Analysis of the influence of passive exoskeletons for overhead activities on tool holding times, local physiological strain and the range of motion of the upper limbs
Objectives: This paper presents three laboratory studies on the second stage of the Institute of Ergonomics (Institut für Arbeitswissenschaft, IAD) concept for the application of passive exoskeletons in practice. An analysis is conducted on objective and subjective outcomes in relation to changes in loading/strain, holding times and range of motion when using three selected exoskeletons for overhead activities.
Methods: Surface electromyography (EMG) is used to determine physiological muscular strain. Relevant muscles in the arm-shoulder area and in the back are selected for this purpose on the basis of reference literature and preliminary studies. Subjective outcomes concerning the discomfort of the test subjects during overhead activities with and without exoskeleton are recorded by means of the Corlett-Bishop scale. The neutral-zero-method was used to determine the range of motion.
Results: The IAD concept for the analysis and evaluation of physical stress and strain when using passive exoskeletons in overhead work in the laboratory and in practice is described. On the basis of the laboratory studies carried out, it was found that muscular strain is significantly reduced when using the analysed exoskeletons in the arm-shoulder system, but increases at the same time in the back. Similarly, holding times were shown to be longer depending on the holding position. The range of movement in the area of overhead work is not restricted by the exoskeleton. In the case of free movements, it could be shown that the arms were held above shoulder height to an increasing degree when using an exoskeleton.
Conclusions: The three studies carried out provide information on changes in stress and strain, holding times and range of motion when using three passive exoskeletons for overhead activities. Implications are derived for the use of passive exoskeletons in practice. The aim should be to produce further findings from practical field studies with working persons as well as with adapted ergonomic analysis methods.
Keywords: passive exoskeletons – overhead work – strain – holding time – range of motion – surface electromyography (EMG)
ASU Arbeitsmed Sozialmed Umweltmed 2019; 55: 578-584
Analyse des Einflusses von passiven Exoskeletten für Überkopftätigkeiten auf die Haltezeiten von Werkzeugen, die lokale physiologische Beanspruchung und den Bewegungsraum der oberen Extremitäten
Zielstellungen: In diesem Beitrag werden drei Laborstudien zum zweiten Schritt des „Konzept des Instituts für Arbeitswissenschaft (IAD) zur Anwendung von passiven Exoskeletten in der Praxis“ vorgestellt. Dabei werden objektive und subjektive Ergebnisse zu Belastungs-/Beanspruchungsveränderung sowie Haltezeiten und Bewegungsraum bei der Verwendung von drei ausgewählten Exoskeletten für Überkopftätigkeiten analysiert.
Methoden: Zur Bestimmung der physiologischen muskulären Beanspruchung wird die Oberflächen-Elektromyographie-Methode (OEMG) eingesetzt. Hierfür werden relevante Muskeln im Arm-Schulter-Bereich sowie im Rücken auf Basis von Literaturerkenntnissen und Vorstudien ausgewählt. Subjektive Ergebnisse bezüglich des Diskomforts der Versuchspersonen bei Überkopftätigkeiten mit und ohne Exoskelett werden mittels der Corlett-Bishop-Skala erhoben. Zur Ermittlung des Bewegungsraums wurde die Neutral-Null-Methode verwendet.
Ergebnisse: Das IAD-Konzept zur Analyse und Bewertung der körperlichen Belastungen und Beanspruchung beim Einsatz von passiven Exoskeletten bei der Überkopfarbeit im Labor und in der Praxis wird beschrieben. Auf Basis der durchgeführten Laborstudien konnte festgestellt werden, dass sich die muskuläre Beanspruchung beim Einsatz der analysierten Exoskelette im Arm-Schulter-System deutlich reduziert, sich im Rückenbereich jedoch gleichzeitig erhöht. Ebenso wurde abhängig von der Halteposition eine Verlängerung der Haltezeiten gezeigt. Der Bewegungsraum im Bereich der Überkopfarbeit ist nicht eingeschränkt. Bei frei geführten Bewegungen konnte gezeigt werden, dass die Arme beim Einsatz eines Exoskelett vermehrt über der Schulterhöhe gehalten wurden.
Schlussfolgerungen: Die drei durchgeführten Studien geben Aufschluss zur Belastungs- und Beanspruchungsänderungen, Haltezeiten und Bewegungsraum bei der Verwendung von drei passiven Exoskeletten für Überkopftätigkeiten. Implikationen für den Einsatz von passiven Exoskeletten in der Praxis werden abgeleitet. Weitere Erkenntnisse aus Praxisstudien mit Arbeitspersonen sowie mit angepassten ergonomischen Analysemethoden sollten angestrebt werden.
