Alaraajaeksoskeletonien mekaaniset haasteet ja ratkaisut

Thumbnail Image

Files

bachelor_Raitasalo_Otso_2026.pdf (875.04 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | 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

2025-12-08

Department

Major/Subject

Energy and mechanical engineering

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Engineering
Insinööritieteiden kandidaattiohjelma
Kandidatprogrammet i ingenjörsvetenskap

Language

fi

Pages

25

Series

Abstract

This bachelor’s thesis examines how the mechanical design of lower limb exoskeletons seeks to address the challenges posed by human biomechanics. The work is a literature review in which four key design challenges are first identified based on lower limb biomechanics: joint geometry and kinematic compatibility, the mechanical interface between human and device, management of mass and inertia, and requirements related to energy and dynamic behaviour. These challenges are then used as a framework to analyse four distinct lower limb exoskeleton solutions: two rigid active devices, one non-anthropomorphic load-carrying exoskeleton, and one soft quasi-passive exosuit. The results show that there is no single optimal mechanical solution; instead, exoskeleton design is inherently a matter of managing tradeoffs between the four identified challenges. Rigid anthropomorphic devices enable accurate torque transmission at individual joints but are penalised by added mass and soft tissue loading at the interface. The non-anthropomorphic load-carrying solution circumvents joint geometry issues, but shifts the design focus towards energy efficiency and load transfer. The soft quasi-passive exoskeleton reduces misalignment and distal mass, yet makes force transmission and interface mechanics more difficult to characterise and control. The thesis concludes that exoskeleton mechanical design is less about finding a universal “best” solution and more about task- and user-specific prioritisation of which biomechanical challenges are most critical to address in each application.

Tämä kandidaatintyö tarkastelee, miten alaraajaeksoskeletonien mekaanisessa suunnittelussa pyritään vastaamaan ihmisen biomekaniikan asettamiin haasteisiin. Työ on kirjallisuuskatsaus, jossa ensin jäsennetään alaraajan biomekaniikkaan perustuen neljä keskeistä suunnitteluhaastetta: nivelgeometrian ja kinemaattisen yhteensopivuuden varmistaminen, ihmisen ja laitteen välisen mekaanisen rajapinnan toteutus, massan ja inertian hallinta sekä energiaa ja dynaamista käyttäytymistä koskevat vaatimukset. Tämän jälkeen analysoidaan neljä toisistaan selvästi poikkeavaa alaraajaeksoskeletonratkaisua – kahta jäykkää aktiivista, yhtä ei-antropomorfista kuormankantoeksoskeletonia sekä pehmeää puoliaktiivista exosuit-ratkaisua – näiden haasteiden näkökulmasta. Tulokset osoittavat, ettei eksoskeletonien mekaanisessa suunnittelussa ole yhtä optimaalista ratkaisua, vaan suunnittelu on aina kompromissien hallintaa edellä mainittujen neljän haasteen välillä. Jäykät antropomorfiset ratkaisut mahdollistavat tarkan momentinsiirron yksittäisissä nivelissä, mutta kärsivät massasta ja rajapintakuormituksesta. Ei-antropomorfinen kuormankantoratkaisu kiertää nivelgeometrian haasteet, mutta siirtää painopisteen energiatehokkuuteen ja kuormansiirtoon. Pehmeä puoliaktiivinen exoskeleton vähentää epälinjausta ja distaalista massaa, mutta tekee voimansiirrosta ja rajapinnan mekaanisesta analyysistä vaikeammin hallittavan. Johtopäätöksenä työ korostaa, että eksoskeletonien mekaaninen suunnittelu ei ole “parhaan” yleisratkaisun etsimistä, vaan tehtävä- ja käyttäjäryhmäkohtaista priorisointia siitä, mitkä biomekaanisista haasteista on kussakin sovelluksessa perusteltua asettaa etusijalle.

Description

Supervisor

Viitala, Raine

Thesis advisor

Kiviluoma, Panu

Keywords

alaraajaeksoskeletoni, biomekaniikka, puettava robotiikka, pehmeät eksoskeletonit

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202601021040

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG