1. CDS
  2. Всі випуски
  3. Випуск 6, Номер 3, 2024
  4. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ОПТИМІЗАЦІЇ ДИЗАЙНУ ЕКЗОСКЕЛЕТУ ЗА ДОПОМОГОЮ МЕТОДІВ ГЕНЕРАТИВНОГО ДИЗАЙНУ

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ОПТИМІЗАЦІЇ ДИЗАЙНУ ЕКЗОСКЕЛЕТУ ЗА ДОПОМОГОЮ МЕТОДІВ ГЕНЕРАТИВНОГО ДИЗАЙНУ

CDS.
2024;
Випуск 6, Номер 3
: 56-64
Надіслано: Листопад 05, 2024
Переглянуто: Листопад 15, 2024
Прийнято: Листопад 20, 2024
Автори:
  1. Тарас Полевий
  2. Андрій Здобицький
  3. Роман Зінько
1
Національний університет Львівська політехніка
2
Національний університет «Львівська політехніка»
3
Національний університет «Львівська політехніка»

В статті досліджується процес проектування та оптимізації екзоскелету нижніх кінцівок за допомогою методів генеративного дизайну. Через унікальні характеристики та особливості людського тіла кожен екзоскелет потрібно налаштовувати під умови роботи кожного користувача, але розробка інженерами індивідуального дизайну продукту коштує дуже дорого та займає багато часу. Метою дослідження є оптимізація базової моделі екзоскелета до умов роботи за допомогою технології генеративного проектування. Оптимізація базується на рухах людини та біомеханіці, особливо на суглобовому моменті, що дозволяє проектувати конструкцію з прийнятними коефіцієнтами безпеки. Результати демонструють високооптимізовану конструкцію для різних матеріалів і значне зменшення маси й об’єму порівняно з базовою моделлю. Використання таких технологій економить час розробки, дозволяючи інженерам зосередитися на більш складних аспектах проектування

