Introductie tot koppelkrommen

introductie

Laevo werd opgericht in 2013, maar de oprichters van Laevo zijn al sinds 2009 bezig met exoskeletten. In die tijd keken mensen je nogal vreemd aan als je zei dat je aan een exoskelet werkte. Tegenwoordig hebben de meeste mensen op zijn minst wel eens van het woord 'exoskelet' gehoord, en toonaangevende experts op het gebied van arbeidsveiligheid weten allemaal wat exoskeletten zijn. In de loop der jaren zijn er veel nieuwe exoskeletbedrijven opgericht, die het woord verspreiden over wat exoskeletten kunnen bieden, wat geweldig is!

Op dit moment kunnen mensen exoskeletten kiezen uit verschillende merken en verschillende typen. Echter, Laevo ziet dat het begrip van potentiële kopers over de verschillen tussen exoskeletten verbeterd kan worden. Niet omdat ze geen Laevo-exoskelet kiezen, maar omdat ze een exoskelet kiezen dat niet geschikt is voor hun situatie. Laevo heeft gezien dat mensen hun interesse in exoskeletten verliezen omdat hun eerste ervaring met exoskeletten niet goed was, terwijl het juiste exoskelet misschien geweldig voor hen zou zijn geweest.

Er zijn veel aspecten die exoskeletten van elkaar onderscheiden. Als eerste stap zal deze pagina zich richten op de specificatie van de ondersteuning en heeft tot doel potentiële kopers te informeren over de vaak onopgemerkte verschillen in ondersteuning tussen exoskeletten.

Het is onderverdeeld in de volgende hoofdstukken:

1.     Specificatie Ondersteuning

2.     Eenheid van Ondersteuning

3.     Koppelkromme

4.     Conclusie

Als je wilt weten hoeveel vermogen je auto heeft, kun je het aantal paardenkrachten controleren. Omdat exoskeletten een relatief nieuwe productcategorie zijn, is er nog geen gestandaardiseerde specificatie aangenomen onder exoskeletfabrikanten om één van de belangrijkste specificaties van het exoskelet te beschrijven: de ondersteuning.

Laevo ziet dat exoskeletfabrikanten de neiging hebben om de ondersteuning uit te drukken in kilogram (kg), omdat dit een eenheid is die potentiële kopers herkennen. Maar Laevo ziet ook dat deze definitie van 'ondersteuning' voor veel exoskeletfabrikanten anders is. Dit zijn een paar definities die Laevo is tegengekomen voor exoskeletten die de romp ondersteunen, net zoals de Laevo:

• De hoeveelheid kracht (omgerekend naar gewicht) die door het exoskelet op de romp van de gebruiker wordt uitgeoefend.

• De vermindering van het gewicht dat door de armen van de gebruiker gaat bij het tillen van iets.

• Een theoretische berekening op basis van de vermindering van interne spinale krachten en hoe dit zich vertaalt naar hoeveel ondersteuning de gebruiker ervaart.

• Het vinden van het massaverschil waarbij de met EMG gemeten spieractiviteit ongeveer gelijk is tussen het tillen van een bepaalde massa zonder een exoskelet en een hogere massa met een exoskelet.

Deze definities zijn allemaal prima, maar doordat er verschillende definities worden gebruikt, leiden ze tot verschillende waarden. Een exoskelet dat bijvoorbeeld 25 kg ondersteuning specificeert volgens één definitie, kan slechts 10 kg ondersteuning specificeren volgens een andere definitie. Potentiële kopers met beperkte kennis over exoskeletten kunnen geen vergelijking maken over de ondersteuning met al deze verschillende definities die door fabrikanten worden gebruikt in hun marketingmateriaal. En het ergste is dat omdat de gebruikte definitie vaak niet eens wordt gespecificeerd door fabrikanten, de meeste potentiële kopers niet eens weten dat ze appels met peren vergelijken.

Zoals sommige exoskeletfabrikanten al doen, zouden we allemaal moeten overstappen op het uitdrukken van ondersteuning als Koppel in newton-meter. Koppel is een betere specificatie om algemene exoskeletondersteuning te specificeren, omdat het onafhankelijk is van dimensies en hoe krachten op de gebruiker worden toegepast.

