Browsing by Author "Tröster, Mark"

Now showing 1 - 3 of 3

Open Access
Ein Beitrag zur modellgestützten biomechanischen Einordnung und Auslegung arbeitsergonomischer Exoskelette
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tröster, Mark; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Eine große Herausforderung für Industrienationen ist die Sicherstellung der effektiven, nachhaltigen und menschgerechten Wertschöpfung in einer Gesellschaft im demographischen Wandel. Arbeitsergonomische Exoskelette versprechen flexible Entlastung bei physisch anspruchsvollen Tätigkeiten. Sie bieten Chancen zur Gestaltung attraktiver und menschzentrierter Arbeit. Dennoch ist die präventive Wirkung und deren zugrundeliegenden biomechanischen Wirkmechanismen zur Reduktion von muskuloskelettalen Beschwerden noch nicht hinreichend verstanden. Diese Arbeit leistet deshalb einen Beitrag zur biomechanischen Einordnung und Auslegung unter Verwendung von muskuloskelettalen Menschmodellen. Der entwickelte modellbasierte Lösungsansatz, eingebettet in einem iterativen Vorgehensmodell, kombiniert Exoskelett- und Menschdynamik und erlaubt damit Anwendungs-, Bewegungs- und Exoskelett-Charakteristika in einem System zu untersuchen. In der ersten Anwendung wurden den Rücken beanspruchende Tätigkeiten mit einem generischen Exoskelett-Modell anhand sportphysiologischer und anwendungsorientierter Bewegungen untersucht. Die Analyse zeigt in der Lumbalkompression, Metabolik und einem biomechanischen Beanspruchungsscore des unteren Rückens sich charakteristisch unterscheidende Wirksamkeitstendenzen beeinflusst durch Bewegungstechnik, Unterstützungsintensität und Anwendungsrandbedingungen. In der zweiten Anwendung wurde in einer Anwendungs- und Bewegungsanalyse eine Schulterunterstützung auf eine manuelle Schub-, Zug- und Überkopfbewegung ausgelegt und verbessert. Dabei wurde der Schultermechanismus hinsichtlich lokaler und globaler biomechanischer Beanspruchung und Schulterstabilität angepasst und eingeordnet. In der abschließenden Validierung des Lösungsansatzes wurden anhand zweier Ansätze modellierte und gemessene Muskelbeanspruchungen und Interaktionskräfte in der mechanischen Exoskelett-Mensch-Schnittstelle verglichen. Die Ergebnisse zeigen im Trend eine Übereinstimmung der Modelle für höher beanspruchte Muskelpartien und Schnittstellenmodellierung mit und ohne Berücksichtigung von mechanischen Schnittstellensteifigkeiten.
Open Access
Biomechanical analysis of stoop and free-style squat lifting and lowering with a generic back-support exoskeleton model
(2022) Tröster, Mark; Budde, Sarah; Maufroy, Christophe; Andersen, Michael Skipper; Rasmussen, John; Schneider, Urs; Bauernhansl, Thomas
Musculoskeletal disorders (MSDs) induced by industrial manual handling tasks are a major issue for workers and companies. As flexible ergonomic solutions, occupational exoskeletons can decrease critically high body stress in situations of awkward postures and motions. Biomechanical models with detailed anthropometrics and motions help us to acquire a comprehension of person- and application-specifics by considering the intended and unintended effects, which is crucial for effective implementation. In the present model-based analysis, a generic back-support exoskeleton model was introduced and applied to the motion data of one male subject performing symmetric and asymmetric dynamic manual handling tasks. Different support modes were implemented with this model, including support profiles typical of passive and active systems and an unconstrained optimal support mode used for reference to compare and quantify their biomechanical effects. The conducted simulations indicate that there is a high potential to decrease the peak compression forces in L4/L5 during the investigated heavy loaded tasks for all motion sequences and exoskeleton support modes (mean reduction of 13.3% without the optimal support mode). In particular, asymmetric motions (mean reduction of 14.7%) can be relieved more than symmetric ones (mean reduction of 11.9%) by the exoskeleton support modes without the optimal assistance. The analysis of metabolic energy consumption indicates a high dependency on lifting techniques for the effectiveness of the exoskeleton support. While the exoskeleton support substantially reduces the metabolic cost for the free-squat motions, a slightly higher energy consumption was found for the symmetric stoop motion technique with the active and optimal support mode.
Open Access
Model-based biomechanical exoskeleton concept optimization for a representative lifting task in logistics
(2022) Schiebl, Jonas; Tröster, Mark; Idoudi, Wiem; Gneiting, Elena; Spies, Leon; Maufroy, Christophe; Schneider, Urs; Bauernhansl, Thomas
Occupational exoskeletons are a promising solution to prevent work-related musculoskeletal disorders (WMSDs). However, there are no established systems that support heavy lifting to shoulder height. Thus, this work presents a model-based analysis of heavy lifting activities and subsequent exoskeleton concept optimization. Six motion sequences were captured in the laboratory for three subjects and analyzed in multibody simulations with respect to muscle activities (MAs) and joint forces (JFs). The most strenuous sequence was selected and utilized in further simulations of a human model connected to 32 exoskeleton concept variants. Six simulated concepts were compared concerning occurring JFs and MAs as well as interaction loads in the exoskeleton arm interfaces. Symmetric uplifting of a 21 kg box from hip to shoulder height was identified as the most strenuous motion sequence with highly loaded arms, shoulders, and back. Six concept variants reduced mean JFs (spine: >70%, glenohumeral joint: >69%) and MAs (back: >63%, shoulder: >59% in five concepts). Parasitic loads in the arm bracing varied strongly among variants. An exoskeleton design was identified that effectively supports heavy lifting, combining high musculoskeletal relief and low parasitic loads. The applied workflow can help developers in the optimization of exoskeletons.