Schlüsselwörter: passive Exoskelette – Überkopfarbeit – Beanspruchung – Haltezeit – Bewegungsraum – Oberflächen-Elektromyographie (OEMG)
Einleitung
Auf dem Markt angebotene passive Exoskelette finden immer mehr Anwendungen in der Industrie (Voilqué et al. 2019; Wakula et al. 2020). Der Einsatz von solchen Exoskeletten ist motiviert durch die Reduzierung der lokalen Beanspruchung der Arbeitsperson, hervorgerufen durch ergonomisch belastende Körperhaltungen (z.B. statische Hand-Arm-Haltungen, Überkopfarbeit) oder durch manuelle Lastenhandhabung.
Ob und in welchem Umfang eine Belastungs- und Beanspruchungsreduzierung/-verlagerung durch den Einsatz von passiven Exoskeletten an industriellen Arbeitsplätzen erfolgt, wird derzeit intensiv erforscht. Einige Ergebnisse aus biomechanischen und arbeitsphysiologischen Studien mit passiven Exoskeletten liegen aktuell vor (z.B. Hensel u. Keil 2018; Spada et al. 2018; Wakula et al. 2019). Bewegungen und eingenommene Gelenkwinkel von Testpersonen wurden bisher eher vermehrt an aktiven Exoskeletten untersucht. Dabei wurde aber weniger die Ausführbarkeit von Aufgaben oder eine Einschränkung der Bewegungen des Menschen untersucht, sondern vielmehr die Bewegungsmuster zur Motorsteuerung (z.B. Hessinger et al. 2018).
Außerdem fehlt es derzeit an evaluierten Analyse- und Bewertungskonzepten sowie vor allem an Ergebnissen aus praxisbezogenen Langzeitstudien. Aufbauend auf einer Literaturrecherche wurde am Institut für Arbeitswissenschaft Darmstadt (IAD) ein Konzept zur Analyse und Bewertung der biomechanischen Belastungen und arbeitsphysiologischen Beanspruchungen beim Einsatz von passiven Exoskeletten für Überkopfarbeit im Labor und in der Praxis erarbeitet (Wakula et al. 2019). Der Begriff Überkopfarbeit bezeichnet hierbei die Betätigung mindestens einer Hand oberhalb des zu derselben Körperseite gehörenden Schultergelenkmittelpunktes (Bier 1991).
Zur systematischen Analyse der Auswirkungen von passiven Exoskeletten auf ergonomisch-biomechanische Kriterien (Belastungen bzw. Beanspruchungen) bei Überkopfarbeit sowie anderen Kriterien (z.B. Gebrauchstauglichkeit, Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit) wurde ein IAD-Konzept entwickelt, das einen Handlungsrahmen mit sukzessiv aufbauenden Untersuchungselementen besitzt. Dieses Konzept besteht aus insgesamt vier Schritten. Im ersten Schritt werden die bisherigen Erkenntnisse aus der Literatur zusammengefasst und in der Praxis verwendete sowie auf dem Markt angebotene Exoskelette gesammelt und katalogisiert. Zudem dienen Workshops mit Praxispartnern der Informationsgewinnung von ausgewählten Konzepten und der Absicherung der Relevanz von ersten stark standardisierten Testszenarien, die von industriellen Arbeitsplätzen abgeleitet werden.
Hierauf aufbauend kann im zweiten Schritt ein Laborkonzept mit den verschiedenen Szenarien sowie den zu verwendenden Messgrößen und Erhebungsmethoden zur Analyse und Bewertung der biomechanischen Belastungen und arbeitsphysiologischen Beanspruchungen beim Einsatz von passiven Exoskeletten für Überkopfarbeit entwickelt werden.
Die sich daraus ergebenden Modelle werden anschließend zur Evaluierung durch Feldstudien nach ergonomischen Bewertungskriterien (Erträglichkeit, Gesundheit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz) geprüft (Schritt 3).
Im letzten Schritt werden aus den gewonnen Erkenntnissen Handlungsempfehlungen abgeleitet und ein Leitfaden für den Einsatz von passiven Exoskeletten für die Überkopfarbeit in der Praxis entwickelt. Darüber hinaus können die Erkenntnisse in verschiedene Belastungsbewertungsverfahren implementiert werden.
Im Rahmen dieses Konzepts wurden für den zweiten Schritt drei unabhängige Laborstudien konzipiert und durchgeführt. Die gewonnenen Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.
