Development of an air compression mechanism through human walking for integration into a robotic movement assistance system

Απλή σελίδα τεκμηρίου
dc.contributor.advisorPolygerinos, Panagiotisen
dc.contributor.advisorΠολυγερινός, Παναγιώτηςel
dc.contributor.authorProdromidis, Konstantinos-Theofanisen
dc.contributor.authorΠροδρομίδης, Κωνσταντίνος-Θεοφάνηςel
dc.date.accessioned2026-03-16T12:31:49Z
dc.date.available2026-03-16T12:31:49Z
dc.date.issued2025-03-16
dc.description.abstractTo amplify the autonomy of wearable pneumatic mechatronic systems, which are often hindered by tethered, bulky power sources, this thesis presents a self-contained system that harvests pneumatic energy directly from human walking. The work details the design, fabrication, and evaluation of a novel, wearable power source aimed at enabling the next generation of untethered soft robotics. The core of the system is a de-coupled opposing diaphragm compressor, consisting of a soft, heat-sealed textile pouch paired with an external hybrid spring mechanism. A key finding of this work is the critical role of the clearance ratio—the percentage of ’dead volume’ that remains in the compressor after a full stroke—which fundamentally limits the maximum achievable pressure. The de-coupled architecture, which emerged from an iterative prototyping process, was specifically engineered to maximize volumetric efficiency by minimizing this parameter. The bilateral, shoe-mounted harvesters are integrated with a custom-built, belt-mounted electropneumatic control unit that manages and regulates the harvested air. Experimental validation with a human subject walking at 3 km/h demonstrated the system’s functionality, achieving a maximum measured gauge pressure of 0.524 atm. This performance was directly attributed to a high, experimentally measured clearance ratio of 23.4%. To quantify the architecture’s future potential, a theoretically ideal pouch with a 1% clearance ratio was simulated using a custom analytical model, predicting an achievable pressure of 7.27 bar. This work therefore establishes a viable architecture for untethered pneumatic power and provides a clear, data-driven roadmap for its future optimization by targeting the clearance ratio. The work was supported by the European Union through the SWAG Project under Grant 101120408.en
dc.description.abstractΜε στόχο την ενίσχυση της αυτονομίας των φορετών πνευματικών μηχανοτρονικών συστημάτων, τα οποία συχνά περιορίζονται από ενσύρματες, ογκώδεις πηγές ισχύος, η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει ένα αυτόνομο σύστημα που συλλέγει πνευματική ενέργεια απευθείας από το ανθρώπινο βάδισμα. Η εργασία περιγράφει λεπτομερώς τον σχεδιασμό, την κατασκευή και την αξιολόγηση μιας καινοτόμου, φορετής πηγής ενέργειας που αποσκοπεί στην υποβοήθηση της τροφοδότηση της επόμενης γενιάς αυτόνομων συστημάτων Soft Robotics. Ο πυρήνας του συστήματος αποτελείται απο δύο κομμάτια, έναν συμπιεστή αντίθετων διαφραγμάτων, ο οποίος αποτελείται από έναν μαλακό, θερμοσυγκολλημένο υφασμάτινο θύλακα σε συνδυασμό με έναν εξωτερικό υβριδικό μηχανισμό ελατηρίου. Μια κεντρική ανακάλυψη αυτής της εργασίας είναι ο καθοριστικός ρόλος του λόγου νερκού όγκου (clearance ratio)—το ποσοστό του ’νεκρού όγκου’ που παραμένει στον συμπιεστή μετά από μια πλήρη διαδρομή—ο οποίος περιορίζει θεμελιωδώς τη μέγιστη εφικτή πίεση. Η αρχιτεκτονική των δύο κομματίων, η οποία προέκυψε από μια επαναληπτική διαδικασία πρωτοτυποποίησης, σχεδιάστηκε ειδικά για να μεγιστοποιήσει την ογκομετρική απόδοση ελαχιστοποιώντας αυτή την παράμετρο. Οι συλλέκτες πνευματικής ενέργειας, τοποθετημένοι στα παπούτσια, είναι ενσωματωμένοι με μια ειδικά κατασκευασμένη, ηλεκτροπνευματική μονάδα ελέγχου. Η πειραματική επικύρωση που πραγματοποιήθηκε σε πραγματικές συνθήκες με ανθρώπινο βηματισμό ταχύτητας 3 km/h απέδειξε τη λειτουργικότητα του συστήματος, επιτυγχάνοντας μέγιστη μετρούμενη πίεση 0.524 atm. Η απόδοση αυτή αποδόθηκε άμεσα σε έναν υψηλό, πειραματικά μετρημένο λόγο νεκρού όγκου 23.4%. Για την ποσοτικοποίηση του μελλοντικού δυναμικού της αρχιτεκτονικής, προσομοιώθηκε ένας θεωρητικά ιδανικός θύλακας με λόγο νεκρού όγκου 1% χρησιμοποιώντας ένα ειδικό αναλυτικό μοντέλο, προβλέποντας εφικτή πίεση 7.27 bar. Συνεπώς, η εργασία αυτή θεμελιώνει μια βιώσιμη αρχιτεκτονική για αυτόνομη πνευματική ισχύ και παρέχει έναν σαφή, βασισμένο στα δεδομένα, οδικό χάρτη για τη μελλοντική της βελτιστοποίηση, στοχεύοντας στον λόγο νεκρού όγκου. Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του έργου SWAG, με αριθμό επιχορήγησης 101120408.el
dc.identifier.urihttps://apothesis.hmu.gr/handle/123456789/11544
dc.language.isoen
dc.publisherΕΛΜΕΠΑ, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United Statesen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/
dc.subjectSoft robotics
dc.subjectHuman walking
dc.subjectΜαλακή ρομποτική
dc.subjectΑνθρώπινο βάδισμα
dc.titleDevelopment of an air compression mechanism through human walking for integration into a robotic movement assistance systemen
dc.titleΑνάπτυξη μηχανισμού συμπίεσης αέρα μέσω του ανθρώπινου βαδίσματος για ενσωμάτωση σε ρομποτικό σύστημα υποβοήθησης κίνησηςel
dc.typeΠτυχιακή Εργασία
heal.academicPublisherIDΕΛΜΕΠΑ Ελληνικό Μεσογειακό Πανεπιστήμιο
Αρχεία
Πρωτότυπος φάκελος/πακέτο
Τώρα δείχνει 1 - 1 of 1
Μικρογραφία εικόνας
Ονομα:
ProdromidisKonstantinosTheofanis2025.pdf
Μέγεθος:
33.35 MB
Μορφότυπο:
Adobe Portable Document Format
Λήψη
Φάκελος/Πακέτο αδειών
Τώρα δείχνει 1 - 1 of 1
Δεν υπάρχει διαθέσιμη μικρογραφία
Ονομα:
license.txt
Μέγεθος:
2.17 KB
Μορφότυπο:
Item-specific license agreed upon to submission
Περιγραφή:
Λήψη
Συλλογές
Πτυχιακές εργασίες / Bachelor Theses