Biomechanical assessment of the design and efficiency of occupational exoskeletons with the AnyBody Modeling System

Abstract

Exoskeletons were invented over 100 years ago but have only become popular in the last two decades, especially in the working industry as they can decrease work-related loads significantly. The most often used exoskeletons are for the lower back and shoulder since these are commonly affected body regions. All devices have in common that their purpose is to reduce internal loads of vulnerable body regions. Nevertheless, there is still little understanding on how biomechanical loading in the human body changes when exoskeletons are used. Therefore, further analyses are needed. A promising candidate for these are musculoskeletal models, which are based on an inverse dynamics approach and can calculate external parameters such as ground reaction forces or other interaction forces as well as internal parameters such as joint reaction forces or muscle activities. The various examples in the literature show that these models are increasingly used for assessing the biomechanical effects of exoskeletons on the human body. Furthermore, musculoskeletal models can calculate biomechanical loadings of humans with and without exoskeletons for all kinds of applications and allow an evaluation of their purpose. Practical Relevance : This article highlights the possibilities of musculoskeletal models for assessing the design and efficiency of occupational exoskeletons. Several practical use cases are described along with distinct descriptions of common implications of musculoskeletal and exoskeleton modeling. Exoskelette wurden vor über 100 Jahren erfunden, sind aber erst in den letzten zwei Jahrzehnten populär geworden, vor allem in der Arbeitswelt, da sie die arbeitsbedingten Belastungen erheblich reduzieren können. Am häufigsten werden Exoskelette für den unteren Rücken und die Schulter verwendet, da dies die am häufigsten betroffenen Körperregionen sind. Allen Geräten ist gemeinsam, dass ihr Zweck darin besteht, die internen Belastungen der gefährdeten Körperregionen zu verringern. Dennoch gibt es immer noch wenig Erkenntnisse darüber, wie sich die biomechanische Belastung im menschlichen Körper verändert, wenn Exoskelette verwendet werden. Daher sind weitere Analysen erforderlich. Ein vielversprechender Kandidat hierfür sind muskuloskelettale Modelle, die auf inverser Dynamik basieren und sowohl externe Parameter wie Bodenreaktionskräfte oder andere Interaktionskräfte als auch interne Parameter wie Gelenkreaktionskräfte oder Muskelaktivitäten berechnen können. Die verschiedenen Beispiele in der Literatur zeigen, dass diese Modelle zunehmend zur Bewertung der biomechanischen Auswirkungen von Exoskeletten auf den menschlichen Körper eingesetzt werden. Darüber hinaus können muskuloskelettale Modelle biomechanische Belastungen von Menschen mit und ohne Exoskelett für alle Arten von Anwendungen berechnen und eine Evaluation ihres Nutzens ermöglichen. Praktische Relevanz : In diesem Artikel werden die Möglichkeiten von Muskelskelettmodellen für die Bewertung des Designs und der Effizienz von berufsbedingten Exoskeletten aufgezeigt. Es werden mehrere praktische Anwendungsfälle beschrieben und die allgemeinen Auswirkungen der Modellierung von Muskel-Skelett-Systemen und Exoskeletten erläutert.