Innovative ergonomic design and objective assessment of assistive devices for the musculoskeletal system

Abstract

Diese kumulative Dissertation verbessert das Verständnis und die Unterstützung der Schulterbiomechanik bei anspruchsvollen beruflichen und mobilen Tätigkeiten durch ein integriertes Programm aus Geräteentwicklung und experimenteller Analyse. Drei unterschiedliche, aber wissenschaftlich miteinander verknüpfte Studien wurden durchgeführt: (i) die Konstruktion und Evaluierung eines passiven Schulter Exoskeletts mit anpassbarem Drehmoment-Unterstützungsprofil; (ii) eine vergleichende Untersuchung eines ergonomisch optimierten manuellen Rollstuhlantriebssystems (KURT) im Vergleich zu herkömmlichen Greifreifen-Konfigurationen; und (iii) die systematische Erfassung des maximalen Schulterflexionsmoments und der Muskelaktivität über einen breiten Bereich von Überkopf-Hebewinkeln. Die Exoskelett Studie untersuchte ein neuartiges passives Oberarm-Exoskelett, das für maximale Unterstützung bei unterschiedlichen Armerhöhungswinkeln während repetitiver Überkopfarbeit einstellbar ist. Die Verwendung des Exoskeletts reduzierte die Aktivität des vorderen Deltamuskels und des Musculus Biceps brachii signifikant, mit kleineren, nicht signifikanten Abnahmen in den übrigen überwachten Muskeln, und verbesserte ausgewählte metabolische Marker. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein einstellbares passives Exoskelett die Schulter Muskelbeanspruchung und metabolische Belastung bei Aufgaben mit erhobenem Arm verringern kann. Allerdings schränken die vorwiegende Untersuchung gesunder junger Erwachsener und die Verwendung vereinfachter Überkopfaufgaben die Generalisierbarkeit dieser Ergebnisse ein und unterstreichen den Bedarf an zukünftigen Studien mit heterogeneren Probandengruppen und realitätsnäheren Arbeitsszenarien. Die Rollstuhlstudie evaluierte eine verbesserte Version des KURT-Handgriff-basierten Antriebskonzepts in einem Mobilitätsparcours des Alltags im Vergleich zu zwei Konfigurationen eines herkömmlichen Greifreifenrollstuhls. KURT förderte eine günstigere Verteilung der oberen Extremitäten Muskel Aktivität und zeigte Hinweise auf eine verbesserte kardiopulmonale und metabolische Effizienz während der Fortbewegung. Zusammen mit früheren Arbeiten, die gezeigt haben, dass KURT einen physiologischeren Bewegungsumfang der oberen Extremitäten ermöglicht und extreme Gelenkwinkel begrenzt, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass KURT eine vielversprechende Alternative zum herkömmlichen Greifreifenantrieb darstellt. Obwohl vielversprechend, müssen diese Ergebnisse in klinischen Studien und bei mobilitätseingeschränkten Rollstuhlnutzern unter realen Bedingungen weiter bestätigt werden. Das Schulter-Torque-Mapping-Experiment zeigte einen nahezu linearen Rückgang des maximalen isometrischen Flexionsmoments mit zunehmender Armerhebung in der Sagittalebene und lieferte damit quantitative Referenzwerte für ergonomische Gestaltung und unterstützende Technologien. Eine anhaltende Muskelaktivität trotz abnehmender Drehmomentkapazität unterstreicht die physiologischen Herausforderungen der Überkopfarbeit und bietet grundlegende Daten für die individuelle Gestaltung von Assistenzsystemen.

This cumulative thesis advances the understanding and support of shoulder biomechanics in strenuous occupational and mobility tasks through an integrated program of device development and experimental analysis. Three distinct but scientifically interconnected studies were performed: (i) the design and evaluation of a passive shoulder exoskeleton with an adjustable torque-assistance profile; (ii) a comparative investigation of an ergonomically optimized manual wheelchair propulsion system (KURT) against conventional push-rim configurations; and (iii) the systematic mapping of maximum shoulder flexion torque and muscle activity across a wide range of overhead elevation angles. The exoskeleton study investigated a novel passive upper limb device adjustable for maximum support at different arm elevation angles during repetitive overhead work. Exoskeleton use significantly reduced anterior deltoid and biceps brachii activity, with smaller, non-significant decreases in other monitored muscles, and improved selected metabolic markers. These findings indicate that adjustable passive exoskeletons can lower shoulder muscle demand and metabolic load in elevated arm tasks. However, the predominance of healthy young adults and the use of simplified overhead tasks limit the generalizability of these findings and highlight the need for future studies including more diverse participant groups and more realistic work scenarios. The wheelchair study evaluated an improved version of the KURT handle-based propulsion concept in a daily mobility circuit against two configurations of a conventional push-rim wheelchair. KURT promoted a better distribution of upper-limb muscle activity and showed indications of improved cardiopulmonary and metabolic efficiency during propulsion. Together with previous work demonstrating that KURT promotes a more physiological upper-limb range of motion and limits extreme joint angles, these findings suggest that KURT is a promising alternative to conventional push-rim propulsion. While encouraging, these results still need to be confirmed in clinical trials and in mobility-impaired wheelchair users under real-world conditions. The shoulder torque mapping experiment revealed an almost linear decline in maximum isometric flexion torque with increasing arm elevation in the sagittal plane, establishing quantitative benchmarks for ergonomic design and assistive support strategies. Persistent muscle activity, even as torque capacity declined, underscored the physiological challenges of overhead work and provided foundational data for individualized assistive device design. Collectively, this thesis delivers a translational pathway from biomechanical measurement to assistive technology innovation, providing new reference standards and device design principles to reduce injury risk, optimize support, and enhance independence for those facing upper limb loading challenges in occupational, clinical, and daily-life context.