Passieve exoskeletten ondersteunen een specifieke lichaamsregio. Dat kan de rug, schouders of benen zijn. Objectief tonen labostudies goede resultaten aan. Voor de rug worden deze in praktijk eerder dunnetjes overgedaan. Voor de schouders heeft een exoskelet wel een duidelijk voordeel bij statische taken boven het hoofd. Grote uitdaging bij passieve exoskeletten blijft de subjectieve aanvaarding te verhogen…
Passieve exoskeletten voor de rug
Labo
Het Laevo exoskelet toonde in labo-onderzoek 38% minder activiteit voor de rugspieren tijdens een gesimuleerde assemblagetaak. Bij een statische taak met de rug 30° voorovergebogen, was ook de volhoudduur 3x zo lang met exoskelet. Het ongemak in de rug scoorde daarbij beter met de uitwendige steun. De druk op borst werd wel als onaangenaam ervaren [1].
Fysiologisch ligt het energieverbruik 8 tot 16% lager tijdens het repetitief tillen van gewichten van 10kg. Het effect is wel afhankelijk van de gewrichtshoek waarin het exoskelet ondersteuning biedt. Deze kan namelijk ingesteld worden [2].
Praktijk
Bij een dynamische taak in de praktijk werd bij orderpickers een voordeel van ongeveer 10% gemeten. Met exoskelet moesten de rugspieren dus minder hard werken tijdens het rondhalen van bakken kaas van 12kg. Niet slecht, maar een stuk minder dan in het labo. Daarbij kwamen er ook heel wat ongemakken aan het licht: vermoeiend, warm, beenstukken blijven niet op zijn plaats, neemt meer plaats in, veiligheid, enz… Deze subjectieve bevindingen bieden uiteraard mogelijkheden om passieve exoskeletten verder te optimaliseren en de aanvaarding te verhogen [3,4].
Tijdens een vergelijking van 12 functionele taken komt een exoskelet voor de rug het best tot zijn recht bij een statische taak waarbij de romp voorwaarts wordt gebogen. De objectieve prestatie is dan beter en het ongemak in de rug lager. Subjectief wordt echter het wandelen, breed staan en squatten als moeilijker ervaren met de uitwendige ondersteuning. Passieve exoskeletten zouden dus een ruim bewegingsbereik van rug en benen moeten toelaten [5].
Exoskelets voor de schouders
Labo
Voor de schouders werd in labosituatie het exoskelet van Skelex onderzocht bij een statische taak. Het exoskelet vraagt duidelijk minder spieractiviteit boven schouderhoogte, waarvoor het bedoeld is. In een quasi-statische taak (vast- en losschroeven) waren bijvoorbeeld de spieractiviteit (EMG) en de volhoudduur ongeveer 1,5 tot 2x beter met het exoskelet aan [6].
Ander labo onderzoek bevestigt inderdaad de verminderde spieractiviteit in de schouders met het Exhauss exoskelet [7] en het Steadycam vest [8]. Aandachtspunten waren wel de cardiovasculaire belasting en een verschuiving van de spierwerking. Bij een passieve arm echter bleek het sterke voordeel voor de armen niet afgeschoven te worden op de rug of benen. De subjectieve vermoeidheid was ook 41% lager met een exoskelet aan [9].
Praktijk vliegtuigbouw
Wanneer passieve exoskeletten echter in de praktijk getest werden bij onderhoudspersoneel van vliegtuigen (schuren, tapen, verfspuiten, lakken,…), dan werd de toegevoegde meerwaarde vooral negatief beoordeeld. De proefpersonen haalden volgende ongemakken aan: tegenbeweging is vermoeiend, aan- en afdoen, warmte, gewicht, contactdruk, beweging wordt beperkt,… Deze nemen eveneens toe met de duur dat men het exoskelet draagt [6].
Praktijk auto-assemblage
Bij Fiat wordt daarom veel aandacht besteed aan een gewenningsperiode om de operatoren vertrouwd te maken met de innovatie. Dat komt de aanvaarding ten goede. Een exoskelet voor de schouders heeft vooral voordeel bij taken met boven het hoofd die precisie vereisen. Voorbeelden zijn het monteren van clips of afdichten aan de onderkant van de wagen. Dat gebeurt traditioneel met geheven armen, waarbij men soms ook kleine tools vasthoudt [10,11].
