Exoskelet in film

Exoskelet in de industrie

Ondanks de toenemende automatisering in de industrie, komt fysiek werk nog steeds vaak voor. Een opkomende trend is daarom de samenwerking tussen mens en robot. Dit combineert de kracht van een robot met de flexibiliteit en creativiteit van de mens. Bij manueel hanteren van lasten is het exoskelet hier een voorbeeld van.

Actief en passief exoskelet

Een exoskelet is een draagbare, externe structuur op het lichaam die de kracht van de mens versterkt. Een actief exoskelet werkt met aandrijving die kracht levert in een gewricht. Passieve systemen gebruiken materialen, veren en dempers om energie op te slaan, die vervolgens wordt vrijgegeven tijdens de beweging. Bijvoorbeeld, wanneer men voorover buigt met de rug wordt energie opgeslagen in een veer. Deze energie kan de statische houding ondersteunen of helpen bij het recht komen of tillen.

De meest voorkomende industriële toepassingen van exoskelets zijn het ondersteunen van een statisch gebogen houding, het dynamisch tillen van een gewicht of het statisch houden van een last. Jobspecifieke varianten zijn te vinden in de zorgsector, de bouw en landbouw.

PLAD exoskelet
PLAD exoskelet

Passief exoskelet: voordelen

Een passief exoskelet vermindert de fysieke belasting tijdens het dynamisch tillen en statisch vooroverbuigen in de rug. Het PLAD model bestaat uit elastische elementen die parallel lopen met de rugsstrekkers (m. Erector Spinae). Daardoor wordt het gewicht verdeeld over de rug, schouders, bekken en onderste ledematen. Wanneer men een PLAD draagt tijdens het tillen, dan wordt energie opgeslagen in de elastische elementen wanneer het bovenlichaam naar beneden beweegt of de romp gebogen wordt.

Tijdens de opwaartse fase van het tillen komt deze energie weer vrij. Daardoor moeten de rugspieren 10 tot 40% minder hard werken. Bij repetitief tillen zal de spiervermoeidheid na 45 minuten een heel stuk lager zijn dan zonder exoskelet. De drukkrachten in de lage rug zijn 23 tot 29% minder. Op het einde van de werkdag zal de werknemer meer uithouding en een hogere maximale kracht in de rug hebben.

Passieve exoskelets
Passieve exoskeletons: a) HappyBack, b) The Bendezy, c) BNDR

In de landbouw gebeuren verschillende taken met voorovergebogen rug. Wanneer men grondgewassen plant, onkruid uittrekken,… wandelt men constant met gebogen rug verder. Deze statische belasting kan door een passief exoskelet (BNDR, HappyBack en Bendezy) efficiënt opgevangen worden. De rugspieren moeten zich dan 21 tot 31% minder hard inspannen. Met een exoskeleton buigt men normaal minder diep voorover in de rug. Het effect is dus eerder een slechte beweging beperken, dan het opvangen van krachten.

Passief exoskelet: nadelen

De beenspieren werken harder. Hiervoor zijn twee mogelijke verklaringen. Enerzijds kan het zijn dat het gewicht van het exoskelet moet gebalanceerd worden vanuit de voeten. Anderzijds lokt een exoskelet het tillen met gebogen benen uit, waardoor de beenspieren het werk doen. Dit hoeft echter geen nadeel te zijn, er is immers geen extra energieverbruik.

Ander aandachtspunt is het subjectieve ongemak aan de schouders en knieën. Een goed ontwerp van de contactpunten is een belangrijke voorwaarde voor de aanvaarding van een exoskelet.

Actief exoskelet: voordelen

De Muscle Suit bedekt de dijen, romp en bovenste ledematen. Drie gewrichten worden ondersteund: heupen, schouders en ellebogen. Het exoskeleton geeft ondersteuning bij het heffen van de bovenarm, buigen van de elleboog en het vooroverbuigen van de rug. Zowel tijdens het statisch houden als dynamisch tillen, wordt een positief effect teruggevonden. De spieractiviteit vermindert tot 70% in de onderarmen. Tijdens het werken boven hoofdhoogte ziet men eenzelfde effect in de schouders en bovenarm. Tijdens het tillen werken de schouderspieren 20 tot 35% minder hard.

Een actief exoskelet heeft een groter potentieel om de fysieke belasting te verminderen. Reden is dat de externe structuur over meerdere gewrichten loopt. Dit maakt dat ook het spierwerk in zowel de onderste ledematen (traplopen) als rug (tillen, statisch buigen) en schouder/bovenste ledematen (handwerk) kan verminderen.

Actief exoskelet
Actief exoskeleton: MuscleSuit

Nadelen actief exoskelet

Nadeel van een actief exoskelet is het gewicht. Zelfs een lichtgewicht zoals de MuscleSuit weegt in totaal al snel 9 kg. Dit gewicht moet constant gedragen worden.

De besproken exoskelets zijn allemaal antropomorf. De structuur is gelijkaardig aan die van het menselijk lichaam. De bewegingen van de drager worden gekopieerd door het exoskelet. Daarvoor zijn er sensoren die de intentie tot bewegen herkennen en zo de beweging kunnen ondersteunen. Het onderscheiden van bedoelde en onbedoelde bewegingen is echter niet evident. Toch is deze controle belangrijk zodat het exoskelet vloeiende bewegingen kan maken aan een normale snelheid.

Natuurlijke en comfortabele bewegingen blijven een uitdaging. Dat is niet altijd evident. Tijdens het buigen van de knie verschuift bijvoorbeeld het rotatiepunt. Ideaal gezien zou het exoskeleton dan mee moeten kunnen verkorten en verlengen. Dat bestaat vandaag nog niet.

Andere bedenking is dat als men spieren niet meer gebruikt, ze zullen verzwakken. Het veelvuldig dragen van een exoskelet zal de spieren ontlasten, waardoor ze ook zwakker worden. De duur zal dus beperkt moeten worden of in combinatie met versterkende oefeningen gebeuren.

 

Bron: de Looze ea 2016. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics 59(5): 671- 681.