Fragestellungen
Aus Gesprächen mit Praxisanwendern und Pilotstudien bei industriellen Partnern haben sich folgende Fragestellungen bezüglich von im Labor durchzuführenden Studien aus dem Rahmenkonzept ergeben:
Methodik
In drei Laborstudien mit verschiedenen Szenarien wurden sowohl objektive als auch subjektive Daten erhoben, um ein möglichst ganzheitliches Bild zu Belastungen und zur Beanspruchung beim Einsatz von passiven Exoskeletten bei Überkopftätigkeiten zu erhalten. Zur Bestimmung der physiologischen lokalen Beanspruchung wurde die Oberflächen-Elektromyographie-Methode (OEMG) eingesetzt (AWMF-Leitlinie 2013).
Weiterhin werden subjektive Daten bezüglich des Diskomforts bei der Überkopfarbeit mit und ohne Exoskelett mittels der Corlett-Bishop-Skala (Corlett u. Bishop 1976) erhoben. Der Diskomfort wird durch die Befragten in dem jeweiligen Körperbereich mithilfe einer Skala mit Werten von 0–10 quantifiziert, wobei 0 mit „Nothing at all“ den Basiswert darstellt und 10 der höchstmögliche Diskomfortwert ist.
Der aktive Bewegungsraum wurde mit der Neutral-Null-Methode (DVSE 2012) ermittelt. Die Bewegungen wurden mit dem körpergetragenen Motion-Capturing-System Captiv aufgezeichnet. Die von diesem Messsystem ermittelten Gelenkwinkel des Schultergelenks haben geringe mittlere Fehler für die Bewegungen im Schulterbereich (Steinebach et al. 2020).
Drei passive Exoskelette A, B und C werden eingesetzt. Sie arbeiteten alle mit einem Federsystem, das in Armschalen an den Oberarmen Kraft aufnehmen und in die Hüfte umleiten kann. In welchen Bereichen die Unterstützung greift, wird in ➥ Tabelle 1 dargestellt.
Studiendesign zur Fragestellung 1
Die Studie zur Untersuchung des Einflusses der Verwendung eines passiven Exoskeletts (C) auf die Ausführung von Bewegungen des Armes bei Überkopftätigkeiten teilte sich in zwei Teile. Zum einem wurde der aktive Bewegungsraum mit und ohne Exoskelett bestimmt. Zum anderen wurde die Auswirkung des Einsatzes des Exoskeletts auf den Zeitanteil in der Flexion über 70° des frei geführten Armes bei der dynamischen Schraubaufgabe untersucht.
Fig. 1: Range of motion of the shoulder joint in the frontal and sagittal plane in accordance with DVSE 2012
Zur Ermittlung des aktiven Bewegungsraums nach der Neutral-Null-Methode führten 12 Testpersonen (10 männliche, 2 weibliche; Alter 25,6 ± 2,0 Jahre; 180,1 ± 7,5 cm; keine bekannten Einschränkungen in der Schulter) jeweils mit und ohne Exoskelett den Arm frei in der Sagittal- und Frontalebene (➥ Abb. 1) im aufrechten Stand mit nach vorne gerichteten Blick. Sie hielten die Maximalposition für vier Sekunden, bevor sie sie den Arm in die nächste Position bewegten. Die Messung wurde entsprechend der Vorgaben der Deutschen Vereinigung für Schulter- und Ellenbogenchirurgie (DVSE) dreimal wiederholt (DVSE 2012).
Für jede Testperson wurde der Mittelwert der maximalen Auslenkung aus den Wiederholungen in den Versuchsausprägungen mit und ohne Exoskelett für die Abduktion, Adduktion, Flexion und Extension ermittelt.
Im Anschluss wurden die Teilnehmenden aufgefordert, eine dynamische Aufgabe auszuführen. Die dynamische Arbeitsaufgabe beinhaltete das Einschrauben von Schrauben in eine Vorrichtung in 4 Sekunden (Bedingung für dynamische Arbeit nach Rohmert 1960) auf einer Höhe von 1,80 m mit einem Akkuschrauber. Dabei wird der Akkuschrauber mit dem rechten Arm geführt, während mit dem linken Arm die Schrauben von Hüfthöhe aufgenommen werden.
Der Takt wurde über ein Metronom vorgegeben. Hierbei wurden die Bewegungen der oberen Extremitäten mit und ohne Einsatz eines Exoskeletts aufgezeichnet. Zur Bewertung einer Veränderung der Ausführung wurden die Zeitanteile bei denen sich der freigeführte linke Arm über 70° in der Flexion pro Wiederholung ermittelt. Anschließend wurden die Mittelwerte der Zeitanteile mit und ohne Exoskelett auf Unterschiede geprüft.
