Biomechanische Beurteilung der Wirksamkeit von rumpfunterstützenden Exoskeletten für den industriellen Einsatz

Zusammenfassung

Exoskelette für den industriellen Einsatz an Arbeitsplätzen sollen der Arbeitserleichterung und der Prävention von Muskel-Skelett-Beschwerden dienen. Mit der hier exemplarisch vorgestellten Methodik soll ein Beitrag für eine objektivere Beurteilung der Unterstützungswirkung von Exoskeletten geleistet werden. Am Beispiel einer Interventionsstudie mit 12 Probanden, die das Anheben von 10 und 20 kg schweren Lastgewichten aus zwei unterschiedlichen Ausgangshöhen ausführten, wurden die Effekte eines passiven rumpfunterstützenden Exosekeletts analysiert. Erfasst wurden die Unterstützungskennlinie des Exoskeletts, die Körperhaltung, die lumbalen Gelenkmomente und das Elektromyogramm (EMG) der Rückenstrecker. Bei der Datenanalyse wurden neben den Maxima auch die Mittelwerte und die Minima der Zielparameter betrachtet, um den effektiven Unterstützungseffekt und mögliche Nebeneffekte gleichermaßen erkennen zu können.

Die maximalen lumbalen Gelenkmomente reduzierten sich mit Exoskelett durchschnittlich um 11 bis 20 %. Über die gesamte Anhebephase gemittelt ergaben sich nur aus der tiefen Ausgangslage signifikante Entlastungseffekte von 6 bis 8 %. Das EMG der Rückenstrecker zeigte nur bei den Maxima aus der tiefen Ausgangslage Reduktionen von durchschnittlichen 18 bis 27 % an.

Praktische Relevanz. Die hier gezeigte Methodik hilft einerseits die Erwartungen an Exoskelette realistischer aus Sicht der betrieblichen Praxis auszurichten. Andererseits liefern die Erkenntnisse sowohl bei der Auswahl wie auch bei der Evaluation von Exoskeletten in der betrieblichen Praxis wesentliche objektive Kriterien.

Abstract

Exoskeletons are used at industrial workplaces in order to alleviate the physical loading of work and prevent musculoskeletal disorders. The example methodology presented here is intended to facilitate more objective assessment of the supporting effect of exoskeletons. The effects of a passive exoskeleton providing trunk support were analysed with reference to the example of an intervention study involving 12 test subjects who lifted load weights of 10 and 20 kg from two different initial heights. The support characteristic of the exoskeleton, body posture, lumbar joint moments and electromyogram (EMG) of the back extensors were recorded. Besides the maximum values, the data analysis also considered the mean and minimum values of the target parameters, in order to permit recognition of both the effective support effect and possible side-effects.

Use of the exoskeleton reduced the maximum lumbar joint moments by an average of 11% to 20%. Averaged over the entire lifting phase, significant stress alleviation effects (of 6% to 8%) were observed only from the deep initial lifting position. The EMG of the back extensors revealed reductions (on average of 18% to 27%) only in the maximum values for lifting from the deep initial position.

Practical Relevance. The methodology described here assists firstly in formulating more realistic expectations of exoskeletons in the context of applications in the field. Secondly, the findings yield substantially more objective criteria for both selection and evaluation of exoskeletons in field applications.