екзоскелет
генеративний дизайн
біомеханіка
проектування
крутний момент
топологічна оптимізація
  1.  Luís Quinto, Pedro Pinheiro, Sérgio B. Goncalves, Ivo Roupa, Paula Simões, Miguel Tavares da Silva, Analysis of a passive ankle exoskeleton for reduction of metabolic costs during walking, Defence Technology, Volume 37, 2024, Pages 62-68, ISSN 2214-9147, https://doi.org/10.1016/j.dt.2023.11.015.
  2.   Dang Khanh Linh Le, Wei-Chih Lin, Human-exoskeleton cooperation for reducing the musculoskeletal load of manual handling tasks in orchid farms, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 219, 2024, 108820, ISSN 0168-1699, https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.108820.
  3.   S.K. Hasan, Anoop K. Dhingra, Biomechanical design and control of an eight DOF human lower extremity rehabilitation exoskeleton robot, Results in Control and Optimization, Volume 7, 2022, 100107, ISSN 2666-7207, https://doi.org/10.1016/j.rico.2022.100107.
  4.   Rushikesh Gholap, Sandeep Thorat, Abhijeet Chavan, Review of current developments in lower extremity exoskeleton systems, Materials Today: Proceedings, Volume 72, Part 3, 2023, Pages 817-823, ISSN 2214-7853, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.09.056.
  5.   Christian Di Natali, Giorgio Buratti, Luca Dellera, Darwin Caldwell, Equivalent weight: Application of the assessment method on real task conducted by railway workers wearing a back support exoskeleton, Applied Ergonomics, Volume 118, 2024, 104278, ISSN 0003-6870, https://doi.org/10.1016/j.apergo.2024.104278.
  6.   Woun Yoong Gan, Raja Ariffin Raja Ghazilla, Hwa Jen Yap, Suman Selvarajoo, Industrial practitioner's perception on the application of exoskeleton system in automotive assembly industries: A Malaysian case study, Heliyon, Volume 10, Issue 4, 2024, e26183, ISSN 2405-8440, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26183.
  7.   Rachel M. van Sluijs, Michael Wehrli, Annina Brunner, Olivier Lambercy, Evaluation of the physiological benefits of a passive back-support exoskeleton during lifting and working in forward leaning postures, Journal of Biomechanics, Volume 149, 2023, 111489, ISSN 0021-9290, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111489.
  8.   Slade, P., Kochenderfer, M.J., Delp, S.L. et al. Personalizing exoskeleton assistance while walking in the real world. Nature 610, 277–282 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05191-1.
  9.   Rifky Ismail, Mochammad Ariyanto, Joga D. Setiawan, Taufik Hidayat,  Paryanto, Limbang K. Nuswantara, Design and testing of fabric-based portable soft exoskeleton glove for hand grasping assistance in daily activity, HardwareX, Volume 18, 2024, e00537, ISSN 2468-0672, https://doi.org/10.1016/j.ohx.2024.e00537.
  10.  Riccardo Karim Khamaisi, Margherita Peruzzini, Agnese Brunzini, Zoi Arkouli, Vincent Weistroffer, Anoop Vargheese, Pietro Alberto Cultrona, A multi-facet approach to functional and ergonomic assessment of passive exoskeletons, Procedia Computer Science, Volume 232, 2024, Pages 584-594, ISSN 1877-0509, https://doi.org/10.1016/j.procs.2024.01.058.
  11.  Rachel van Sluijs, Tamina Scholtysik, Annina Brunner, Laura Kuoni, Dario Bee, Melanie Kos, Volker Bartenbach, Olivier Lambercy, Design and evaluation of the OmniSuit: A passive occupational exoskeleton for back and shoulder support, Applied Ergonomics, Volume 120, 2024, 104332, ISSN 0003-6870, https://doi.org/10.1016/j.apergo.2024.104332.
  12.  Haotian Ju, Hongwu Li, Songhao Guo, Yanbo Fu, Qinghua Zhang, Tianjiao Zheng, Jie Zhao, Yanhe Zhu, J-Exo: An exoskeleton with telescoping linear actuators to help older people climb stairs and squat, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 366, 2024, 115034, ISSN 0924-4247, https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115034.
  13.  Marc Dufraisse, Julien Cegarra, Jean-Jacques Atain Kouadio, Isabelle Clerc-Urmès, Liên Wioland, From unknown to familiar: An exploratory longitudinal field study on occupational exoskeletons adoption, Applied Ergonomics, Volume 122, 2025, 104393, ISSN 0003-6870, https://doi.org/10.1016/j.apergo.2024.104393.
  14.      Selim Hartomacıoğlu, Ersin Kaya, Beril Eker, Salih Dağlı, Murat Sarıkaya, Characterization, generative design, and fabrication of a carbon fiber-reinforced industrial robot gripper via additive manufacturing, Journal of Materials Research and Technology, Volume 33, 2024, Pages 3714-3727, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.064.
  15.       Adriano Nicola Pilagatti, Giuseppe Vecchi, Eleonora Atzeni, Luca Iuliano, Alessandro Salmi, Generative Design and new designers’ role in the manufacturing industry, Procedia CIRP, Volume 112, 2022, Pages 364-369, ISSN 2212-8271, https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.09.010.
  16.      Stefan Junk, Nils Rothe, Lightweight design of automotive components using generative design with fiber-reinforced additive manufacturing, Procedia CIRP, Volume 109, 2022, Pages 119-124, ISSN 2212-8271, https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.05.224.
  17.           Chen Zheng, Yushu An, Zhanxi Wang, Xiansheng Qin, Fei Yu, Yicha Zhang, Heterogeneous requirement gathering for generative design of robotic manufacturing systems, Procedia CIRP, Volume 104, 2021, Pages 1861-1866, ISSN 2212-8271, https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.11.314.
  18.  van der Zee, T.J., Mundinger, E.M. & Kuo, A.D. A biomechanics dataset of healthy human walking at various speeds, step lengths, and step widths. Sci Data 9, 704 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01817-1
  19. Becker, R., Kopf, S. & Karlsson, J. Loading conditions of the knee: what does it mean? Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 21, 2659–2660 (2013). https://doi.org/10.1007/s00167-013-2741-3
  20.  Kim, Chung & Jung, Yong & Park, Jin Seo. (2021). The Visible Korean: movable surface models of the hip joint. Surgical and Radiologic Anatomy. 43. 1-8. 10.1007/s00276-021-02697-7.
  21. Brockett, C. L., & Chapman, G. J. (2016). Biomechanics of the ankle. Orthopedics and trauma, 30(3), 232–238. https://doi.org/10.1016/j.mporth.2016.04.015
  22.  https://www.physio-pedia.com/Biomechanics_of_the_Hip Biomechanics of the hip. Physiopedia. (n.d.-b).
  23.  Ahmad Nisam Amirudin, S. Parasuraman, Amudha Kadirvel, M.K.A. Ahmed Khan, I. Elamvazuthi, Biomechanics of Hip, Knee and Ankle Joint Loading during Ascent and Descent Walking, Procedia Computer Science, Volume 42, 2014, Pages 336-344, ISSN 1877-0509, https://doi.org/10.1016/j.procs.2014.11.071.
  24.  Chan CW, Rudins A. Foot biomechanics during walking and running. Mayo Clin Proc. 1994 May;69(5):448-61. doi: 10.1016/s0025-6196(12)61642-5. PMID: 8170197.
  25.  I. Kutzner, B. Heinlein, F. Graichen, A. Bender, A. Rohlmann, A. Halder, A. Beier, G. Bergmann, Loading of the knee joint during activities of daily living measured in vivo in five subjects, Journal of Biomechanics, Volume 43, Issue 11, 2010, Pages 2164-2173, ISSN 0021-9290, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2010.03.046.
  26. H.-C. Lin, T.-W. Lu, H.-C. Hsu, Comparisons of Joint Kinetics in the Lower Extremity Between Stair Ascent and Descent, Journal of Mechanics, Volume 21, Issue 1, March 2005, Pages 41–50, https://doi.org/10.1017/S1727719100000538