用於人工物料搬運的被動式上肢外骨骼的生物力學調查-計算參數研究






與工作相關的肌肉骨骼疾病

人工物料搬運已被確認可能會造成肌肉骨骼疾病,尤其是下列動作

  1. 重複的動作

  2. 採用特定且不適當的姿勢

  3. 高度施力

有大約四成的雜貨店工人都患有肩部或腰部的疾病(或是疼痛)



一、現有的外骨骼機構設計


這些外骨骼機構設計的優缺點


優點

1. 減少肩屈肌肌肉活動,增加耐力


2. 減少脊柱負荷


3.提高生產力



缺點

1.改變了正常的生物力學



2.造成額外的肌肉活動


3.增加脊柱負荷


4.增加誤差



二、研究目的


希望設計一種以動態捕捉技術搭配外骨骼機構的方式,用來評估生物力學風險因素。這套系蓊將在兩個採用人工物料搬運的超市進行測試。


實驗步驟

這項研究是一個大研究計畫的一小部分,該計畫的目的在於確認丹麥的超市部門在人工物料搬運時的生物力學負荷、肌肉運用需求,以及工作姿勢之間的關係。


SuitX 的 ShoulderX







三、實驗步驟



Anybody 資料設定


L4-L5 joint (腰椎第四節與第五節之間的關節)


SL (Support Level) 指的是不同的扭矩輸出

No: 無外骨骼

0: 外骨骼無扭矩

1~5: 設備上從最低到最高的扭矩輸出


SA (peak support angle) 代表不同的峰值支撐角度及其相對應的接合/脫離角度

1. 在沒有support 下增加負載

2. 調節設定

3. 最佳設定 (90度, 5)


建議設定

1. 3400N 壓縮力

2. 700N 剪力

  • 參考人員體重: 74.1Kg

  • 無外骨骼狀況下: 最大峰值在 367%BW(~2670N) 以及 67%BW (~490N)

  • 最佳外骨骼設定: 最大峰值在 354%BW(~2575N) 以及 62%BW (~450N)


肩盂肱骨關節 Glenohumeral joint




合力

  • 209% BW (無外骨骼)

  • 246% BW (採用最差設定)

  • 184% BW (採用最佳設定)

  • 每日使用 2~3 次

  • 五公斤肩箱負荷,10公斤手提箱橫向負荷

  • 肩部高出力



Glenohumeral ratios (肩盂肱骨剪力與壓縮力比例)

  • 合力會造成需要判讀的資訊Loss,Glenohumeral ratios 可以協助預測受傷風險

  • 壓縮力降低與剪切力的增加代表不穩定



肌肉力 (Muscle forces)


在適當的角度增加扭矩幅度

相對變化最多可減少 45%

  • 在以往的文獻中,採用 ShoulderX 與 Levitate Airframe 這兩種產品也有類似的峰值與中值肌肉活動現象

因此,當扭矩幅度更高時,可能會在背闊肌與大圓肌造成額外的力發生




四、目前的限制

IMU-based 的動作捕捉可能會有量測誤差,虛擬標記的追蹤可能發生錯誤,箱體與外骨骼動力學

Potentially altered kinematics,接觸物件的正確建模 (人-箱體 人-外骨骼)。




五、結論

  • 使用 ShoulderX 外骨骼機構確實可以減少脊柱與肩部的負荷

  • 作用肌(Agonist muscles) 的肌肉力量可減少

  • 會有額外的反向肌肉力量

  • 最佳的外骨骼機構設定可能不利於設備的保護效果

  • 利用肌肉骨骼建模模擬可以顯現出與現場運動數據相結合的效果。