Alle ingenieurs kennen koppel en de eenheid newton-meter, maar potentiële exoskeletkopers over het algemeen niet. Laevo vindt dat het tijd is voor deze specificatie om ingenieursterrein te verlaten en een specificatie op consumentenniveau voor exoskeletten te worden.

Het begrijpen van de onderstaande voorbeeldberekening van koppel is zelfs niet nodig voor potentiële exoskeletkopers, het gaat erom dat exoskeletfabrikanten dezelfde methode en eenheid gebruiken, zodat potentiële kopers exoskeletten op een nuttige manier kunnen vergelijken.

Voorbeeld van een koppelberekening

Voor degenen die niet bekend zijn met newton (N): newton is de eenheid van kracht. Kracht en gewicht kunnen gemakkelijk in elkaar worden omgezet. Kort gezegd komt 1 kg op aarde overeen met ongeveer 10 N (om preciezer te zijn, 9,81 N).

Een koppel is als een kracht, maar rond een draaipunt. Omdat alle exoskeletten een kracht uitoefenen rond een (menselijk) draaipunt zoals de heup, schouder of knie, is koppel ideaal om de hoeveelheid ondersteuning van exoskeletten uit te drukken. De eenheid van koppel is newton-meter (Nm). Koppel wordt berekend met behulp van een kracht in newton en een koppelarm in meter. Vermenigvuldigd creëren deze een koppel in newton-meter. Daarom is de formule:

Koppel (Nm) = Kracht (N) x Koppel Arm (m)

De koppelarm is de afstand loodrecht op de werklijn van de kracht tot aan het draaipunt. Voor rompondersteunende exoskeletten suggereert Laevo het gebruik van het heupgewricht van de gebruiker als draaipunt. U kunt meer lezen over waarom Laevo voorstelt het heupgewricht te gebruiken in het volgende artikel van het Leerpark, dat onderaan dit artikel wordt vermeld.

Hieronder wordt een voorbeeld van koppelberekening getoond. Deze gebruiker ontvangt 50N aan ondersteuningskracht (dus ongeveer 5 kg) op zijn borst door een denkbeeldig rompondersteunend exoskelet, waardoor de rugspieren in deze gebogen positie worden ontlast. In dit voorbeeld is de loodrechte afstand van de werklijn van deze 50N kracht tot het heupgewricht 0,4 m. Vermenigvuldiging van 50N en 0,4 m geeft een koppel van 20 Nm.

Hoeveelheid ondersteuningskracht is locatie afhankelijk!

Verschillende exoskeletten gebruiken verschillende locaties op het lichaam voor het uitoefenen van ondersteuning. Sommige duwen op de onderste borst, anderen meer op de voorkant van de schouders, en sommige duwen zelfs op het buikgebied. Al deze locaties hebben een verschillende afstand tot het heupgewricht, en daarom een verschillende koppelarm, en daarom een verschillende ondersteuningskracht op het menselijk lichaam, terwijl ze allemaal mogelijk dezelfde hoeveelheid koppel rond het heupgewricht hebben.

Hetzelfde geldt voor verschillende maatinstellingen binnen hetzelfde exoskelet: omdat de koppelarm verandert bij het aanpassen van de maat, heeft elke maatinstelling een andere ondersteuningskracht! Zou het eerlijk zijn om te specificeren: "Tot 25 kg ondersteuning!" in de marketing van het exoskelet als de fabrikant van het exoskelet weet dat deze 'tot' ondersteuningskrachtwaarde alleen kan worden bereikt met de kleinste gebruiker? Laevo denkt van niet.

Het vergelijken van ondersteuningskracht op de interfaces van het lichaam tussen verschillende exoskeletten is daarom het vergelijken van appels met peren. Het vergelijken van koppels rond het heupgewricht is appels met appels. Koppel is onafhankelijk van de locatie van de ondersteuningskracht van het exoskelet en daarom een veel betere algemene definitie van ondersteuning.

We moeten nog één stap verder gaan. Laevo denkt dat het onmogelijk is om de ondersteuning van een exoskelet uit te drukken als een enkel getal, omdat de hoeveelheid ondersteuning van een exoskelet nooit constant is gedurende de ondersteunende beweging van het exoskelet.

