izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2023-27-1-111-125izvestswsu-1093Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentАдаптивный алгоритм системы пользовательского интерфейса инвалидной коляской-вертикализаторомAdaptive Algorithm of the Wheelchair-Verticalizer User Interface Systemhttps://orcid.org/0000-0002-7420-0772ЯцунС. Ф.YatsunS. F.

Яцун Сергей Фёдорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики, мехатроники и робототехникиResearcherID G-3891-2017 

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Sergey F. Yatsun, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Head of Mechanics, Mechatronics and Robotics Department

ResearcherID G-3891-2017 

 50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

teormeh@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2902-1721МальчиковА. В.Mal’chikovA. V.

Мальчиков Андрей Васильевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры механики, мехатроники и робототехникиResearcherID N-8856-2016 

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Andrey V. Mal’chikov, Cand. of Sci. (Engineering), Senior Researcher of Mechanics, Mechatronics and Robotics Department

ResearcherID N-8856-2016 

 50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

zveroknnp@gmail.comЩербаковаМ. П.ShcherbakovaM. P.

Щербакова Мария Петровна, инженер научно-исследовательской лаборатории кафедры механики, мехатроники и робототехники

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Mariya P. Shcherbakova, Engineer of the Research Laboratory of the Mechanics, Mechatronics and Robotics Department 

 50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

5-storm-7@mail.ruЮго-Западный государственный университетSouthwest State University202304042023271111125Copyright © Яцун С.Ф., Мальчиков А.В., Щербакова М.П., 20232023Яцун С.Ф., Мальчиков А.В., Щербакова М.П.Yatsun S.F., Mal’chikov A.V., Shcherbakova M.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1093

Цель. Разработка схемы и адаптивного алгоритма работы интеллектуальной человеко-машинной системы пользовательского интерфейса инвалидной коляски-вертикализатора, учитывающего физиологические особенности оператора, колесной платформы и внешней среды.Задачи. Изучение физиологических особенностей человеко-машинного взаимодействия у людей с повреждением опорно-двигательного аппарата. Разработка конструкции и математическое описание джойстика как компонента человеко-машинной системы. Разработка адаптивного алгоритма и математического обеспечения системы пользовательского интерфейса инвалидной коляски-вертикализатора.Методы. Использование метода конечных автоматов для описания алгоритма переключения режимов движения. Применение полиномиальных функций с целью получения гладких законов изменения задающих значений для приводов устройства. Использование нелинейных коэффициентов чувствительности рукоятки джойстика для обеспечения адаптивных режимов движения коляски-вертикализатора.Результаты. В ходе исследования были разработаны и описаны режимы движения инвалидной коляски-вертикализатора. Представлены и описаны схема конструкции и принцип работы джойстика. Математически и графически описаны режимы функционирования человеко-машинной системы. Предлагаемые в работе адаптивные алгоритмы системы пользовательского интерфейса инвалидной коляски-вертикализатора интерпретируют наклоны джойстика в задающие сигналы для регуляторов приводов коляски. Описано использование нелинейных коэффициентов чувствительности рукоятки джойстика для обеспечения адаптивных режимов работы коляски, учитывающих особенности движения рук людей с нарушениями функций опорно-двигательного аппарата, движение коляски и состояния внешней среды.Заключение. Разработанные в рамках работы адаптивные алгоритмы человеко-машинной системы и режимы движения инвалидной коляски-вертикализатора позволяют повысить безопасность и плавность движения за счет использования нелинейных коэффициентов чувствительности рукояти джойстика и гладких законов задающих воздействий, полученных на основании полиномиальных функций.

Purpose of reseach. Development of a scheme and adaptive algorithm for the operation of an intelligent humanmachine system for the user interface of a wheelchair-verticalizer, taking into account the physiological characteristics of the operator, the wheeled platform and the external environment.Tasks. The study of the physiological characteristics of human-machine interaction in people with damage to the musculoskeletal system. Design development and mathematical description of the joystick as a component of a human-machine system. Development of adaptive algorithm and software for the wheelchair user interface system. Methods. Using the method of finite-state machine to describe the algorithm of motion modes switches. The use of polynomial functions in order to obtain smooth laws for changing the setpoints for the device drives. The use of nonlinear sensitivity coefficients of the joystick handle to provide adaptive modes of movement of the wheelchairverticalizer. Results. In the course of the study, the modes of movement of a wheelchair-verticalizer were developed and described. The design scheme and principle of operation of the joystick are presented and described. The modes of operation of the human-machine system was described mathematically and graphically. The adaptive algorithm of the user interface system of a wheelchair-verticalizer proposed in the paper interpret joystick inclinations into setpoints signals for wheelchair drive controllers. The use of non-linear sensitivity coefficients of the joystick handle to provide adaptive modes of operation of the wheelchair, taking into account the features of the hands movement of people with impaired functions of the musculoskeletal system, the movement of the wheelchair and the state of environment, is described.Conclusion. The adaptive algorithms of the human-machine system and the modes of movement of the upright wheelchair developed within the framework of the work make it possible to increase the safety and smoothness of movement through the use of non-linear sensitivity coefficients of the joystick handle and smooth laws of setting influences obtained on the basis of polynomial functions.

