Ergonomische Richtlinien für die Designschnittstellen von Additivmodulen für manuelle Rollstühle: Sagittalebene

May 17, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11993 (2023) Diesen Artikel zitieren

Bei der Konstruktion von Rollstuhlantriebssystemen, die mit der oberen Extremität bedient werden, mangelt es auffallend an ergonomischen Analysen, die Aufschluss darüber geben, an welchen Stellen am Rollstuhlrahmen handbetätigte Bedienelemente angebracht werden können. Vor diesem Hintergrund wurde das Forschungsziel festgelegt, die Reichweite der menschlichen Hand innerhalb des durch die Strukturelemente eines manuellen Rollstuhls definierten Bereichs zu messen. Eine ergonomische Analyse wurde an einer Gruppe von zehn Patienten durchgeführt, die 50 % der anthropometrischen Dimensionen repräsentierten. Für die Messung wurde eine Bewegungserfassungs- und Bildanalysesoftware basierend auf der openCV-Bibliothek verwendet. Die durchgeführten Untersuchungen führten zur Entwicklung einer Karte des Handbereichs in der lateralen Ebene des Rollstuhls, parallel zur Sagittalebene. Darüber hinaus wurde die Karte in drei Zonen der Handreichweite unterteilt, wobei unterschiedliche Komfortniveaus der Handmanipulation berücksichtigt wurden. Der gesamte Handbereich war 1269 mm lang und 731 mm hoch, während der bequemste Manipulationsbereich 352 mm lang und 649 mm hoch war. Die eingezeichneten Händereichweitenbereiche dienen als Karte, die dem Designer mitteilt, wo auf der Sagittalebene zusätzliches, vom Benutzer bedientes Zubehör installiert werden kann.

Der Rollstuhl bildet zusammen mit dem Menschen, der ihn bedient, ein anthropotechnisches System, in dem der Rollstuhl die durch die Behinderung eingeschränkten Funktionen des menschlichen Körpers ersetzt, darunter die wichtigste Funktion, nämlich die Bewegungsfähigkeit. Zu diesem Zweck ist der Rollstuhl mit einem elektrischen oder manuellen Antriebssystem ausgestattet. In der Gruppe der manuellen Antriebssysteme ist das Schubantriebssystem das beliebteste, das von den oberen Gliedmaßen des Benutzers angetrieben wird1,2,3. Das einfache Design des Greifreifenantriebs sorgt für eine einfache Handhabung und erhöht gleichzeitig die Muskelanstrengung. Das einfache Design führt zu einem störungsfreien Betrieb und einer einfachen Handhabung, aber auch zu einem hohen Aufwand, insbesondere wenn man mit dem Rollstuhl einen Hügel hinaufsteigt4,5 oder wenn man sich in nichtstädtischen Gebieten bewegt6.

Das einfache Design und die Vielseitigkeit des manuellen Antriebssystems machen es weit verbreitet. Um deren Nachteile zu beseitigen und die Verfügbarkeit zu erhöhen, führen die Hersteller von Rollstühlen eine Reihe von Modifikationen ein, die die Effizienz steigern. Die Modifikationen umfassen Änderungen an der Struktur der Greifreifen7 sowie die Nachrüstung einzelner Rollstühle mit zusätzlichen Modulen, die das manuelle Antriebssystem unterstützen8,9. Von den Herstellern installierte Zusatzmodule befinden sich meist innerhalb der Hinterräder an der Seitenfläche des Rollstuhlrahmens und erfordern zusätzliche Handhabung durch den Benutzer. Das Anti-Rollback-System, zum Beispiel8 (Abb. 1), ist in der Nähe des Hinterrads montiert und der Ein-/Ausschalthebel (a) befindet sich an einer Stelle, an der er mit der Hand kollidieren kann, wodurch der Antriebszyklus beendet wird10,11 ,12.

Prototyp des Rückrollschutzsystems montiert an einem Rollstuhl mit Greifreifenantrieb, wobei die Position des Steuerhebels mit (a) gekennzeichnet ist.

Weitere Probleme treten bei der Verwendung des FreeWheel-Moduls auf (Abb. 2). Es wird im vorderen Teil des Rollstuhls montiert, sodass es nicht mit der Hand kollidiert, die den Greifreifen drückt. Allerdings muss aufgrund der Lage des Moduls der Oberkörper des Benutzers für die Bedienung gebeugt werden. Für einige Rollstuhlfahrer ist dies aufgrund der fehlenden Rumpfstabilisierung aufgrund einer Lähmung der Rücken- und Bauchmuskulatur nicht möglich.

FreeWheel-Zusatzlenkradmodul, vertrieben von Spokz.

