Analyse der Gelenkreaktionskräfte bei Nutzung eines weichen Exoskeletts mittels biomechanischer Simulation

Autoren: Harbauer-Rieß, Fleischer, Sugiarto, Bengler

Kategorie: Technikfolgen und -abschätzung

Chair: Kluge

Beitragskurzfassung:
Das Ziel von Exoskeletten für den industriellen Kontext ist die Reduktion der Beanspruchung des Menschen während physisch stark belastender Tätigkeiten. Bei der Entwicklung dieser Systeme ist es wichtig, dass es zu keinen Fehlstellungen zwischen den Gelenkachsen des Menschen und der des Exoskeletts kommt. Durch solche Fehlstellungen kann es unter anderem zu Scherkräften kommen, die zu hohem Diskomfort bis hin zu Schädigungen der Gelenke führen können. Deshalb müssen diese Fehlstellungen und Kräfte bei der Entwicklung solcher Systeme schon in einem frühen Entwicklungsstadion identifiziert und vermieden werden.
Ein weiches, kabelgetriebenes Exoskelett zur Unterstützung des Ellenbogens bei Hebebewegungen, dessen Entwicklung in Harbauer et al. (2020) genauer vorgestellt wird, wurde nun auf solche potentiell störenden oder schädigenden Kräfte analysiert. Die Methodik und die Ergebnisse werden im Folgenden vorgestellt.
Für die Analyse wird die biomechanische Simulationssoftware OpenSim von SimTK verwendet. Zunächst erfolgte die Erstellung eines CAD Modells des weichen Exoskeletts, welches in die Simulationsumgebung importiert wurde. Die zwei Stränge des Seiles, die lateral am Unterarm entlanglaufen und diagonal zwischen Unter- sowie Oberarm einen Hebelarm bilden, können in der Simulation als lineare Aktoren dargestellt werden. Das Modell und die Linearaktoren sind an einem angepassten Modell aus der OpenSim Bibliothek angebracht. Simuliert wird die Flexion des Ellenbogens mit einer Last von 5 kg. Die Gelenkreaktionskräfte für diese Bewegung mit und ohne Exoskelett werden ausgegeben und miteinander verglichen.
Die ersten Ergebnisse zeigen, dass durch die Nutzung des Exoskeletts die Gelenkkräfte im Ellenbogen überwiegend verringert werden. Jedoch zeigten sich auch einige Optimierungspotentiale, wie beispielsweise in der komplett ausgestreckten Position des Ellenbogens, in welcher das Exoskelett derzeit keine effektive Unterstützungsleistung erbringen kann.

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Raum 3
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Harbauer-Rieß et al.