Ein Beitrag zur modellgestützten biomechanischen Einordnung und Auslegung arbeitsergonomischer Exoskelette

Abstract

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.

A major challenge for industrial nations is to ensure effective, sustainable, and humane value creation in a society undergoing a demographic change. Occupational exoskeletons promise flexible relief for physically demanding manual activities. They offer opportunities to design attractive and human-centered work. Nevertheless, the preventive effect and the underlying biomechanical characteristics to decrease musculoskeletal complaints and diseases have not yet been sufficiently understood and proven. To support evidence generation, therefore, a contribution to biomechanically assessing and designing occupational exoskeletons using musculoskeletal human models was made as part of this work. The developed model-based approach, embedded in an iterative process model, combines exoskeleton and human dynamics and thus allows application, movement, and exoskeleton characteristics to be examined in one system. In the first application, back-straining activities were examined with a generic exoskeleton model based on sport-physiological and application-oriented movements. The analysis shows in the lower back´s lumbar compression, metabolism, and a biomechanical strain score characteristically different effectiveness tendencies regarding movement technique, support intensity, and application boundary conditions. In the second application, a shoulder support was designed and optimized for a manual pushing, pulling, and overhead movement based on a detailed application and motion analysis. The shoulder mechanism was adjusted and evaluated with regard to local and global biomechanical strain and shoulder stability. In the final validation of the solution approach, modeled and measured muscle strains and interaction forces in the mechanical exoskeleton-human interface were compared using two approaches. The results show trends towards an agreement between the models for more strained muscle groups and interface modeling with and without mechanical stiffness considerations.