Bei der Analyse des Marktes für Zusatzmodule wurde festgestellt, dass diese je nach erfüllter Funktion an unterschiedlichen Stellen am Rahmen des Rollstuhls montiert werden. Sehr oft liegt ihr Standort sehr nahe an den rotierenden, handbetriebenen Elementen des Antriebssystems. Darüber hinaus erfordern die auf dem Rollstuhl montierten Module eine Handhabung, bei der kinematische Ketten unterschiedlicher Länge des menschlichen Körpers involviert sind13, was im Extremfall zu einem Stabilitätsverlust aufgrund der mangelnden Stabilisierung durch den Rollstuhlsitz führen kann14. Aufgrund dessen wurde festgelegt, dass bei der Gestaltung zusätzlicher Module ergonomische Aspekte berücksichtigt werden sollten15. Dies ist sehr wichtig, da eines der Kriterien für die Mobilität eines Rollstuhls seine Anpassung an die körperlichen Gegebenheiten des Benutzers ist16. Derzeit werden in der Entwurfsphase häufig anthropometrische Atlanten17 verwendet. Allerdings mangelt es merklich an Kriterien, die den Bedienkomfort technischer Geräte in Abhängigkeit von der Länge der kinematischen Kette des menschlichen Körpers bestimmen, mit der sie bedient werden. Die einzige verfügbare Forschung zum Nutzungskomfort befasst sich mit der Analyse des Einflusses der Sitzposition in Bezug auf den Schubantrieb auf den Komfort beim Fahren eines Rollstuhls18. Darüber hinaus mangelt es deutlich an Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen der Reichweite der oberen Gliedmaßen und der Positionierung des Körpers im Rollstuhl sowie den geometrischen Merkmalen des Rollstuhlrahmens. Zu den verfügbaren Arbeiten zählen Studien, die den Einfluss der Rollstuhlkonfiguration auf die Mobilität beschreiben19 oder Studien, die die Art und Häufigkeit der im Rollstuhl ausgeführten Aktivitäten analysieren20.

Im Zusammenhang mit den obigen Überlegungen wurde ein Forschungsziel festgelegt. Ziel war es, die für die menschliche Hand erreichbaren Bereiche innerhalb der Strukturelemente des manuellen Rollstuhls zu messen, die zur Anbringung von Zubehör verwendet werden, das die Funktionalität des Rollstuhls erhöht. Grundlage für die Durchführung der Untersuchung war die Hypothese, dass mehrere Zonen ausgewiesen werden sollen, in denen zusätzliches Rollstuhlzubehör angebracht werden kann. Jede dieser Zonen nutzt die kinematische Kette des menschlichen Körpers unterschiedlicher Länge. Der Nutzen der erzielten Ergebnisse liegt in der Erstellung von Richtlinien für Rollstuhlkonstrukteure, die darüber informieren, wo die Steuerschnittstelle zusätzlicher Module platziert werden soll und in welchen Zonen die manuelle Bedienung der Steuerschnittstelle vereinfacht werden sollte.

Die Forschungstests wurden unter realen Bedingungen der Rollstuhlnutzung durchgeführt. Für die Studie wurde ein semiaktiver Vermeiren v300-Rollstuhl verwendet, der mit einem Handpositionsaufzeichnungssystem ausgestattet war (Abb. 3). Die Analyse der Handreichweite beschränkte sich auf die Beobachtung des auf dem Handschuh angebrachten Markers (Abb. 3d). Das verwendete Messsystem bestand aus einer GoPro HERO 7-Kamera (Abb. 3a) und einer Beleuchtungslampe (Abb. 3b), die am Ausleger (Abb. 3c) montiert und fest mit dem Rahmen des Rollstuhls verbunden war. Die Kamera zeichnet das Bild in 960p-Qualität mit einer Geschwindigkeit von 240 fps auf. Die leuchtende Lampe strahlte je nach Intensität des Umgebungslichts 200 bis 1000 lm aus. Als Markierungen21 wurden AruCo-Codes verwendet, die auf 50 × 50 mm-Platten gedruckt wurden.

Der Rollstuhl und die während der Forschung verwendete Messausrüstung: (a) Kamera, (b) Beleuchtungslicht, (c) Ausleger, (d) AruCo-Marker.

