Simulation Framework for Active Upper Limb Exoskeleton Design Optimization Based on Musculoskeletal Modeling

This paper presents an approach for analyzing the biomechanical exoskeleton-human interaction with the aim to optimize the technical design of an active upper limb exoskeleton based on musculoskeletal modeling and simulation. Preliminary results of an artificially generated movement of a human musculoskeletal model (AnyBodyTM) promise significant potential for a quantitative analysis approach using musculoskeletal modeling. Varying the implemented gravity compensating factor indicates potential of adjusting partial muscle relief and inner reaction forces and moments using an active upper limb exoskeleton. The analysis points out that, compared to muscle activations, inner human reaction forces and moments request different control parameter configurations for an assumed optimal assistance.

In dieser Veröffentlichung wird ein Konzept zur Analyse der biomechanischen Exoskelett-Mensch-Interaktion mit dem Ziel der simulationsbasierten Optimierung von aktiven Oberkörper-Exoskeletten, basierend auf Muskel-Skelett-Modellierung mit dem AnyBodyTM Modeling System, vorgestellt. Erste Simulationsergebnisse einer Hebebewegung prognostizieren vielversprechende Möglichkeiten der quantitativen biomechanischen Analyse solcher aktiver Exoskelett-Mensch-Systeme. Die vorgestellten Simulationsergebnisse des Exoskelett-Mensch-Modells zeigen die Komplexität des Zusammenhangs zwischen optimierter Einstellung von Steuerungsparametern wie beispielsweise der implementierten Gravitationskompensation und den biomechanischen Belastungsparametern im Schulter-Arm-Komplex auf. Es zeigt sich bei der Analyse der Gravitationskompensation, dass sich - im Vergleich zu den Muskelaktivitäten - die angenommene optimale Entlastung für innere Körperreaktionskräfte und -momente hinsichtlich der einzustellenden Gravitationskompensation unterscheidet.