Maak kennis met: de 'Koppelkromme'. Koppelkrommen zijn geen uitvinding van Laevo: wetenschappers en ingenieurs gebruiken deze regelmatig om het gedrag van een systeem te beschrijven. We zijn enthousiast dat exoskeletonderzoekers steeds vaker vragen om koppelkrommen om het gedrag van exoskeletten te begrijpen en te modelleren. In het kort:

Hieronder volgt een reeks afbeeldingen die verschillende buighoudingen laten zien, die overeenkomen met specifieke buighoeken die worden aangeduid met B (beta) onderaan elke afbeelding. Over het algemeen vereisen het optillen van voorwerpen van lagere posities grotere buighoeken van het exoskelet, vooral wanneer de gebruiker de knieën buigt bij het tillen.

Hieronder staan twee voorbeeld koppelkrommen. Op de verticale as kunnen we het ondersteunende koppel van het exoskelet aflezen, en op de horizontale as kunnen we de buighoek van het exoskelet aflezen. De rode en groene lijnen stellen voorbeeldkrommen van koppel voor van twee verschillende exoskeletten: dus hoeveel ondersteunend koppel de gebruiker krijgt bij een bepaalde buighoek in elk van deze exoskeletten.

De rode koppelkromme is recht en bereikt zijn maximale koppel van 60 Nm aan het einde van zijn buigbereik op 120 graden. De groene kromme bereikt zijn maximale koppel van 60 Nm na 40 graden buigen, en na 40 graden neemt het ondersteunende koppel weer af tot 40 Nm bij een buighoek van 120 graden. Dit zijn voorbeelden van koppelkrommen, maar dergelijke verschillen komen veel voor bij commercieel verkrijgbare exoskeletten!

Beide exoskeletten hebben een piekkoppel van 60 Nm en een buigbereik van 120 graden, dus zonder deze koppelkrommen zouden hun ondersteunende specificaties hetzelfde zijn. Echter, hun ondersteuning is totaal heel verschillend!

Voorbeeld: Een potentiële gebruiker maakt geen diepe buigingen maar werkt aan een productielijn op heuphoogte en tilt de hele dag zware objecten van de lijn. Zijn taak zou een exoskelet vereisen met een hoge ondersteuning bij kleine buighoeken, wat overeenkomt met de groene koppelkromme. Op basis van specificaties zoals die momenteel op de markt zijn, kan deze gebruiker geen juiste keuze maken tussen rood en groen omdat alle fabrikanten van exoskeletten alleen piekondersteuningswaarden vermelden, die in dit voorbeeld hetzelfde zijn. De gebruiker zal er na de aankoop van het rode exoskelet achter komen dat het slecht ondersteunt bij de kleine buighoek en zal in de toekomst misschien alle exoskeletten afwijzen omdat er geen specificatie is die aangeeft dat een ander exoskelet het beter zal doen. Dit is een verlies voor alle fabrikanten van exoskeletten. Een specificatie van de ondersteuning in de vorm van een koppelkromme had kunnen helpen om deze situatie te voorkomen.

Gefeliciteerd als je deze informatie hebt doorgenomen! Hartelijk dank voor het lezen! Als iets onduidelijk is, of als je suggesties hebt om deze pagina te verbeteren, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Laevo is er zeker van dat het gebruik van een koppelkromme als standaardspecificatie voor exoskeletten een stap in de goede richting is. We hebben te veel mensen de verkeerde keuze zien maken voor een exoskelet vanwege slechte of gewoonweg het ontbreken van informatie over de ondersteuning door de fabrikant, wat hen veel tijd en geld kost. In het ergste geval verliezen mensen interesse in exoskeletten omdat hun eerste ervaring met exoskeletten niet goed was, terwijl het juiste exoskelet misschien wel perfect voor hen zou zijn geweest.

We hopen dat we je interesse hebben gewekt voor koppelkrommen op deze pagina. Ben je geïnteresseerd om te leren hoe Laevo koppelkrommen kan meten? Of hoe koppelkrommen je begrip van exoskeletten kunnen veranderen? Lees dan verder op onze meer geavanceerde pagina 'Leren van Koppelkrommen' door op de onderstaande knop te klikken.