Das Forschungsverfahren umfasste die Messung der Position des auf der Hand des Patienten angebrachten Markers (ID1) im Verhältnis zum stationären Marker in der Drehachse des Hinterrads des Rollstuhls (ID0) (Abb. 4). Für die Bewegungserfassungsmessung wurde proprietäre Software verwendet, die die Bildverarbeitung von AruCo-Markern unter Verwendung von OpenCV-Bibliotheken verwendet, die es ermöglichen, ihre Position im Raum relativ zum unbeweglichen ID0-Marker zu bestimmen. Es ist zu beachten, dass andere Methoden zur Bewegungserfassung verwendet werden können, z. B. die Verwendung von RGB-D-Sensoren22. Die Messungen wurden in der Sagittalebene23 durchgeführt, die parallel zur Ebene des angenommenen XY-Datums liegt. Dieser Ansatz steht im Einklang mit dem bereits entwickelten zweidimensionalen Rollstuhlantriebsmodell24.

Diagramm des menschlichen Körpers mit der in Test (a) enthaltenen markierten kinematischen Kette und des Patienten im Rollstuhl mit den Positionen der registrierten Marker (b), wobei: ID1-Marker auf der Hand platziert, ID0-Referenzmarker, TR-Rumpfsegment , AR-Armsegment, FA-Unterarmsegment.

Das Forschungsverfahren umfasst die Bestimmung von vier Bereichen der Handmanipulation mithilfe von Motion-Capture-Messungen (Abb. 5). Jeder Bereich wurde als Mittelwert der drei von jedem der zehn Patienten durchgeführten Messtests bezeichnet.

Der erste Bereich, genannt „Area of ​​Propulsion“ (AoP), definiert die Position der Hand beim Antreiben des Rollstuhls (gemessen unter realen Bedingungen beim Antreiben des Rollstuhls).

Der zweite Bereich, der Komfortbereich (AoC) genannt wird, definiert die freie Bewegung der kinematischen Kette bestehend aus dem Unterarm (FA), während der Arm (AR) stationär und parallel zum Rumpf (TR) nach unten gerichtet ist (gemessen unter quasistatischer Messung). Bedingungen).

Der dritte Bereich, der als Zulassungsbereich (AoA) bezeichnet wird, definiert die freie Bewegung der kinematischen Kette bestehend aus Unterarm (FA) und Arm (AR), während der Rumpf (TR) stationär an der Rückenlehne des Rollstuhls gehalten wird (gemessen unter). quasistatische Bedingungen).

Der vierte Bereich, der als Risikobereich (AoR) bezeichnet wird, definiert die freie Bewegung der kinematischen Kette bestehend aus Unterarm (FA), Arm (AR) und Rumpf (TR), während die Hüfte bewegungslos auf dem Sitz bleibt (gemessen unter). quasistatische Bedingungen).

Diagramm der Länge der kinematischen Kette des menschlichen Körpers beim Fahren eines Rollstuhls (AoP) (a), bei Manipulation der oberen Extremität im Komfortbereich (AoC) (b), bei Manipulation der oberen Extremität im Zulassungsbereich (AoA) (c) und während der Manipulation der oberen Extremität im Risikobereich (AoR) (d). Wo: Von ID1 beobachteter Marker, FA-Unterarm, AR-Arm, TR-Rumpf.

Die in der Studie verwendete Segmentierung des menschlichen Körpers entspricht den anerkannten biomechanischen Standards25,26 und die gewählte Position des ID1-Markers an der Hand entspricht den anthropometrischen Richtlinien16,27.

Zehn Patienten nahmen an den Tests teil (Tabelle 1) und wurden nach Größe, Gewicht, Alter und Rollstuhlerfahrung unterteilt. Die Erfahrung wurde anhand des Dienstalters im Umgang mit dem Rollstuhl ermittelt. Die an den Tests teilnehmenden Patienten spiegelten das 50. Perzentil der anthropometrischen Maße gemäß der europäischen Norm „Grundlegende Definitionsliste der menschlichen Körpermaße für technisches Design“ (EN 979) wider. Ausschlaggebendes Kriterium für die Teilnahme des Patienten an der Studie waren seine anthropometrischen Maße. Es wurde versucht, die Messgruppe so auszuwählen, dass sie das gleiche Perzentil (50. Perzentil) der anthropometrischen Dimensionen repräsentiert. Darüber hinaus wurde auf ein ähnliches Alter des Nutzers und eine ähnliche körperliche Verfassung geachtet. Dies erlaubte uns anzunehmen, dass ihre Bereiche der Grenzgelenkauslenkungen ähnlich sind. Die Forschungs- und Versuchsprotokolle wurden von der Bioethischen Kommission der Medizinischen Universität Karol Marcinkowski in Poznań, Polen, mit Beschluss Nr. 1100/16 vom 10. November 2016 unter der Leitung von Prof. MD P. Chęciński für das von Wieczorek geleitete Forschungsteam positiv bewertet B. Die Autoren holten unter ihrer Mitwirkung die schriftliche Einverständniserklärung der untersuchten Person zur Veröffentlichung von Forschungsergebnissen ein. Die Daten wurden so präsentiert, dass ihre vollständige Anonymität gewährleistet war. Die Messmethode und die Datenerfassung wurden gemäß den Richtlinien der Bioethikkommission der Medizinischen Universität Karol Marcinkowski in Posen, Polen, durchgeführt, die im Einklang mit den Richtlinienerklärungen von Helsinki stehen.