Im Anschluss an beide Aufgaben wurde eine subjektive Bewertung der Beweglichkeit vorgenommen. Dabei wurde explizit nach der Bewegungsfreiheit auf einer sibenpoligen Skala (1: volle Bewegungsfreiheit, 7: keine Bewegungsfreiheit) der Flexion/Extension und Adduktion/Abduktion der Arme gefragt.
Fig. 2: Analysed arm positions during overhead work (in accordance with Bier 1991)
Studiendesign zur Fragestellung 2
Ziel der Studie ist Klärung der Frage bezüglich der Haltezeiten und der muskulären Beanspruchung bei statischer Überkopfarbeit in definierten Hand-Arm-Positionen mit und ohne passives Exoskelett (C). Die statische Aufgabe ist, ein Gewicht von 3,35 kg in vier verschiedenen Haltepositionen (A5, D1, D3 und D4) des Armes mit und ohne Exoskelett solange wie möglich zu halten. Das Gewicht von 3,35 kg wurde in Anlehnung an den Studien von Bier (1991) festgelegt. Die Positionen werden anhand des größten Anwendungsbezugs zu realen Haltepositionen an den industriellen Arbeitsplätzen und Studien von Bier (1991) gewählt. In ➥ Abb. 2 ist ein Raster der festgelegten Positionen aufgetragen. Die Position A5 repräsentiert das Arbeiten beziehungsweise Halten eines Gegenstands oder Werkzeugs mit einer maximalen Reichweite des Handarmes. D1 geht von einem Anwendungsfall direkt unter dem zu bearbeitenden Werkstück aus, D3 und D4 hingegen von Überkopfarbeiten mit einem weiten Abstand zum Objekt. An der Studie nahmen insgesamt 23 junge Testpersonen (16 Männer und 7 Frauen) teil. Der Altersdurchschnitt liegt bei 23,0 ± 1,2 Jahren. Das Durchschnittsgewicht der Probanden liegt bei 73,5 ± 12,2 kg, die Durchschnittsgröße bei 180,5 ± 11,3 cm.
Um die vorgegebene Erholzeit bei statischen Überkopfarbeit nach Bier (1991) einzuhalten, wird die Maximalkraft jeder Versuchsperson ermittelt.
Die objektiven Beanspruchungsdaten werden analog zu Studie 3 erhoben. Hierbei wird die elektrische Aktivität folgender fünf Muskeln gemessen und analysiert: Musculus (M.) trapezius pars descendens im Schulter-Nacken-Bereich, M. flexor carpum ulnaris (flexor carpum), M. bizeps brachii und M. deltoideus pars clavicularis im Unter- bzw. Oberarm sowie der M. erector spinae im unteren Rückenbereich.
Studiendesign zur Fragestellung 3
Grundsätzlich steht im Mittelpunkt dieser dritten Laborstudie die Beantwortung der Frage 3, nämlich ob ein passives Exoskelett in der Lage ist, die physiologische Beanspruchung bestimmter Körpersegmente beziehungsweise ausgewählter Muskelbereiche bei Überkopfarbeiten zu reduzieren. Hierbei gilt es zu quantifizieren, inwiefern eine Reduzierung der körperlichen Belastung durch das Exoskelett bei statischen und dynamischen Aufgabenszenarien festzustellen ist, die sich in einer Reduzierung der physiologischen Beanspruchung äußert. Ferner ist fraglich, ob eine Verlagerung der lokalen Beanspruchung zwischen verschiedenen Körperbereichen stattfindet.
Die elektrische Aktivität (EA) folgender fünf Muskeln wurde zur Beantwortung der Fragestellung 3 gemessen und analysiert: M. trapezius pars descendens und M. deltoideus acromialis im Schulter-Nacken-Bereich, M. biceps brachii und M. triceps brachii im Oberarm sowie der M. erector spinae im unteren Rückenbereich. Diese Muskeln sind insbesondere bei Überkopfarbeit von Relevanz; gleichzeitig ist deren elektrische Aktivität mittels OEMG messbar (Bier 1991; Wakula et al. 2019). Aufgezeichnet wurde die elektrische Aktivität mit dem Noraxon TeleMyo 2400 G2 System (Elektrode: Ambu BlueSensor P) mit einer Frequenz von 1500 Hz. Nach einer Gleichrichtung und Glättung („root mean square“) der Signale wurde die elektrische Aktivität in Bezug auf einen zuvor durch definierte Übungen ermittelten MVC-Wert („maximum voluntary contraction“) normalisiert. Die statistische Auswertung erfolgte anhand von Mittelwertvergleichen mit einem t-Test bzw. Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test, abhängig davon, ob eine Normalverteilung vorlag (Signifikanzniveau α = 0,05).
