A Novel Passive Occupational Shoulder Exoskeleton With Adjustable Peak Assistive Torque Angle For Overhead Tasks

要約

目的: 頭上の作業は、仕事関連の筋骨格系障害の主な誘発要因です。
肩の物理的負荷を軽減することを目的として、パッシブ肩外骨格は、その軽量性、手頃な価格、有効性により、業界でますます普及しています。
ただし、それらは特定のタスクにのみ対応でき、コンパクトさと十分な可動範囲の間で効果的にバランスを取ることができません。
方法:腕の挙上角度が異なる様々な頭上作業に対応し、コンパクトでありながら十分なROMを確保するための新しい受動的な職業用肩外骨格を提案した。
運動学モデルとシミュレーションを定式化することにより、人間工学に基づいた肩の構造が開発されました。
次に、パッシブクラッチ機構を介して低アシストフェーズと高アシストフェーズを切り替える、調整可能なピークアシストトルク角度を備えたトルクジェネレーターを紹介しました。
10 人の健康な参加者が募集され、ねじ締めタスクを実行してその機能を検証しました。
結果: 可動域の測定結果から、外骨格は矢状方向 (164{\deg}) と水平方向 (158{\deg}) の屈曲/伸展運動の両方で十分な ROM を確保できることが実証されました。
ねじ締めタスクの実験結果では、外骨格が筋肉の活性化 (最大 49.6%)、知覚される努力とフラストレーションを軽減し、ユーザー エクスペリエンスを向上させる (100 点中 79.7 点) ことが示されました。
結論：これらの結果は、提案された外骨格が自然な動きを保証し、頭上作業中に効率的な補助を提供できるため、筋骨格系疾患のリスクを軽減する可能性があることを示しています。
重要性: 提案された外骨格は、マルチタスクの適応性と効率的な支援に関する洞察を提供し、外骨格の用途を拡大する可能性を強調しています。

要約(オリジナル)

Objective: Overhead tasks are a primary inducement to work-related musculoskeletal disorders. Aiming to reduce shoulder physical loads, passive shoulder exoskeletons are increasingly prevalent in the industry due to their lightweight, affordability, and effectiveness. However, they can only accommodate a specific task and cannot effectively balance between compactness and sufficient range of motion. Method: We proposed a novel passive occupational shoulder exoskeleton to handle various overhead tasks with different arm elevation angles and ensured a sufficient ROM while compactness. By formulating kinematic models and simulations, an ergonomic shoulder structure was developed. Then, we presented a torque generator equipped with an adjustable peak assistive torque angle to switch between low and high assistance phases through a passive clutch mechanism. Ten healthy participants were recruited to validate its functionality by performing the screwing task. Results: Measured range of motion results demonstrated that the exoskeleton can ensure a sufficient ROM in both sagittal (164{\deg}) and horizontal (158{\deg}) flexion/extension movements. The experimental results of the screwing task showed that the exoskeleton could reduce muscle activation (up to 49.6%), perceived effort and frustration, and provide an improved user experience (scored 79.7 out of 100). Conclusion: These results indicate that the proposed exoskeleton can guarantee natural movements and provide efficient assistance during overhead work, and thus have the potential to reduce the risk of musculoskeletal disorders. Significance: The proposed exoskeleton provides insights into multi-task adaptability and efficient assistance, highlighting the potential for expanding the application of exoskeletons.

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