25/09/2024
Door Ad Spijkers
Door de dijbeenspieren te helpen, kunnen gebruikers ondanks vermoeidheid veilig tillen. Een algoritme zorgt voor soepel schakelen tussen til- en draagtaken.
Een set knie-exoskeletten, gebouwd met commercieel verkrijgbare kniebraces en dronemotoren aan de University of Michigan, blijkt vermoeidheid bij het tillen en dragen tegen te gaan. Ze hielpen gebruikers om een betere tilhouding te behouden, zelfs als ze moe waren. Volgens de onderzoekers is dit een belangrijke factor bij het beschermen tegen blessures op het werk. In plaats van de rug direct te ondersteunen en de juiste tilvorm te bieden, versterkt het exoskelet de benen om deze te behouden. Dit verschilt van wat vaker in de medische sector wordt gedaan.
Spierondersteuning
Werknemers die regelmatig tillen, zoals in de bouw en productie, kunnen letterlijk rugsteunen gebruiken. Rug-exoskeletten, die veren of motoren gebruiken om te helpen bij het tillen, zijn een opkomende technologie. Maar apparaten die de rug ondersteunen, gaan uit van onveilig tillen of bukken. En rug-exoskeletten zijn vaak omslachtige apparaten die moeten worden gedeactiveerd om bewegingen toe te staan die geen deel uitmaken van de tiltaak.
In plaats daarvan ondersteunen de nu ontwikkelde knie-exoskeletten de quadriceps-spieren, die het grootste deel van de kracht leveren bij veilig tillen. De musculus quadriceps femoris is een vierkoppige skeletspier aan de voorzijde van de dij en is de belangrijkste spier voor de extensie van het been. Volgens de onderzoekers is het een minder ingrijpende manier om werknemers te beschermen tegen rugblessures. Deelnemers aan het onderzoek testten ze met til- en draagtaken met behulp van een trainingsgewicht van 10 kg.
Taken
De taken omvatten het tillen van het gewicht van de grond en het weer neerzetten, het tillen en dragen van een gewicht op een vlakke ondergrond, op en neer een helling oplopen en op en neer een trap oplopen. Het onderzoek wees uit dat de deelnemers, nadat ze vermoeid waren geraakt, met behulp van het exoskelet beter hun houding konden handhaven. Ze tilden ook sneller: ze waren slechts 1% langzamer dan hun tempo voordat ze vermoeid waren, versus 44% langzamer zonder de hulp van de exoskeletten.
Dit is vooral belangrijk wanneer een werknemer een lopende band moet bijhouden. Meestal, wanneer een werknemer vermoeid is, houden ze dat tempo aan, maar met een gecompromitteerde houding. Ze buigen hun rug meer, en dan zijn blessures het meest waarschijnlijk. De deelnemers gaven ook aan dat ze tevreden waren, met uitzondering van het lopen op vlakke grond. Dit komt overeen met de geringe assistentie die de dijbeenspieren nodig hebben tijdens deze relatief gemakkelijke taak.
Opbouw
Dankzij de motoren en de manier waarop deze zijn aangestuurd, kunnen gebruikers hun knieën vrij zwaaien voor een natuurlijke gang. Software voorspelt wat voor soort assistentie de gebruiker nodig heeft door de hoek van het kniegewricht, de oriëntaties van de dij en het onderbeen en de kracht die wordt opgevangen door een sensor in de schoen van de gebruiker te meten. Met deze drie metingen van beide benen is het mogelijk om te bepalen welke beweging de gebruiker probeert te maken en hoeveel assistentie hij moet geven. Deze metingen werden 150 keer per seconde uitgevoerd, waardoor de exoskeletten naadloos tussen activiteiten konden bewegen.
Deze aanpak is in contrast met veel exoskelet-controllers, die vooraf gedefinieerde patronen volgen voor een beperkte set taken. Het wisselen van taken kan een probleem zijn voor deze controllers en ze hebben mogelijk een volle seconde nodig om erachter te komen wat de gebruiker probeert te doen. Als een exoskelet probeert om naar boven te lopen en de gebruiker probeert naar beneden te lopen, kan dat een probleem zijn.
De nieuwe controller combineert een fysisch model met machine learning, wat voorkomt dat het exoskelet onverwachte bewegingen maakt als de gebruiker zich anders gaat gedragen dan een activiteit die is opgenomen in de trainingsgegevens van de controller.
De praktijk
De prototypes in het lab kosten ongeveer $ 4.000 per paar. Als de exoskeletten seriematig zouden worden geproduceerd, zouden ze ongeveer $ 2.000 per paar kosten.
De tien deelnemers aan het onderzoek, vijf vrouwen en vijf mannen, deden alle taken op twee verschillende dagen, één dag fris en de andere dag vermoeid. Om vermoeidheid te veroorzaken, voerde elke deelnemer een reeks squat-lifts uit met het trainingstotdat ze niet meer verder konden zonder een lange pauze tussen de herhalingen. Alle deelnemers hadden ervaring met de juiste lifttechnieken voor het gewicht.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: University of Michigan