инвалидная коляска-вертикализаторджойстикадаптивные алгоритмырежимы движениягладкая функцияконечный автоматwheelchair-verticalizerjoystickadaptive algorithmmotion modessmooth functionfinite-state machineИсследование выполнено при финансовой поддержке программы стратегического развития вузов "Приоритет-2030".The work is supported by the program "Priority 2030".ReferencesКрапивина Ю. Д., Киба Д. А. Система управления вертикализатором для инвалидных колясок // Производственные технологии будущего: от создания к внедрению. Комсомальск-на -Амуре, 2017. С. 114-116.Krapivina Yu. D., Kiba D. A. [Control system for a wheelchair-verticalizer]. Proizvodstvennye tekhnologii budushchego: ot sozdaniya k vnedreniyu [Production technologies of the future: from creation to implementation]. Komsomolsk-na-Amure, 2017, pp. 114-116 (In Russ.).Щербакова М. П., Мальчиков А. В. Разработка многоканальной САУ инвалидной коляски-вертикализатора // Информационные технологии в управлении, автоматизации и мехатронике. Курск, 2021. С. 300-303.Shcherbakova M. P., Boyskov A. V. [Development of a multi-channel automatic control system for a wheelchair-uprightizer]. Informatsionnye tekhnologii v upravlenii, avtomatizatsii i mekhatronike [Information technologies in management, automation and mechatronics], 2021, pp. 300-303 (In Russ.).Simpson R. C. Smart wheelchairs: A literature review // Journal of rehabilitation research and development. 2005. Т. 42. №. 4. С. 423.Simpson R. C. Smart wheelchairs: A literature review. Journal of rehabilitation research and development, 2005, vol. 42, no. 4, pp. 423.Lankenau A., Rofer T. Smart Wheelchairs - State of the Art in an Emerging Market // KI. 2000. Vol. 14. №. 4. P. 37-39.Lankenau A., Rofer T. Smart Wheelchairs – State of the Art in an Emerging Market. KI, 2000, vol. 14, no. 4, pp. 37-39.Вертикализация: обоснование ключевой роли в общей системе реабилитации / С. Г. Щербак, А. Е. Терешин, А. С. Голота, А. Б. Крассий // Медицинский алфавит. 2010. Т. 1. №. 4. С. 32-34.Shcherbak S. G., Tereshin A. E., Golota A. S., Krassy A. B. Vertikalizatsiya: obosnovanie klyuchevoi roli v obshchei sisteme reabilitatsii [Verticalization: substantiation of the key role in the general system of rehabilitation]. Meditsinskii alfavit = Medical Alphabet, 2010, vol.1, no. 4, pp. 32-34.Макарова М. Р., Ромашин О. В. Вертикализация как фактор ранней реабилитации больных с травматической болезнью спинного мозга // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2013. Т. 90. №. 4. С. 47-52.Makarova M. R., Romashin O. V. Vertikalizatsiya kak faktor rannei reabilitatsii bol'nykh s travmaticheskoi bolezn'yu spinnogo mozga [Verticalization as a factor in early rehabilitation of patients with traumatic spinal cord disease]. Voprosy kurortologii, fizioterapii i lechebnoi fizicheskoi kul'tury = Questions of Balneology, Physiotherapy and Exercise Therapy, 2013, vol. 90, no. 4, pp. 47-52.Вадутов Р. Р., Быков Е. В., Коломиец О. И. Эффективность ранней вертикализации после оперативного лечения поясничного отдела позвоночника // Педагогикопсихологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. 2018. Т. 13. №. 2. С. 232-238.Vadutov R. R., Bykov E. V., Kolomiets O. I. Effektivnost' rannei vertikalizatsii posle operativnogo lecheniya poyasnichnogo otdela pozvonochnika [Efficiency of early verticalization after surgical treatment of the lumbar spine]. Pedagogiko-psikhologicheskie i medikobiologicheskie problemy fizicheskoi kul'tury i sporta = Pedagogical-Psychological and Medical-Biological Problems of Physical Culture and Sports, 2018, vol.13, no. 2, pp. 232-238.Barondess, J. A., Cullen, M., De Lateur, B. Musculoskeletal disorders and the workplace. Washington, DC: National Academy of Sciences, 2001.Barondess J. A., Cullen M., De Lateur B. Musculoskeletal disorders and the workplace. Washington, DC: National Academy of Sciences. 2001.Разработка вертикальной направляющей для процесса вертикализации ИКВ / А.В. Мальчиков, М.П. Щербакова, Л.В. Березина, А.С. Печурин, А.Ю. Белов // Молодежь и XXI век - 2020. Т. 4. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2020. С. 171-174.Malchikov A.V., Shcherbakova M.P., Berezina L.V., Pechurin A.S., Belov A.Yu. [Development of a vertical guide for the ICR verticalization process]. Molodezh' i XXI vek [Youth and XXI century]. Kursk, 2020, pp. 171-174 (In Russ.).Щербакова М.