Der Datenverarbeitungsalgorithmus zur Definition der Bereiche der Handmanipulation durch den manuellen Rollstuhlfahrer in der Sagittalebene umfasste fünf Schritte (Abb. 6). Im ersten Schritt (Abb. 6a) wurde das mit der Kamera aufgenommene Bild in eine Reihe von Punkten umgewandelt, die durch zwei Koordinaten, horizontal „x“ und vertikal „y“, definiert sind. Zu diesem Zweck wurde proprietäre Software basierend auf der OpenCV-Bibliothek verwendet28. Die Software erkannte die Position von Marker ID1 relativ zu Marker ID0. Anschließend wurde unter Verwendung des Alpha-Shape-Algorithmus29,30 eine bestimmte Wolke mit geschlossenem Regelkreis bestimmt (Abb. 6b). Bei Verwendung des Algorithmus lag der Alpha-Koeffizient im Bereich von 0,7 bis 0,9, abhängig von der erhaltenen Punktwolkendichte. Da nach Verwendung des Alpha-Shape-Algorithmus jede Schleife aus einer unterschiedlichen Anzahl von Punkten bestand, war es notwendig, deren Anzahl zu vereinheitlichen. Daher wurde jede Schleife mit der 3D-Software Rihnoceros so konvertiert, dass sie mit hundert jPi-Punkten beschrieben werden konnte. Dabei ist „j“ der Index der betrachteten Schleife und „i“ der Index des betrachteten Punkts in der Schleife (Abb. 6c). Für diese Aktivität wurde die Rhinoceros-Software mit dem Grasshopper-Modul verwendet. Der nächste Schritt bestand darin, nach allen festgelegten Punktschleifen zu suchen, zwischen denen der Abstand am kürzesten war. Aus den so ermittelten Punkten wurde der mittlere Punkt \({\overline{\text{P}}}\)i, berechnet, der die gemittelte Kontur der analysierten Fläche definierte (Abb. 6d). Der letzte Schritt bestand darin, die definierten gemittelten Flächen in einem gemeinsamen Diagramm darzustellen (Abb. 6e).

Datenverarbeitungsalgorithmusverfahren aus der Bewegungserfassungsmessung, wobei (a) eine Wolke analysierter Punkte, (b) ein Umriss der durch den Alpha-Form-Algorithmus erzeugten Punkte, (c) ein Schema zur Bestimmung der Punkte des durchschnittlichen Umrisses, (d) ein Schema für Bestimmen des durchschnittlichen Umrisses mit markierten Formungspunkten, (e) ein Beispiel für Handflächenbereichsflächen, die auf der Grundlage von Summen und Differenzen ermittelter durchschnittlicher Handflächenbereichskonturen bestimmt wurden, x horizontale Achse, y vertikale Achse, P der Punkt, der sich auf der Schleife befindet, die die beschreibt Punktwolkenfläche, j-Index zur Nummerierung der analysierten Schleifen, i-Index zur Nummerierung der Punkte auf der Schleife, \({\overline{\text{P}}}\) der Punkt auf der gemittelten Schleife, der die Handreichweite beschreibt, AoP the Präsenzbereich, AoC der Komfortbereich, AoA der Zulassungsbereich, AoR der Risikobereich.

Zu Beginn der ergonomischen Analyse wurden charakteristische geometrische Merkmale für das betrachtete anthropotechnische System zwischen Mensch und Rollstuhl ermittelt (Abb. 7) (Tabelle 2). Die geometrischen Merkmale, die die mögliche Ausfahr- und Änderungsrichtung des Rollstuhls definieren, werden durch die untere Ebene des Rahmens (FDL), die obere Ebene des Rahmens (FUL) und die Ebene der Armlehnen (ARL) definiert. Die Ebenen, die die Position des menschlichen Körpers im Rollstuhl definieren, werden durch die Sitzhöhe (SL), den Sitzlehnen-Vertikalwinkel (SBV), den Hinterrad-Durchdrehbereich (WB) und die Schulterhöhe (SH) beschrieben. In diesem Vergleich ist die Schulterhöhe die einzige experimentell ermittelte anthropometrische Dimension, daher wurde das Konfidenzintervall (SHMIN und SHMAX) für die Messstichprobe N = 10 und das Konfidenzniveau p = 0,05 ermittelt.