Die Laborversuche unterteilten sich in zwei aus der industriellen Praxis abgeleitete Aufgabenszenarien, wobei diese in ihrer Reihenfolge permutiert wurden. Diese wurden von 10 Testpersonen (Alter: 27,2 ± 6,1 Jahre; 177,3 ± 10,0 cm; 3 weiblich; 7 männlich) mit zwei verschiedenen Exoskeletten (A und B) sowie zum Vergleich ohne Exoskelett durchgeführt.
In einer statischen Halteaufgabe halten die Versuchsteilnehmenden ein Werkzeug (m = 5 kg) in einer Höhe von 1,80 m für 3 Minuten, sofern sie nicht zuvor abbrechen müssen. Die Körperhaltung ist hierbei bei allen Personen als statische Überkopfarbeit anzusehen.
Als dynamische Aufgabe wurde die in Abschnitt „Studiendesign zur Fragestellung 1“ beschriebene Aufgabenstellung in einem Takt von unter 4 Sekunden auf einer Höhe von 1,80 m mit einem Akkuschrauber ausgeführt.
Ergebnisse
Fragestellung 1
Der Bewegungsraum von 12 Testpersonen bei jeweils maximaler aktiver Auslenkung in Abduktion, Adduktion, Flexion und Extension der Schulter mit und ohne Exoskelett ist in ➥ Abb. 3 dargestellt. Die Mittelwerte der Abduktion liegen im Bereich von 167° (± 12°) mit Exoskelett C und 155° (± 15°) ohne Exoskelett, die gemessenen Mittelwerte zur Adduktion im Bereich zwischen –9° (± 10°) mit Exoskelett und –26° (± 12°) ohne Exoskelett. Die Flexion ist relativ ähnlich mit und ohne Exoskelett (Mittelwerte zwischen 146° (± 13°) und 148° (± 15°), wobei die Mittelwerte der Extension zwischen –3° (± 8°) mit Exoskelett und –31° (± 8°) ohne Exoskelett liegen.
Dabei ist nach einer Prüfung der Normalverteilung mit einem gepaarten t-Test für die Mittelwerte des Bewegungsraums der Adduktion und die Mittelwerte des Bewegungsraums der Extension ein signifikanter Unterschied (p = 0,001) feststellbar. Subjektiv bewerteten die Teilnehmenden die Flexion/Extension mit einer mittleren Einschränkung der Beweglichkeit (Median = 4, Varianz 1,24) und für Abduktion/Adduktion mit einer geringen Einschränkung (Median = 2,5, Varianz 1,16). Lediglich zwei Personen haben während der Flexion/Extension volle Bewegungsfreiheit mit Exoskelett angegeben, der Rest des Kollektivs hat die Bewegungsfreiheit zwischen drei und fünf bewertet.
Bei der dynamischen Schraubaufgabe wurde der linke Arm frei zwischen Schraubenaufnahme auf Hüfthöhe und dem Akkuschrauber geführt. Dabei wurde der Arm mit Exoskelett im Mittel in 39 % (σ = 12 %) und ohne Exoskelett in 33 % (σ = 11 %) der ausgeführten Zeit über 70° in der Flexion gehalten. Der Unterschied in den Zeitanteilen ist nach einem gepaarten t-Test signifikant (p <0,05). In der subjektiven Bewertung gaben einige der Teilnehmenden an, dass sie sich beim Ausführen der Aufgabe in ihren Bewegungen eingeschränkt fühlten: „Ich verspüre eine Bewegungseinschränkung mit Exoskelett, wenn ich nach der Schraube greife. Die Aufgabe kann deshalb nicht ‚normal’ ausgeführt werden“. Eine weitere Versuchsperson kommentierte: „Ich empfinde es als einfacher, diese Aufgabe ohne Exoskelett auszuführen als mit. Das Exoskelett ist unflexibel im Rücken“.
Fig. 3: Range of motion – mean values of 12 subjects at maximum active deflection in abduction, adduction, flexion and extension of the shoulder with and without exoskeleton from three repetitions
Fragestellung 2
In ➥ Abb. 4 sind die Mittelwerte bezüglich der Haltezeit in Sekunden für die vier definierten Hand-Arm-Positionen (A5, D4, D3, D1) nach Bier (1991) mit und ohne Exoskelett C dargestellt. Die Ergebnisse zeigen höhere Haltezeiten mit Exoskelett in allen analysierten Punkten außer für Männer in D1. Eine besonders starke Unterstützung des Exoskeletts ist in Position D3 (ca. 15 s, bis zu 25 %) zu erkennen.