П., Рукавицын А.Н. Гусева Ю.В., Развитие биомехатронных технологий для людей с ограниченными физическими возможностями. Школа юных инноваторов. Курск, 2018. 435 с.Shcherbakova M.P., Rukavitsyn A.N. Guseva Yu.V. [Development of biomechatronic technologies for people with disabilities]. Shkola yunykh innovatorov [School of young innovators]. Kursk, 2018, 435 p. (In Russ.).Modeling of human-machine interaction in an industrial exoskeleton control system / S. Jatsun, A. Malchikov, O. Loktionova, A. Yatsun // International Conference on Interactive Collaborative Robotics. Springer, Cham, 2020. P. 116-125.Jatsun S., Malchikov A., Loktionova O., Yatsun A. Modeling of human-machine interaction in an industrial exoskeleton control system. International Conference on Interactive Collaborative Robotics. Springer, Cham, 2020, pp. 116-125.Hartman A., Nandikolla V. K. Human-machine interface for a smart wheelchair // Journal of Robotics. 2019.Hartman A., Nandikolla V. K. Human-machine interface for a smart wheelchair. Journal of Robotics. 2019.Incorporating user inputs in motion planning for a smart wheelchair / S. P. Parikh, V. Grassi, V. Kumar, J. Okamoto // IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04. 2004. IEEE, 2004. Vol.2. P. 2043-2048.Parikh S. P., Grassi V., Kumar V., Okamoto J. Incorporating user inputs in motion planning for a smart wheelchair. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04, IEEE, 2004, vol.2, pp. 2043-2048.Marchal-Crespo L., Furumasu J., Reinkensmeyer D. J. A robotic wheelchair trainer: design overview and a feasibility study // Journal of neuroengineering and rehabilitation. 2010. Vol. 7. №. 1. P. 1-12.Marchal-Crespo L., Furumasu J., Reinkensmeyer D. J. A robotic wheelchair trainer: design overview and a feasibility study. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 2010, vol. 7, no. 1, pp. 1-12.Simulation of a walking robot-exoskeleton movement on a movable base / S. Jatsun, A. Malchikov, A. Yatsun, A. S. M. Leon // Journal of Artificial Intelligence and Technology. 2021. Vol. 1. №. 4. P. 207-213.Jatsun S., Malchikov A., Yatsun A., Leon A. S. M. Simulation of a walking robotexoskeleton movement on a movable base. Journal of Artificial Intelligence and Technology, 2021, vol. 1, no. 4, pp. 207-213.Бартенев В.В., Яцун С.Ф. Анализ методов управления движением мобильных колесных роботов по заданной траектории // Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных трудов международной конференции. Курск, 2012. С. 144-152.Bartenev V.V., Yatsun S.F. [Analysis of methods for controlling the movement of mobile wheeled robots along a given trajectory]. Upravlyaemye vibratsionnye tekhnologii i mashiny. Sbornik nauchnykh trudov mezhdunarodnoi konferentsii [Controlled vibration technologies and machines. Collection of scientific papers of an international conference]. Kursk, 2012, pp. 144-152 (In Russ.).Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям / В. Г. Градецкий, В. Б. Вешников, С. В. Калиниченко, Л. Н. Кравчук. М.: Наука, 2001. С. 26-91.Gradetsky V. G., Veshnikov V. B., Kalinichenko S. V., Kravchuk L. N. Upravlyaemoe dvizhenie mobil'nykh robotov po proizvol'no orientirovannym v prostranstve poverkhnostyam [Controlled motion of mobile robots on surfaces arbitrarily oriented in space]. Moscow, Nauka Publ., 2001, pp. 26-91.Tzafestas S. G. Mobile robot control and navigation: A global overview //Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2018. Vol. 91. № 1. P. 35-58.Tzafestas S. G. Mobile robot control and navigation: A global overview. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2018, vol. 91, no. 1, pp. 35-58.Бартенев В. В., Яцун С. Ф., Аль-Еззи А. С. Математическая модель движения мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами по горизонтальной плоскости // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. №. 4-1. С. 288-293.Bartenev V. V., Yatsun S. F., Al-Ezzi A. S. Matematicheskaya model' dvizheniya mobil'nogo robota s dvumya nezavisimymi vedushchimi kolesami po gorizontal'noi ploskosti [Mathematical model of the movement of a mobile robot with two independent driving wheels along a horizontal plane]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk = Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2011, vol.13, no.4-1, pp. 288-293.

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