Diagramm der geometrischen Merkmale auf der Sagittalebene des analysierten Mensch-Rollstuhl-Systems. Dabei gilt: SH Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMIN minimale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMAX maximale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SBV Sitzrückenlehne vertikal Winkel, SL-Sitzhöhe, ARL-Armlehnenhöhe, FUL die Höhe des oberen Teils des Rollstuhlrahmens, FDL die Höhe des unteren Teils des Rollstuhlrahmens, WB die Konturkontur des Hinterrads.

Die geometrischen Merkmale SBV und SL definieren die Position des Sitzes in Bezug auf die Drehachse des Antriebsrads. Sie werden oft von jedem Benutzer individuell ausgewählt1,31. Daher können sie im angenommenen ergonomischen Modell frei geändert werden. Bei einer Änderung der Merkmale (im Vergleich zu den in Tabelle 2 angegebenen Daten) sollten jedoch die vorgesehenen Handbereiche einer im Rollstuhl sitzenden Person vertikal und horizontal ordnungsgemäß verschoben werden. Diese Verschiebungen sollten mit den Änderungen der Sitzposition im Verhältnis zu den in die Arbeit übernommenen Daten übereinstimmen. Zur Bestimmung der geometrischen Merkmale FDL, FUL und ARL, die die Abmessungen des Rahmens des Rollstuhls definieren, wurden die Abmessungen des Rahmens eines in Europa verbreiteten semiaktiven Rollstuhls verwendet. Diese Funktionen können je nach gewähltem Rollstuhltyp auch frei geändert werden.

Nach der Definition dauerhafter geometrischer Merkmale des Mannes und des Rollstuhls wurden die Reichweitenbereiche der Hand des Rollstuhlfahrers bestimmt (Abb. 8). Diese Bereiche wurden durch eine Unterteilung in vier Bereiche ermittelt. Bei den bezeichneten Flächen handelt es sich um den Durchschnittswert von 30 Tests (N = 30), für die das Konfidenzintervall für das Konfidenzniveau von 95 % (p = 0,05) ermittelt wurde. Die zusätzlichen Materialien (Ergänzungstabelle 1–4, Ergänzungsabbildung 1–4) enthalten einen vollständigen Satz von 100 Punkten, die jeden Bereich beschreiben. Zusätzlich wurden für jedes Gebiet vier Kontrollpunkte festgelegt (Tabelle 3). Die Punkte veranschaulichen die Höhe und Breite jedes Feldes und dienen als Kontrollpunkte, die zur Verschiebung von Bereichen in der Sagittalebene bei der Analyse anderer als der in den Tests verwendeten Rollstuhltypen verwendet werden können.

Erreichen Sie Bereiche einer im Rollstuhl sitzenden menschlichen Hand in Abhängigkeit von der Beweglichkeit der analysierten kinematischen Kette. Wobei: SH Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMIN minimale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMAX maximale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SBV vertikaler Winkel der Rückenlehne , SL-Sitzhöhe, A1–A4-Kontrollpunkte, die die Konturen der vorgesehenen Bereiche definieren, AoC der Komfortbereich, δAoC Maßabweichung für den Komfortbereich, AoA der Genehmigungsbereich, δAoA Maßabweichung für den Komfortbereich, AoR der Risikobereich, δAoR-Abmessungsabweichung für den Risikobereich, AoP der Antriebsbereich, δAoP-Abmessungsabweichung für den Antriebsbereich.

Zur Interpretation der erhaltenen Ergebnisse wurden die Längen der Konfidenzintervalle für die übernommenen Kontrollpunkte Δ (Gl. 1) berechnet.

Bei der Analyse der Ergebnisse wurde festgestellt, dass AoR den größten Bereich der Handmanipulation darstellt. Dieser Bereich ist 1269 mm lang und 731 mm hoch. Die größten Werte des Konfidenzintervalls Δ wurden jedoch für den Bereich gemessen, der zwischen den Extremwerten der Kontrollpunkte liegt. Diese Abstände betrugen im Durchschnitt 258 mm. Zum Vergleich: Die durchschnittlichen Abstands-Δ-Werte für die AoA- und AoC-Bereiche betrugen 140 mm bzw. 98 mm. Das Phänomen solcher Unterschiede in der Länge der Konfidenzintervalle in einzelnen Bereichen ist der Effekt einer unterschiedlichen Anzahl kinematischer Ketten von Körpersegmenten32,33, die bei ihrer Bestimmung verwendet werden. Bei der AoR-Fläche ergeben sich signifikante Unterschiede zwischen dem Mittelwert der Fläche und ihren Abmessungen unter Berücksichtigung des Konfidenzintervalls aus dem Anteil des Rumpfes an der verwendeten kinematischen Kette. Jeder getestete Patient hatte eine unterschiedliche Beweglichkeit des Rumpfes, sodass die größten Unterschiede in der Handreichweite untersucht wurden34. Folglich wurde die Installation der Zubehörschnittstelle des manuellen Rollstuhls beim AoR als ergonomisch riskant eingestuft. Das ergonomische Risiko der Installation der Schnittstelle in diesem Bereich ergibt sich aus der Unfähigkeit, die Grenzneigungen des Rumpfes eindeutig zu bestimmen, bei denen für den Benutzer kein Risiko besteht, aus dem Rollstuhl zu fallen. Unterschiede im Rumpfwinkel zwischen einzelnen Patienten resultieren nicht nur aus den körperlichen Fähigkeiten35, sondern auch aus Rollstuhlzubehör wie Sicherheitsgurten36.

