The OpenXO. 3D Printed Modular Exoskeleton Segment

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-01-23
Department
Major/Subject
Space Robotics and Automation
Mcode
ELEC3047
Degree programme
Erasmus Mundus Space Master
Language
en
Pages
53
Series
Abstract
Exoskeletons are wearable devices that enhance or supplement the user’s natural abilities. They have been demonstrated to be effective in alleviating pain, reducing work related injuries, improving working conditions, and can play a pivotal role in improving recovery times and recovery outcomes. Commercial exoskeletons are expensive, specialized and not easily accessible to the average user. This thesis describes the design and manufacturing processes for the OpenXO, an open-source knee exoskeleton. The focus of the thesis is the design and manufacture of the exoskeleton drive system. It implements a cycloidal drive design. Additionally, a method of designing tapered crossed roller bearings was developed that allows for easy integration into elements of the drive system. The open source aspect is further supported by designing the OpenXO around commercially available additive manufacturing technologies. Rapid prototyping and iterative test-based design methods were used in conjunction with empirical testing and validation of both the design and manufacturing methods. Performance validations were conducted on an unpowered exoskeleton. The tests focus on ease of use and comfort. Validation on the exoskeleton and its components was performed at various stages during the design process. The resulting drive design was significantly lighter than commercially available solutions. The stator design implemented allows for press fit accuracy between the rotor and stator while allowing for smooth rotation. The fully assembled exoskeleton was tested by 5 individuals. All participants performed tasks to test the usability the exoskeleton in common day to day activities. The participants managed to perform several tasks with ease. However, the exoskeleton was prone to misalignment in specific circumstances. Gait analysis on a user wearing the exoskeleton shows that the exoskeleton does influence gait patterns. However, the user does not experience significant impact on their perceived range of motion. These tests do not demonstrate the effectiveness of the exoskeleton when it comes to powered assistance. Further work is needed to test and validate the powered assist functionality of the exoskeleton.

Eksoskeletonit ovat puettavia laitteita, jotka parantavat tai täydentävät käyttäjän luonnollisia kykyjä. Niiden on osoitettu olevan tehokkaita kipujen lievittämisessä, työtapaturmien vähentämisessä, työolosuhteiden parantamisessa ja niillä voi olla keskeinen rooli paranemisaikojen ja toipumistulosten parantamisessa. Kaupalliset eksoskeletonit ovat kalliita, erikoistuneita eivätkä tavallisen käyttäjän helposti saatavilla. Tämä opinnäytetyö kuvaa avoimen lähdekoodin polven eksoskeleton OpenXO:n suunnittelu- ja valmistusprosessit. Erityisesti painopiste on sykloidiseen käyttöjärjestelmään perustuvan ulkopuolisen tukirankajärjestelmän suunnittelussa ja valmistuksessa. Lisäksi kartiorullalaakereiden suunnittelumenetelmä kehitettiin siten, että se mahdollistaa helpon integroinnin käyttöjärjestelmän elementteihin. Avoimen lähdekoodin näkökulmaa tuetaan edelleen suunnittelemalla OpenXO kaupallisesti saatavilla olevien lisäaineiden valmistustekniikoiden ympärille. Nopeaa prototyyppiä ja iteratiivisia testipohjaisia suunnittelumenetelmiä käytettiin sekä suunnittelu- että valmistusmenetelmien empiirisen testauksen ja validoinnin yhteydessä. Suorituskyvyn validointi suoritettiin tehottomalla eksoskeletonilla 5 vapaaehtoisen poolissa. Testit suuntautuivat arjen yleisten toimintojen ympärille ja keskittyivät pääasiassa helppokäyttöisyyteen ja käyttömukavuuteen. Eksoskeleton ja sen komponenttien validointi suoritettiin suunnitteluprosessin eri vaiheissa. Tuloksena saatu käyttörakenne oli huomattavasti kevyempi kuin kaupallisesti saatavilla olevat ratkaisut. Toteutettu staattorin rakenne mahdollisti roottorin ja staattorin välisen puristussovituksen tarkkuuden säilyttäen samalla tasaisen pyörimisen. Osallistujat onnistuivat suorittamaan suurimman osan tehtävistä helposti. Eksoskeleton oli kuitenkin altis kohdistusvirheelle tietyissä olosuhteissa. Eksoskeletonia käyttävän käyttäjän kävelyanalyysi osoittaa, että ulkoinen luuranko vaikuttaa kävelykuvioihin, mutta käyttäjä ei koe merkittävää vaikutusta havaittuun liikerataan. Siitä huolimatta tarvitaan lisätyötä eksoskeletonin tehollisen aputoiminnon testaamiseksi ja validoimiseksi.
Description
Supervisor
Vujaklija, Ivan
Thesis advisor
Vujaklija, Ivan
Keywords
exoskeleton, open-source, fused filament fabrication, cycloidal drive, openXO, precision fabrication
Other note
Citation