Des Weiteren sind deutliche Unterschiede in der Unterstützung zwischen Frauen und Männern festzustellen. So zeigt sich, dass mit Exoskelett signifikant höhere Haltezeiten bei Frauen in allen Positionen außer A5 auftreten. Hierbei ist die Unterstützung für Frauen in den Punkten D3 und A5 (bis 35 %) besonders ausgeprägt. Der Effekt des Exoskeletts auf die Haltezeiten ist in dieser Studie bei Frauen deutlich stärker als bei Männern.
Die gewonnenen EMG-Ergebnisse dieser Studie sind bereits in Wakula et al. (2020) publiziert. Die Ergebnisse hinsichtlich der statischen elektrischen Aktivität (EA) zeigen, dass das Exoskelett in den verschiedenen Positionen und in den analysierten Muskeln unterschiedliche lokale Beanspruchungen hervorruft. Diese ist in den Muskeln M. trapezius und M. bizeps in den Positionen A5, D4 und D3 beim Versuch mit Exoskelett signifikant reduziert. Im M. deltoideus ist hingegen diese Reduzierung lediglich in der Position D4 und D3 signifikant. In der Position A5 ist die statische EA ohne Unterstützung des Exoskeletts niedriger. Auch in der Position D1 konnte bei der EA kein signifikanter Unterschied festgestellt werden und die statische EA ist insgesamt niedriger als in den anderen Positionen. Dies deutet vermutlich darauf hin, dass hier durch das Exoskelett eine Veränderung der Beanspruchung stattfindet.
Fig. 4: Holding times – mean values of 16 male (left) and 7 female (right) subjects for defined positions with and without exoskeleton
Fragestellung 3
Die Ergebnisse der EMG-Messung bezüglich der objektiven muskulären Beanspruchung bei der dynamischen und statischen Aufgabe sind in ➥ Abb. 5 für unterschiedliche Exoskelette dargestellt. Die Balken des Diagramms deuten jeweils an, in welchem Maß sich die mittlere elektrische Aktivität (%), normalisiert zum MVC, in der statischen (blau) oder dynamischen (rot) Aufgabe durch die Verwendung des Exoskeletts entweder erhöht (negativer Balken) oder reduziert (positiver Balken) hat.
Zunächst ist zu erkennen, dass die elektrische Aktivität der Muskeln im Oberarm (M. triceps brachii und M. biceps brachii) und der Schulter (M. deltoideus acromialis) bei beiden Exoskeletten sowohl bei der dynamischen als auch bei der statischen Übung reduziert werden kann. Dieser Effekt zeigt sich vor allem bei statischen Übungen im M. deltoideus acromialis als stark ausgeprägt, da hier Reduzierungen der EA von bis zu 60 % (Exoskelett A) beziehungsweise 45 % möglich sind. Eine Ausnahme bildet der M. triceps brachii bei der dynamischen Übung mit Exoskelett A – hier erhöht sich die lokale muskuläre Beanspruchung bei Verwendung des Exoskeletts leicht.
Deutlichere Steigerungen der lokalen Beanspruchung lassen sich jedoch in den Rücken- bzw. Nackenmuskeln (M. erector spinae und M. trapezius pars descendens) erkennen – insbesondere bei Exoskelett A. Bei Exoskelett B hingegen ist die muskuläre Beanspruchung des M. trapezius pars descendens auf einem ähnlichen Niveau wie ohne Exoskelett.
Des Weiteren zeigt der Vergleich der mittleren EA zwischen der statischen und der dynamischen Aufgabe, dass die prozentuale Reduzierung bei beiden getesteten Exoskeletten bei statischen Aufgaben höher ausfällt als bei dynamischer Bewegung.
Bei der Betrachtung des Diskomforts der Versuchsteilnehmenden wurde auf den statischen Versuch fokussiert. Die einzelnen Regionen der Corlett-Bishop-Skala wurden hierbei in die vier Körpersegmente Schultern, Nacken, Arme und Rumpf unterteilt. Für die Schultern (ohne Exo: 5,5; Exo A: 3,9; Exo B: 3,3) und die Arme (ohne Exo: 5,6; Exo A: 1,8; Exo B: 2,6) konnte ein signifikant geringerer Diskomfort der Testpersonen festgestellt werden als bei der Verwendung von einem der beiden Exoskelette. Auch im Nacken (ohne Exo: 4,9; Exo A: 4,3; Exo B: 3,2) sind die Diskomfortwerte bei der Verwendung von Exoskeletten geringer, jedoch nicht so deutlich wie im Schulter-Arm-Bereich. Im Rücken konnten die Versuchsteilnehmenden zumindest bei einem der beiden Exoskelette gar keinen Unterschied mehr zur Ausführung der Aufgabe ohne Exoskelett ausmachen (ohne Exo: 3,3; Exo A: 3,3; Exo B: 2,2). Sehr ähnliche Ergebnisse sind bei der Auswertung der Diskomfortwerte während der dynamischen Aufgabe zu verzeichnen, auf die an dieser Stelle jedoch nicht weiter eingegangen wird.