Der AoA-Bereich, in dem der Rumpf auf dem Sitz auflag, war 1009 mm lang und 553 mm hoch und damit etwas kleiner als im AoR-Bereich. Allerdings wurden in diesem Fall deutlich kürzere Längen Δ zwischen den Extrempositionen der Kontrollpunkte und den Kontrollpunkten unter Berücksichtigung des Konfidenzintervalls festgestellt. Dies führt zu einer höheren Präzision bei der Definition der Handreichweite. Zusätzlich wird bei einer körperlich behinderten Person mit einer kinematischen Kette, die nur aus Oberarm und Unterarm besteht, der Rumpf stabilisiert. Dadurch wird die Sturzgefahr beim Kippen des Rumpfes minimiert37.

Der AoC-Bereich wurde als der komfortabelste Bereich definiert, da er die kürzeste kinematische Kette umfasst, die nur den Unterarm umfasst. Dadurch ist der Rollstuhlnutzer der geringsten körperlichen Belastung ausgesetzt38. Trotz dieser Vorteile hatte dieses Gebiet die kleinste Fläche. Seine Länge betrug 352 mm und die Höhe 649 mm.

Der zuletzt untersuchte AoP beschrieb den Bereich der Handmanipulation beim Fahren des Rollstuhls. Dieser Bereich definiert den Ort, der frei von zusätzlichem Zubehör sein sollte und dem Benutzer die freie Handhabung beim Fahren des Rollstuhls ermöglichen sollte. Die kleinste Längen-Δ-Dispersion wurde für den AoP-Bereich zwischen den Extrempositionen der Kontrollpunkte und den Kontrollpunkten unter Berücksichtigung des Konfidenzintervalls beobachtet. Die Länge des AoP-Bereichs betrug 412 mm und seine Höhe 245 mm. Es ist zu beachten, dass der festgelegte AoP-Bereich mit den Bewegungsbahnen der Hand zusammenfällt, die den Greifreifen drückt38,39,40.

Gemäß der methodischen Annahme wurden die definierten permanenten geometrischen Merkmale des menschlichen Körpers und des Rollstuhls sowie die gemessenen Reichweitenbereiche der Hand überlagert. Dadurch wurden drei Bereiche erreicht, in denen die Hand innerhalb der Unterkante des Rahmens und der Armlehne des Rollstuhls erreichbar ist (Abb. 9). Um die Ergebnisse in Entwurfsaufgaben umzusetzen, wurden diese Flächen mithilfe einer Punktmenge definiert, die eine näherungsweise Darstellung ermöglichte (Tabelle 4).

Reichweitenbereiche der Hand unter Berücksichtigung der geometrischen Gegebenheiten des Rollstuhls. Dabei gilt: SH Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMIN minimale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SHMAX maximale Schulterhöhe für den Rumpf, der auf der Rückenlehne des Rollstuhls ruht, SBV Sitzrückenlehne vertikal Winkel, SL-Sitzhöhe, ARL-Armlehnenhöhe, FUL die Höhe des oberen Teils des Rollstuhlrahmens, FDL die Höhe des unteren Teils des Rollstuhlrahmens, AoC der Komfortbereich, AoA der Zulassungsbereich, AoR der Bereich von Risiko.

