Aan je arm trekken verlaagt de reactiekracht in je schouder

Een exoskeleton ter hoogte van de schouder kan assistentie overbrengen via kracht, of via een koppel. In het geval van assistentie via kracht leidt dit tot minder reactiekrachten in het schoudergewricht. Deze reactiekrachten zijn berekend met behulp van simulatie software.

Misschien hebt u zelf al eens het gebruik van een exoskeleton kunnen ervaren. Dan zal u wel gemerkt hebben dat u minder spierkracht nodig heeft om eenzelfde gewicht te heffen met exoskeleton assistentie, in tegenstelling tot zonder assistentie. Dat is dan ook het doel van de meeste exoskeletons, het verlagen van de spierkracht. Maar wat me de reactiekrachten in het geassisteerde gewricht?

Om dit te onderzoeken is gebruik gemaakt van een musculoskeletaal model. Zo een model is opgebouwd uit botten, gewrichten en spieren die de gewrichten overspannen. Het voordeel van zo een model is de aanwezigheid van spieren, die een kracht kunnen genereren om beweging van de botten teweeg te brengen. Musculoskeletale modelering software kan dan gebruikt worden om deze spierkracht te berekenen, maar ook om reactiekrachten ter hoogte van het gewricht te berekenen.

Data verzameling

Om spier- en reactiekrachten te kunnen berekenen heeft het programma natuurlijk bepaalde gegevens nodig om vanuit te vertrekken: bewegingsdata, de grootte, richting en aangrijpingspunt van de uitgeoefende exoskeletale assistentie en natuurlijk een musculoskeletaal model. Deze data zijn bekomen door het uitvoeren van een experiment waarbij een proefpersoon een opwaartse beweging van de arm uitvoerde, de beweging, de gegeven assistentie en de spieractiviteit werden opgenomen.

Na het verzamelen van de benodigde data, is het belangrijk om deze data te valideren. Dit is gebeurd in verschillende stappen. Eerst is de gemeten spieractiviteit bestudeerd. En zoals verwacht vertoonde deze een dalend gedrag voor een stijgend niveau van assistentie. Vervolgens is de berekende spieractiviteit, met de software, geïnterpreteerd, en ook hier was hetzelfde gedrag te zien.

Om de gedefinieerde assistentie te valideren, kracht of koppel, is het moment dat ze teweegbrengen ter hoogste van de schouder, berekend met de software, vergeleken met een manuele schatting. Deze berekeningen toonden een goede overeenkomst tussen de software berekening en de manuele schatting. Echter was er een verschil tussen het moment dat beide manieren van assistentie teweegbrachten, dit zou een invloed kunnen hebben op de reactiekrachten. En dus, om ervoor te zorgen dat beide manieren van assistentie hetzelfde moment teweegbrengen, zijn deze uitgebalanceerd.

Reactiekrachten

Maar hoe zit dat nu met die reactiekrachten? Om deze te berekenen zijn eerste de krachten in de spieren berekend, welke, samen met de uitgeoefende assistentie, als input dienen om de reactiekrachten te berekenen. De resultaten toonde een daling in reactiekrachten bij het geven van assistentie via kracht. Bekijk het zo, je spieren trekken aan je arm om deze in de komt te houden, dit leidt dan tot een reactiekracht in de schouder, als je dan aan je arm trekt, zorg je voor een negatieve kracht in je schoudergewricht, wat zich uit in een daling in reactiekracht. Dus, hoe meer assistentie, hoe lager de spieractiviteit, en hoe lager de reactiekrachten. Maar, té veel assistentie leidt dan weer tot een stijging in reactiekrachten, dit komt doordat je dan eigenlijk het exoskeleton moet tegenwerken. Assistentie via een koppel toonde alsook een stijging in reactiekrachten vergeleken met het geval waarin geen assistentie wordt gegeven.

Met behulp van musculoskeletale modellering software zijn de reactiekrachten in het schoudergewricht berekend vertrekkend van een beweging en exoskeletale assistentie gemeten tijdens een fysiek experiment. De resultaten toonden een daling in reactiekrachten bij assistentie via kracht, en een stijging bij assistentie via een koppel, dit in vergelijking met het geval waar geen assistentie wordt gegeven. Deze simulaties toonden ook dat de richting van assistentie een invloed heeft op de grootte en richting van de reactiekrachten. Met deze kennis zou de assistentie geoptimaliseerd kunnen worden om maximale assistentie te geven, en tegelijk de reactiekrachten zo minimaal mogelijk te maken. Maar dit leidt dan tot de volgende vraag: is dit wel gezond, hebben we deze reactiekrachten niet nodig om een stevige, stabiele schouder te behouden?