Fig. 5: Reduction or increase in the average EA (% of MVC) for static and dynamic tasks/overhead work (exoskeleton A – left; exoskeleton B – right)
Diskussion
Fragestellung 1
Hinsichtlich der Fragestellung 1 zeigt sich, dass die Beweglichkeit der oberen Extremitäten in der Adduktion und der Extension bedingt durch das Gestänge des Exoskeletts C eingeschränkt wird. Die Unterschiede sind sowohl für die Adduktion als auch für die Extension signifikant, und die Werte mit Exoskelett liegen teilweise deutlich unter den angegebenen Standardwerten (Adduktion 20–40°; Extension –40°; (DVSE 2012). Bei der Abduktion ist eine große Varianz in den gemessenen Werten zu erkennen. Dies könnte daran liegen, dass die Teilnehmenden teilweise den Schultergürtel in unterschiedlichem Maß benutzt haben. Hingegen zeigen insbesondere die zu vernachlässigenden Abweichungen bei der Flexion, dass in diesem Bereich das Exoskelett vermutlich keinen Einfluss auf die Beweglichkeit hat.
In Bezug auf die dynamische Aufgabe zeigte sich, dass der Zeitanteil an der Ausführungszeit in dem die Arme über 70° gehalten werden, signifikant unterschiedlich ist zu dem Zeitanteil der Armhaltung über 70° Flexion ohne Exoskelett. Es ist also daraus zu schließen, dass das Exoskelett dazu beiträgt, den Arm länger in Positionen über 70° zu halten.
Die Beweglichkeit ist mit Exoskeletten im Bereich der Überkopfarbeit somit gegeben. Allerdings ist die Beweglichkeit im unteren Bewegungsraum eingeschränkt. Dieses sollte bei Tätigkeiten, die ein Aufnehmen von Arbeitsmitteln im Hüftbereich beinhalten, berücksichtigt werden.
Fragestellung 2
Bezüglich der „Haltezeiten mit Exoskelett für ausgewählte Haltepositionen im Überkopf-Greifraum“ liegen bisher keine veröffentlichten Ergebnisse vor. Der Effekt des Exoskeletts C auf die Haltezeiten wurde in der durchgeführten Laborstudie nachgewiesen. Die Verlängerung der Haltezeiten (Mittelwerte) mit Exoskelett bei männlichen Probanden beläuft sich auf 11 % für Position A5 bis hin zu 21 % für Halteposition D3. Deutlich höhere Verlängerungen der Haltezeiten mit Exoskelett konnte bei weiblichen Probanden festgestellt werden: von ca. 16 % bei der Position D4 bis ca. 30 % für A5 und D3. Eine Ausnahme bildet nur Position D1 – hier ist ein Einfluss des Exoskeletts kaum sichtbar. Der Effekt des Exoskelett auf die Haltezeiten ist in dieser Studie bei Frauen deutlich stärker als bei Männern. Aufgrund der geringen Gruppengröße der Frauen (n=7) sollte diese Aussage jedoch vorsichtig betrachtet werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse geben den Verantwortlichen für Arbeitsgestaltung und Planung in der Praxis erste Hinweise zur organisatorischen Gestaltung, beispielsweise für die Bestimmung von Arbeitszeiten mit statischen Überkopftätigkeiten bei der Anwendung von ausgewählten Handwerkzeugen mit definierten Gewichten.
Fragestellung 3
Bezüglich Fragestellung 3, also der Frage nach der Beanspruchungsreduzierung beziehungsweiseverlagerung, lässt sich erkennen, dass diese Frage nur muskelbezogen (lokal) beantwortet werden kann. Die EA (%) in Muskeln des Arm-Schulter-Systems und – je nach Exoskelett auch des Nackens – können bei statischer und dynamischer Überkopfarbeit teilweise sehr deutlich reduziert werden. Im unteren Rückenbereich (M. erector spinae) hingegen nehmen die EA sowohl bei statischen als auch bei dynamischen Übungen zu. Dies ist ein Indikator dafür, dass die lokale muskuläre Beanspruchung bei der Nutzung der analysierten passiven Exoskelette des Hand-Arm-Schulter-Systems in den Rückenbereich verlagert wird, was durch den veränderten Kraftfluss durch das Exoskelett sowie dessen Gewicht (> 2 kg) begründet werden kann.