Die ausgewiesenen Bereiche veranschaulichen die drei Komfortzonen für die Handmanipulation, die sich auf drei Ebenen befinden, die durch die geometrischen Merkmale des Rollstuhls definiert werden. Der Bereich zwischen den Ebenen FUL und FDL stellt die Stellen am Rollstuhlrahmen dar, die ihre Position im Verhältnis zum Antriebsrad nicht verändern. Im Bereich zwischen der ARL- und der FUL-Ebene befinden sich die Armlehnen. Dieser Bereich wurde abgetrennt, da bei der Nutzung des Rollstuhls (z. B. beim Absteigen41) dieser demontiert wird. Daher sollte bei der Planung der Installation zusätzlicher Zubehörteile an diesen Elementen die Notwendigkeit einer gelegentlichen Demontage berücksichtigt werden. Die durchgeführte Subtraktion der zuvor ermittelten Bereiche zeigte, dass der komfortabelste AoC im Hinblick auf Sicherheit und Kraftreduzierung deutlich um den Bereich reduziert wird, der für das Spinnrad WB reserviert ist (Abb. 7) und den Bereich, in dem die Hand, die das Greifrad schiebt (Abb. 7). AoP). Nach Berücksichtigung dieser Bereiche ist der AoC-Bereich 194 mm breit und 227 mm hoch.

Ausschlaggebend für die Form der entwickelten Bereiche (Abb. 9) ist die Länge von Rumpf, Arm und Unterarm. Beim Vergleich der erhaltenen Ergebnisse wurde eine Ähnlichkeit mit den in anthropometrischen Atlanten verfügbaren Daten festgestellt. Ein Beispiel hierfür ist Punkt 2 (Tabelle 4, Abb. 9), bei dem der Rumpf an die Rückenlehne gelehnt (SBV) und die obere Extremität gestreckt und in einer nahezu horizontalen Position war. Für ein solches System beträgt der Wert auf der x-Achse, der die Länge von Arm und Unterarm darstellt, 753 mm, dieser Wert stimmt mit den Daten aus anthropometrischen Atlanten überein. Danach beträgt die Länge der oberen Extremität, gemessen von der Drehachse des Schultergelenks bis zur Mitte der geballten Faust, 783 mm41, 765 mm42 und 743 mm43 für einen Mann im 50. Perzentil. Derselbe Zusammenhang lässt sich für Punkt 4 beobachten, bei dem der Oberkörper gestützt wurde, wobei der Unterarm horizontal in einem Winkel von 90 Grad zum Arm ausgerichtet war. Für diese Konfiguration wurde unter Berücksichtigung des Versatzes der Rollstuhlrückenlehne (SVB) der x-Wert (entspricht etwa der Unterarmlänge) ermittelt, der 441 mm beträgt. Zum Vergleich gibt ein anthropometrischer Atlas42 die Unterarmlänge eines 50. Perzentils eines Mannes mit 472 mm an. Die hohe Konvergenz der Ergebnisse, die die während des Experiments gemessenen anthropometrischen Dimensionen beschreiben, mit den in anthropometrischen Atlanten veröffentlichten Ergebnissen bestätigt die Richtigkeit und den Bezug zur Realität der entwickelten Bereiche in der Reichweite der Hand. Darüber hinaus wurde bei der Analyse der verfügbaren Literaturdaten eine Konvergenz der im Artikel gemessenen Länge der oberen Extremität mit den Daten festgestellt, die in anderen Publikationen als Eingabedaten verwendet wurden. Ein Beispiel könnte eine Veröffentlichung sein, die sich mit dem Problem der Entwicklung eines skalierbaren Muskel-Skelett-Modells44 befasst, bei dem der Patient, der dem 50. Perzentil der anthropometrischen Abmessungen entspricht, eine obere Extremität von 784 mm hatte, was einem Unterschied von 31 mm im Vergleich zu den in der Studie erzielten Ergebnissen entspricht .

Bezüglich der in Abb. 9 eingezeichneten vertikalen und horizontalen Begrenzungen: FDL, FUL, ARL, SL, SH und SVB und deren Lage im Raum ist zu beachten, dass es sich hierbei um konstante Werte handelt, die nicht von der Position des menschlichen Körpers abhängen , nur auf die Konstruktionsmerkmale des Rollstuhls. Sie ergeben sich aus den geometrischen Gegebenheiten der verwendeten Rollstuhlstruktur. Hierbei handelt es sich um verfügbare Daten, die auf der Website des Herstellers des getesteten Rollstuhls heruntergeladen werden können. Darüber hinaus finden Sie diese Daten in der dem Rollstuhl beiliegenden Gebrauchsanweisung. Dieser Ansatz macht die Ergebnisse für die Gruppe der Cross-Frame-Semiaktivrollstühle gültig. Dies bringt eine gewisse Einschränkung und Inkonsistenz der in Abb. 9 entwickelten Karte mit Rollstühlen aus der Gruppe der Aktivrollstühle mit festem Rahmen mit sich. Bei diesen Rollstühlen ist es jedoch möglich, ausgewiesene Handreichweitenbereiche zu implementieren, die die Konstruktionsmerkmale des Rollstuhls nicht berücksichtigen (Abb. 8, Tabelle 3).

