Hybrid Models for the Development of Technical Systems for Direct Interaction with Humans - Units with Power Tools and Upper Body Support Systems as an Example (ExoMePT)
Third party funded individual grant
Acronym: ExoMePT
Start date : 01.11.2020
End date : 30.05.2023
Project details
Short description
Im Fokus des Antrags steht die Entwicklung einer Methodik für die durchgängige Entwicklung von körpergetragener und handgehaltener technischer Systeme, welche mit dem Menschen im gemeinsamen Leistungsfluss stehen. Die direkte Kopplung eines Unterstützungssystems mit dem Menschen stellt Entwickler dieser Systeme vor besondere Herausforderungen, da die Einheit aus Nutzer, Anwendungskontext und technischem Unterstützungssystem hierfür in ihrer Gesamtheit betrachtet werden muss. Die Konzeption von angepassten Unterstützungssystemen erfordert dabei die Berücksichtigung auftretender spezifischer Interaktionen zwischen Mensch und System im Anwendungskontext. Eine solche systemisch ausgerichtete Entwicklung lässt sich bislang mittels der vorhandenen Methoden und Simulationsmodelle nicht abbilden, da diese entweder auf den Menschen oder auf die Technik fokussiert sind. Das führt zu dem Problem, dass die Entwicklung bisher in weiten Teilen auf das intuitive Einschätzen der Randbedingungen durch die Ingenieure und die Ansätze der Bewegungswissenschaftler angewiesen ist, ohne eine integrative Verbindung beider Disziplinen zu haben. Das zu entwickelnde Vorgehen greift an dieser Lücke an und unterstützt eine gesamtheitliche Gestaltung entsprechender Systeme durch eine Verschmelzung von Methoden der Anwendungsfallmodellierung, Methoden der hybriden Mensch-Technik-Simulation und Methoden zur Gestaltung technischer, körpergetragener und handgehaltener Systeme. Der Stand der Forschung wird mit der zu entwickelnden Methodik um die Möglichkeit erweitert, klassische simulationsgestützte Entwicklungsumgebungen für Ingenieure mit biomechanischen Menschmodellen über eine Co-Simulation zu koppeln und auf deren Basis technische Unterstützungssysteme abgesichert zu gestalten und zu optimieren. Damit knüpft es zum einen an konventionelle Modelle zur Simulation der muskuloskelettalen Beanspruchung und zum anderen an die Simulation der Mensch-Maschine Kollaboration, bspw. für die Programmierung, Ergonomiebewertung oder Bewertung der Sicherheit, an.
Scientific Abstract
The aim of the present research project is the development of a methodology for the development of wearable and hand-held technical systems, which are in close interaction with human beings. Systems in focus are both support systems that are parallel to the human body (e.g., exoskeletal systems) as well as systems acting serial to the human body (e.g., hand-held devices such as power tools). This methodology merges methods of use-case modelling, support systems, bio-mechanical models of the human body and multi-critical optimization algorithms. Through the combination and extension of common simulation approaches with bio-mechanical models of the human body arise hybrid models for the product development of exoskeletons and power tool, one parallel and one serial to the human body. This proposed research project enables, in contrast to today, the integrative development of exoskeletons and power tools regarding the focused use-cases. Currently, the direct combination of support-system and power tools happens to be challenging for the developer. Reasons are the consideration of the complex human anatomy, the correct choosing of harmless force introduction into the human body and especially the complex human motion patterns. The current approach of intuitive evaluation of boundary conditions regarding the user is experience based knowledge of experts and engineers familiar with the topic. An evaluation during development of support-system and power tool is yet not possible since final and wearable prototypes are required. The proposed methodology aims to close this gap by providing new hybrid models for the full support during design and a continuous evaluation of the developed support-system and power tool. Therefore, methods of use-case and human body modelling are merged to create these hybrid models through co-simulation. In this proposed research project, the methodology will be developed and evaluated for an upper-body support-system (exoskeleton) with an integrated wrench for the use case bolting above the head.
