социально-экономическая значимость проекта предполагает создание новых рабочих мест, повышение уровня занятости населения связанного с подготовкой и переподготовкой персонала при работе с современным роботизированным промышленным оборудованием, трудоустройство выпускников в наукоемкие инновационные компании, институты РАН, научно-исследовательские центры, научные парки и центры трансфера технологий. Обеспечение сотрудничества с промышленными предприятиями в области мехатроники, робототехники, автоматизации и микросистемной техники путем выполнения контрактов междисциплинарных коллаборациях, организации научно-технических конференций и симпозиумов, организации обмена сотрудниками, студентами и молодыми учеными с профильными университетами и лабораториями России, российскими и международными научными и образовательными организациями и фондами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработана структура роботизированной системы с персонифицированным человеко-машинным интерфейсом, включающим комплект датчиков углов, датчиков сило-моментного взаимодействия и линейный гравитационный компенсатором, которая обеспечивает заданную точность траектории движения звеньев РТС при кооперативном выполнении технологических операций.
Для выполнения заявленного пункта плана проведены следующие изыскания:
- проведен комплексный анализ существующих конструкций биоинженерных устройств, применяемых в различных сферах деятельности человека, в том числе с применением гравитационной компенсации;
- проведено научное обоснование и разработка структуры человеко-машинной системы на основе гибридной энергетической установки, включающей электроприводы и гравитационные компенсаторы, обеспечивающей расширение функциональных возможностей человека за счет применения РТС на основе информационной системы с элементами глобальной и локальной навигации, системой очувствления и безопасности;
- разработаны критерии функциональной эффективности РТС для адаптации человека в окружающей среде;
- разработана классификация биомехатронных устройства, учитывающих естественные движения в суставах человека совместно с биоинженерным устройством, с целью выбора наиболее рациональной конструкции РТС.
- разработаны методы кинематического и динамического анализов движения человеко-машинной системы как управляемой биоэлектромеханической многозвенной системы, оснащенной гибридной энергетической установкой включающей электроприводы шарниров и гравитационные компенсаторы;
- изготовлен лабораторный макет легкой версии экзоскелета для оценки тонуса мышц нижних конечностей, проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные. Определены возможности совершенствования устройства с учетом результатов анализа данных;
- по тематике проекта проведена школа молодых ученых на территории Российской Федерации с участием в качестве лекторов не менее семи ведущих ученых; в качестве слушателей не менее двадцати молодых ученых в возрасте до 35 лет.
Программы и отчеты о проведении мероприятия - школы молодых ученых размещены и информационно-телекоммуникационной сети Internet (https://vk.com/swsu_robotics?w=wall-108852_59717).
Полученные промежуточные результаты систематизации и оценки полученных данных представлены в серии научных статей, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах.
Публикации
1.
Яцун С.Ф., Емельянова О.В., Фурсов Г.А.
Modeling of Controlled Motion of a Rehabilitation Exoskeleton for the Lower Extremities
IEEE, Jatsun S., Emelyanova O., Fursov G. Modeling of Controlled Motion of a Rehabilitation Exoskeleton for the Lower Extremities //2025 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – IEEE, 2025. – С. 682-687. (год публикации - 2025)
10.1109/ICIEAM65163.2025.11028542
2. Давидова К.А., Сидорова А.А., Емельянова О.В. Определение сил, действующих в суставах нижних конечностей пациента в реабилитационном экзоскелете МЦ «Новые научные исследования», Давидова К.А., Сидорова А.А., Емельянова О.В. Определение сил, действующих в суставах нижних конечностей пациента в реабилитационном экзоскелете. Сборник статей VIII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и практические решения в науке». 2025 г. – С. 41-51. (год публикации - 2025)