Gleichzeitig lässt sich in den Ergebnissen beider Exoskelette erkennen, dass die Reduzierung der mittleren EA (%) bei der statischen Aufgabe deutlich höher ist als bei der dynamischen Überkopfarbeit. Ebenso fällt die Erhöhung der EA (%) im M. trapezius pars descendens und M. erector spinae bei Exoskelett A jeweils bei der statischen im Vergleich mit der dynamischen Tätigkeit deutlich geringer aus. Bei Exoskelett B hingegen ist die Reduzierung im M. erector spinae bei beiden Aufgaben auf einem ähnlichen Niveau. Hieraus lässt sich letztendlich schlussfolgern, dass Exoskelette tendenziell eher für statische Halteaufgaben als für stark dynamische Tätigkeiten geeignet sind. Eine Begründung hierfür könnte sein, dass man bei dynamischen Aufgaben in jedem Bewegungszyklus teilweise der Wirkrichtung des Exoskeletts entgegenwirken muss.
Ähnliche Ergebnisse lassen sich aus der Betrachtung des Diskomforts erkennen. Als limitierender Faktor ist hierbei der Zeitraum zur Diskomfort-Erhebung zu nennen, der z.B. in Hensel et al. (2018) deutlich länger gewählt wurde.
Schlussfolgerungen
Die drei in diesem Beitrag dargestellten Studien geben Aufschluss zur Belastungsverlagerung und Beanspruchungsreduzierung, Haltezeiten und Bewegungsraum bei der Verwendung von passiven Exoskeletten für Überkopftätigkeiten.
Es konnte festgestellt werden, dass sich die muskuläre Beanspruchung beim Einsatz von ausgewählten passiven Exoskeletten im Arm-Schulter-System deutlich reduziert, sich im Rückenbereich jedoch gleichzeitig erhöht. Ebenso wurde abhängig von der Halteposition im Greifraum eine Verlängerung der Haltezeiten gezeigt. Der Bewegungsraum im Bereich der Überkopfarbeit ist nicht eingeschränkt. Bei frei geführten Bewegungen konnte gezeigt werden, dass die Arme beim Einsatz eines Exoskeletts vermehrt über der Schulterhöhe gehalten wurden. Daraus ergeben sich Implikationen für den Einsatz von passiven Exoskeletten in der Praxis: Wenn die Arbeitsaufgabe dynamische Bewegungen des Schultersystems erfordert, ist von einem Einsatz von passiven Exoskeletten eher abzusehen. Sowohl subjektiv als auch gemessen ergeben sich Einschränkungen im unteren Bewegungsraum insbesondere der Abduktion aus der Konstruktion des Exoskeletts.
Hinsichtlich der Haltezeiten sehen das Autorenteam weiteren Handlungsbedarf für Feldstudien an relevanten industriellen Arbeitsplätzen mit unterschiedlichen Handwerkzeugen. Auch die Untersuchung verschiedener Anwendergruppen erscheint interessant – insbesondere bei älteren Personen, deren physische Fähigkeiten sich von denen jüngerer Personen deutlich unterscheiden.
Weitere Untersuchungen sollten in Langzeit- und Feldstudien mit Arbeitspersonen sowie mit zusätzlichen physiologischen Messmethoden (z.B. Durchblutung) angestrebt werden.
Angesichts der Belastungs-/Beanspruchungsverlagerung sind statische Überkopftätigkeiten grundsätzlich zu reduzieren. Andere technische, organisatorische und persönliche Maßnahmen zur Reduzierung der statischen Überkopfarbeit sind vor der Verwendung eines Exoskeletts zu prüfen.
Literatur
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Voilqué A, Masood J, Fauroux JC, Sabourin L, Guezet O: Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural analysis and Structural complexity indicator. Wearable Robotics Association Conference (WearRAcon), Scottsdale, AZ, USA, March 26–28, 2019.
Wakula J, Steinebach T, Steidel V, Wolff J: Erarbeiten und Testen eines Konzeptes zur Analyse von körperlichen Belastungen und physiologischer Beanspruchung bei der Überkopfarbeit mit und ohne passive Exoskelette. GfA, Dortmund (Hrsg.): Frühjahrskongress 2019, Dresden.
Wakula J, Steidel V, Steinebach T: Analyse der Hand-Arm-Haltungen, Haltezeiten und physiologischer Beanspruchung bei statischer Überkopfarbeit mit und ohne passives Exoskelett. In: Digitaler Wandel, digitale Arbeit, digitaler Mensch? Dortmund, GfA-Press.
Interessenkonflikt: Das Autorenteam gibt an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Kontakt
Dr.-Ing. Jurij Wakula
Institut für Arbeitswissenschaft
TU Darmstadt
wakula@iad.tu-darmstadt.de
