Design Considerations for Lower-Limb Exoskeletons

Thumbnail Image

Files

Ruokolainen_Jenny_2025.pdf (955.31 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-16

Department

Major/Subject

Automaatio- ja systeemitekniikka

Mcode

ELE3014

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

32

Series

Abstract

Walking is one of the key abilities of humans. As the population is aging and the number of neurological impairments is increasing, walking dysfunctions are becoming more frequent. Lower-limb exoskeletons serve as a possible solution to rehabilitate this population. These devices help restore mobility and enhance rehabilitation in people with walking impairments. This bachelor’s thesis reviews current design choices from three different perspectives, human biomechanics, engineering solutions, and user-centred-design, to examine how these align together in clinical and home use settings with the goal of highlighting future directions of development. The objective of the thesis is to examine how technical aspects of exoskeletons and user needs meet. The research is limited to rehabilitative and assistive exoskeletons. The thesis is conducted as a comprehensive literature review and explores lower-limb biomechanics and common gait pathologies highlighting how these conditions influence exoskeleton requirements and design. Technical aspects are analysed, with a focus on efficient, wearable, and safe designs. Particular attention is given to actuator compliance, sensor integration, and adaptive control, which are essential for enabling natural movement. User-centred design considerations are explored, including the most important user requirements. The study concludes that exoskeleton design must carefully balance multiple competing requirements, as enhancing one feature often affects others. Findings show that many current devices are too heavy, expensive, and complex for independent home use. User expectations and rehabilitation goals vary, which further emphasises exoskeleton design considerations. Achieving an optimal balance is essential to create comfortable and user-friendly devices, aligned with individual needs, making users more likely to adopt and continue using them. Improvements in current technology are essential to satisfy user requirements.

Liikkumiskyky on keskeinen toiminto, joka parantaa yksilön itsenäistä toimintakykyä ja hyvinvointia. Neurologiset sairaudet, vammat ja ikääntyminen voivat kuitenkin johtaa kävelyhäiröihin, jotka heikentävät elämänlaatua ja kasvattavat avuntarvetta. Kuntouttavat ja avustavat alaraaja-eksoskeletonit, eli ulkoiset robottiset tukirangat, tarjoavat uudenlaisia ratkaisuja näihin haasteisiin. Ne tukevat ja tehostavat kävelyä, ja niitä voidaan käyttää henkilöillä, joilla on esimerkiksi aivohalvaus, selkäydinvamma, Parkinsonin tauti tai ikääntymiseen liittyviä motorisia ongelmia. Väestön ikääntyessä ja kuntoutus- sekä avuntarpeiden kasvaessa eksoskeletonien merkitys korostuu entisestään. Nykyiset laitteet kuitenkin kohtaavat haasteita laitteiden omaksumisessa, mitkä liittyvät suunnittelun ja käyttäjien tarpeiden yhteensovittamiseen. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella kuntouttavien ja avustavien alaraaja-eksoskeletonien keskeisiä suunnitteluominaisuuksia ja niiden yhteyttä kuntoutustavoitteisiin sekä käyttäjälähtöisiin tarpeisiin. Työ toteutettiin kirjallisuustutkielmana olemassa olevien alaraaja-eksoskeleton -tutkimusten pohjalta. Tämä näkökulma mahdollistaa analyysin teknisestä näkökulmasta ja käyttäjien tarpeista. Tutkimus on rajattu lääketieteellisiin, avustaviin ja kuntouttaviin eksoskeletoneihin keskittyen ihmisen ja eksoskeletonin väliseen vuorovaikutukseen kliinisessä ja päivittäisessä käytössä. Teollisuus- ja sotilaskäyttöiset laitteet on jätetty tutkimuksen ulkopuolelle. Lisäksi työ ottaa huomioon erityisesti kotikäytön ja arjen ympäristöjen vaatimukset, joissa laitteen helppokäyttöisyys ja mukautuvuus korostuvat. Tämä tutkielma esittelee eksoskeletonien suunnittelua kolmesta näkökulmasta: askelluksen biomekaniikasta, eksoskeletonien mekaanisista ominaisuuksista ja käyttäjälähtöisestä suunnittelusta. Aluksi käsitellään standardia askellusmallia ja sen häiriöitä eri sairauksien seurauksena. Askelhäiriöiden ymmärtäminen on tärkeää, koska yksilöiden biomekaaniset tarpeet toimivat pohjana teknisten ratkaisujen ymmärtämiselle. Toisena analysoidaan eksoskeletonien mekatroniikkaratkaisuja, kuten nivelten moottoreita, liikeratoja ja materiaalivalintoja, sekä painon ja voiman tasapainoa laitteen siirrettävyyden kannalta. Käyttäjien näkökulmasta korostetaan laitteen mukavuutta, turvallisuutta ja helppokäyttöisyyttä laitteen hyväksyttävyydelle käyttäjien näkökulmasta. Käyttäjälähtöinen suunnittelu mahdollistaa yksilöllisen säätämisen eri käyttäjien tarpeisiin, mikä on erityisen tärkeää monipuolisessa potilasryhmässä. Johtopäätöksenä tutkimus korostaa tarvetta yhdistää tekninen suunnittelu ja käyttäjien monipuoliset tarpeet, jotta eksoskeletoneista voidaan kehittää tehokkaita, turvallisia ja saavutettavia apuvälineitä kuntoutukseen ja avustukseen. Tasapainoittelu teknisten ominaisuuksien ja käyttäjien tarpeiden välillä on haastavaa, mikä vaikeuttaa eksoskeletonien suunnittelua. Esimerkiksi laitteen keventäminen parantaa käyttäjän mukavuutta, mutta samalla se voi heikentää laitteen tarjoamaa avustavaa voimaa, mikä saattaa rajoittaa sen soveltuvuutta käyttäjän tarpeisiin. Tulevaisuuden kehityksessä painopisteen tulee olla käytettävyyden ja mukavuuden parantamisessa sekä kustannusten alentamisessa, jotta laitteista saadaan hyödyllisiä työkaluja liikkumiskyvyn tukemiseen.

Description

Supervisor

Forsman, Pekka

Thesis advisor

Vujaklija, Ivan

Keywords

lower-limb exoskeleton, user-centred-design (UCD), gait rehabilitation, human biomechanics, actuators and control

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510077454

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC