Розроблення і дослідження екзоскелета для підтримки та руху нижньої частини тіла людини

Abstract

У магістерській кваліфікаційній роботі спроєктовано екзоскелет для підтримки та забезпечення руху нижньої частини тіла людини. У межах роботи виконано аналіз сучасних конструкцій і технологій екзоскелетів, розглянуто їх класифікацію та призначення, проаналізовано промислові зразки, визначено вимоги до ергономіки та біомеханічних характеристик конструкції. На основі технічних вимог зібрано вихідні дані для проєктування. У розрахунково-конструкторській частині виконано детальні інженерні розрахунки та створено конструктивну модель екзоскелета. Проведено динамічне та кінематичне моделювання нижніх кінцівок людини, побудована розрахункова модель, визначено параметри приводів. Розроблено основні вузли із врахуванням визначених критеріїв оптимізації конструкції. Досліджено напружено-деформований стан деталей під дією робочих навантажень, визначено критичні зони та проведено топологічну оптимізацію для зменшення маси без втрати міцності. Результати аналізу дозволили сформувати оптимізовану конструкцію екзоскелета, що відповідає вимогам міцності, надійності та функціональності при промисловій експлуатації. Актуальність роботи. Багато виробничих операцій, зокрема підйом та переміщення важких вантажів, тривала робота у незручних позах або виконання монотонних циклічних рухів, спричиняють перевтому, мікротравми та довгострокові порушення опорно-рухового апарату. Тому виникає пріоритетне завдання зниження фізичного навантаження на працівників та мінімізації виробничих травм. Екзоскелети є перспективним технічним рішенням, що здатне суттєво зменшити навантаження на суглоби та м’язи, стабілізувати положення тіла та підвищити витривалість працівника у складних умовах виробництва. Попри зростання інтересу до таких технологій, актуальною залишається проблема створення екзоскелетів, які водночас мають відповідати вимогам промислової безпеки, мати компактну і надійну конструкцію, забезпечувати відповідність біомеханічним вимогам та не створювати надмірної відбитої інерції при русі. У даній роботі визначено технічні вимоги, сформовано критерії оптимізації, виконано кінематичний та статичний аналіз вузлів, а також розроблено конструкцію екзоскелета для промислового застосування. Таким чином представлено комплексне інженерне рішення, спрямоване на підвищення безпеки, зниження фізичного навантаження та покращення умов праці працівників у виробничому середовищі. Мета роботи – розроблення конструкції та дослідження функціональних параметрів екзоскелета нижньої частини тіла. Досягнення визначеної мети вимагає опрацювання наступних питань: - визначення технічних вимог до конструкції екзоскелета; - прийняття розрахункової моделі; - проведення динамічних та кінематичних розрахунків; - встановлення оптимізаційних рішень; - моделювання та аналіз конструкції.In the master's qualification work, an exoskeleton was designed to support and ensure the movement of the lower part of the human body. The work includes an analysis of modern exoskeleton structures and technologies, a review of their classification and applications, an examination of industrial prototypes, and the determination of requirements for ergonomics and biomechanical characteristics of the structure. Based on the technical requirements, the initial data necessary for the design process were collected. In the calculation and design section, detailed engineering calculations were performed and a structural model of the exoskeleton was developed. Dynamic and kinematic modeling of the human lower limbs was carried out, a computational model was created, and the parameters of the drives systems were determined. A 3D model of the main components was developed, taking into account the defined structural optimization criteria. The stress–strain state of the components under operational loads was investigated, critical zones were identified, and topological optimization was performed to reduce the mass without compromising strength. The analysis results made it possible to form an optimized exoskeleton design that meets the requirements of strength, reliability, and functionality in industrial use. Relevance of the work. Many industrial operations such as lifting and transporting heavy loads, prolonged work in uncomfortable postures, or performing repetitive cyclic movements lead to fatigue, micro-injuries, and long-term musculoskeletal disorders. Therefore, reducing physical strain on workers and minimizing occupational injuries becomes a priority. Exoskeletons represent a promising technical solution capable of significantly reducing the load on joints and muscles, stabilizing body posture, and increasing worker endurance in demanding industrial environments.Despite the growing interest in such technologies, the challenge of creating exoskeletons that simultaneously comply with industrial safety requirements, feature a compact and reliable structure, meet biomechanical demands, and do not create excessive reflected inertia during movement remains relevant. In this work, technical requirements were defined, optimization criteria were established, kinematic and static analyses of key components were performed, and an exoskeleton design suitable for industrial application was developed. Thus, a comprehensive engineering solution is presented, aimed at improving safety, reducing physical workload, and enhancing working conditions for workers in the production environment. The aim of the work is to develop the design and investigate the functional parameters of a lower-body exoskeleton. Achieving this objective requires addressing the following tasks: - determining the technical requirements for the exoskeleton design; - selecting an appropriate computational model; - performing dynamic and kinematic calculations; - establishing optimization solutions; - modeling and analyzing the structure.