Tijdens een focus groep gesprek vonden de operatoren het exoskelet van Levitate over het algemeen positief. Ze zijn het er over eens dat de fysieke inspanning lager ligt. Een goede interactie met het exoskelet is voor hen wel een belangrijke voorwaarde. Daarom vinden ze dat het op vrijwillige basis dient te gebeuren [10,11].
Bij Ford kiest men voor het Eksovest. De spieractiviteit in de schouders daalt tot 45% tijdens het repetitief boren en licht assemblagewerk boven het hoofd. Bovendien werken de operatoren 20% sneller met dit exoskelet, terwijl de subjectieve ongemakken beperkt blijven [12]. Het aan- en uitdoen lukt makkelijk alleen en de belasting op de rug daalt met 30%. Het zijwaartse bewegingsbereik van de schouders neemt wel met 10% af. Het extra risico op vallen of uitglijden met exoskelet is verwaarloosbaar [13].
Exoskelet voor de benen
De Chairless Chair is een extern harnas aan de benen, dat kan blokkeren in een bepaalde gewrichtshoek. Dat maakt dat men kan wandelen met het exoskelet, maar ook zitten. Voordeel is het langdurig staan op de benen doorbreken en het monteren op verschillende hoogtes. Het effect hangt samen met de hoeveelheid gewicht die het exoskelet overneemt [14].
Typische taken tijdens auto-assemblage zijn schroeven en het monteren van clips en kabels. Deze taken werden vergeleken in drie houdingen (staan, hoog zitten en laag zitten) en drie reikafstanden (optimaal, ver en te ver). Staan op de benen vertoonde meer verplaatsingen van het lichaamszwaartepunt in alle richtingen, terwijl de stabiliteit toch beter was. De verschillen met het exoskelet (hoog zitten en laag zitten) waren echter klein. Hetzelfde geldt voor de houding in de rug en de nek [15].
* Exoskeletten:
exoskelet overzicht – exoskelet industrie – exoskeletten in praktijk – FAQ exoskeleton – passieve exoskeletten
Bronnen IEA 2018 congres:
[1] Bosch ea 2016 The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Appl Ergon 54: 212-217.
[2] Baltrusch ea 2018 The effect of a passive trunk exoskeleton on metabolic costs during lifting and walking. Proceeding IEA congress, Florence.
[3] Motmans ea 2018 Effect of a passive exoskeleton on muscle activity and posture during order picking. Proceedings IEA congress, Florence: 338-346.
[4] Amandels ea 2018 Use of a passive exoskeleton in an industrial working environment: effect on muscle activity and kinematics. Proceedings IEA congress, Florence.
[5] Baltrusch ea 2018 The effect of a passive trunk exoskeleton on functional performance in healthy individuals. Proceedings IEA congress, Florence.
[6] Krause ea 2018 Exoskeleton effectivity and acceptance. Lezing IEA congresss, Florence.
[7] Theurel ea 2018 Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Appl Ergon 67: 211-217.
[8] Weston ea 2018 Biomechanical evaluation of exoskeleton use on loading of the lumbar spine. Appl Ergon 68: 101-108.
[9] Huysamen ea 2018. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb activities. Appl Ergon 72: 10-16.
[10] Spada ea 2018 Passive Upper Limb Exoskeletons: an Experimental Campaign with Workers. Proceedings IEA congress, Florence: 230-239.
[11] Gilotta ea 2018 Acceptability beyond usability: a manufacturing case study. Proceedings IEA congress, Florence: 922-934.
[12] Kim ea 2018 Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: part I – “Expected” effects on discomfort, shoulder muscle activity and work task performance. Appl Ergon 70: 315-322.
[13] Kim ea 2018 Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: part II – “Unexpected” effects on shoulder motion, balance and spine loading. Appl Ergon 70: 323-330.
[14] Spada ea 2018 Physical and Virtual Assessment of Passive Exoskeletons. Proceedings IEA congress, Florence: 247-257.
[15] Luger ea 2018 Influence of a passive lower extremity exoskeleton on postural control. Proceedings IEA congress, Florence.