Die eingezeichneten AoC-, AoA- und AoR-Bereiche (Abb. 9) können als Karte verwendet werden, die den Designer darüber informiert, wo auf der Sagittalebene zusätzliches Zubehör installiert werden kann, das von der oberen Extremität des Benutzers bedient wird. Abhängig vom Bereich der verwendeten kinematischen Kette schlugen die Autoren eine Unterteilung in drei Bereiche vor. Der AoC-Bereich wurde als der komfortabelste eingestuft, da die Bewegung der Hand darin die geringste Anstrengung mit sich bringt. Der AoR-Bereich veranschaulichte die Grenzen der Handreichweite eines Mannes im Rollstuhl. Der Bereich wurde als der am wenigsten komfortable Bereich eingestuft, da eine Manipulation innerhalb seiner Grenzen die Anstrengung und das Risiko eines Sturzes aus dem Rollstuhl erhöhen kann. Die in der Arbeit vorgestellte Klassifizierung der Bereiche bestätigt die Forschungshypothese über die Möglichkeit, die Reichweite der Hand in verschiedene Bereiche zu unterteilen, in denen die Funktion der Schnittstelle unterschiedliche Längen der kinematischen Kette erfordert.

Mithilfe der entwickelten ergonomischen Analyse kann der Designer zusätzliches Zubehör am Rahmen des Rollstuhls entwerfen. Das Zubehör sollte entsprechend der Häufigkeit der Betätigung und der Komplexität der von der Hand durchgeführten Manipulationen angeordnet werden. Getrennte Bereiche sind hilfreich bei der Anordnung von Zubehör. Das Zubehör, das häufig verwendet wird oder den Einsatz erhöhter physischer Kraft erfordert, sollte sich innerhalb der AoC- oder AoA-Bereiche befinden. Hingegen können sich Zubehörteile, die sporadisch verwendet werden oder keinen nennenswerten Kraftaufwand erfordern, im AoR-Bereich befinden.

Bei der Bestimmung der AoR- und AoE-Bereichskonturen wurden die Patienten nicht gebeten, den Unterarm vertikal nach oben zu heben, da die ermittelten Handreichweitenbereiche weit über die festgelegten Ebenen der geometrischen Merkmale des Rollstuhls hinausgehen. Eine solche Einschränkung des gesamten Bewegungsbereichs der Gliedmaßen hatte keinen Einfluss auf das Forschungsziel und ermöglichte es uns, die Brennweite der Kamera näher an das getestete Objekt heranzuführen. Das Vergrößern der Brennweite erhöhte die Genauigkeit der Messung.

Die durchgeführte Forschung ergänzt die Mängel bei anthropometrischen Messungen, die sich größtenteils auf die Reichweite der Hand einer körperlich gesunden Person konzentrieren. Darüber hinaus sind die derzeit verfügbaren ergonomischen Analysen allgemeiner Natur und erfordern eine weitere Bearbeitung zur Implementierung in den Rollstuhldesignprozess. Die entwickelte Karte der Handbewegungsbereiche während der Manipulation innerhalb des Rollstuhlrahmens entspricht den verfügbaren Analysen der Geometrie des menschlichen Arbeitsplatzes45, die derzeit die Grundlage für die Entwicklung von Standards zur Zertifizierung von Büros, Schulen usw. bilden.

Die in der Studie dargestellten Ergebnisse zeigen nur die Bereiche, die auf der Sagittalebene liegen. Dieses Flugzeug wurde aufgrund der Tatsache ausgewählt, dass die meisten zusätzlichen Zubehörteile, wie z. B. die Feststellbremse, an diesem Flugzeug montiert sind. In weiteren Arbeiten planen die Autoren, den Handreichweitenbereich in der Vorder- und Hinterebene des Rollstuhls parallel zur Kopfebene zu untersuchen.

Bei der Unterteilung der Handreichweiten wurde eine Einteilung ausschließlich nach der Länge der kinematischen Kette vorgenommen. Daher ist es in weiteren ergonomischen Analysen möglich, die Position der Hand mit der Messung des EMG-Signals zur Messung der Muskelaktivität zu verknüpfen. Dies ermöglicht eine neue Unterteilung der Handreichweite in Bereiche entsprechend den unterschiedlichen Muskelaktivitäten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Bartosz Wieczorek, Mateusz Kukla und Łukasz Warguła

Fakultät für Architektur, Technische Universität Posen, Posen, Polen

Marcin Giedrowicz

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Korrespondenz mit Bartosz Wieczorek.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 15. März 2023

Angenommen: 20. Juli 2023

Veröffentlicht: 25. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39085-7

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