Skip to content

Exoskelette als Forschungszwerkzeug für Industrie 4.0

Muskel-Skelett-Erkrankungen sind eine der Hauptursachen für Arbeitsunfähigkeit in Deutschland und anderen Industrieländern. Exoskelette, also am Körper getragene Stützstrukturen, können das Verletzungsrisiko minimieren. Für den breiten industriellen Einsatz sind die bisherigen passiven Lösungen allerdings zu unflexibel.

Erkrankungen am Muskel-­Skelett-­Sys­tem schaden den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und ihrer Firma. Derzeit heben und tragen rund 25 Prozent der Erwerbstätigen im Arbeitsalltag schwere Lasten. Muskel-­Skelett-­System-­Erkrankungen (MSE) sind mit einem Spitzenwert von etwa 24 Prozent eine der häufigsten Ursachen krankheitsbedingter Fehltage. Dominiert werden die MSE von Schäden an Lendenwirbelsäule, Schulter-­Arm-­Hand-­System, der Halswirbelsäule und den Kniegelenken. Besonders betroffen sind die Bereiche Montage und Logistik.

Muskel-Skelett-Erkrankungen vorbeugen

Eine zukünftige Möglichkeit, Arbeits­ausfäl­len vorzubeugen, können Exo­ske­let­te sein. Die am Körper getragenen Stützstrukturen sollen Arbeitende bei schwerer körperlicher Belastung mit zusätzlicher Kraft versorgen. Beispielsweise können Exoskelett-Hilfen genutzt werden, um stark belastende Tätigkeiten in Produktionsbetrieben zu erleichtern oder vor ergonomisch bedenklichen Bewegungsmustern zu bewahren. Manche Bewegungen, die Arbeitende über Jahre ausführen müssen, schädigen den Bewegungsapparat und führen zu Gelenkverschleiß. Zeitdruck und Akkordziele führen nicht selten dazu, dass bereits angeschaffte Handhabungshilfen wie Vakuumgreifer und leichte Lastkräne in der Praxis nicht angenommen werden. Spätfolgen aufgrund ungünstiger Bewegungsprofile sind nicht hinreichend im Bewusstsein verankert. Nicht immer ist es möglich, die Arbeitsabläufe so zu verändern, dass belastende Tätigkeiten signifikant reduziert oder automatisiert werden können. Technische Assistenzsysteme eröffnen die Perspektive, erfahrene Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auch mit 60 Jahren noch kräftig Hand anlegen lassen zu können. Die Vision des Fraunhofer IPA besteht in der Entwicklung aktiv angetriebener adaptiver Exoskelett­lösungen, die den Nutzer in Abhängigkeit der Aufgabe bedarfsgerecht und intuitiv unterstützen. Doch um ein „smartes“ aktiv angetriebenes Exo­skelett oder dessen Teilkomponenten zu realisieren, ist ein eingespieltes interdisziplinäres Team notwendig.

Bewegungsablauf des Menschen als Forschungsgrundlage

In Zusammenarbeit mit den Forschenden der angewandten Biomechanik können mit Hilfe zahlreicher Messsysteme individuelle Bewegungsanalysen erstellt und Schlussfolgerungen in Form ergonomischer und biomechanischer Anforderungen gezogen werden. Know-how im Bereich der Orthopädie stellt sicher, dass die Dynamik von Mobilitätshilfen und Exo­skelet­ten dem natürlichen Bewegungsablauf so nahe wie möglich kommt. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Haltungsschäden aufgrund von Fehlbelastungen, die vom Assistenzsystem beeinflusst werden können. Man muss die technischen Hilfen korrekt an das Individuum anpassen, damit der Tragekomfort gewährleistet ist. Welche Körperpartien dürfen belastet werden? Wo lassen sich die Kräfte, die so ein Apparat entwickelt, in den Körper des Patienten ableiten? Diese Fragen müssen Orthopäden, Ergonomieexperten, Physiotherapeuten, Sportwissenschaftler und Ingenieure gemeinsam beantworten.

Ergonomiewerkzeug mit Bewegungsfreiheit

Die IPA-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler haben ein Ober­körper­exo­ske­lett entwickelt, das den Träger unterstützt, dabei aber auch vergleichsweise schnelle und intuitive Bewegungen zulässt. An Ellenbogen und Schultern wurden Antriebsmodule integriert, die Bewegungen mit hohem Drehmoment unterstützen. An der Schulterpartie ist eine mehrachsige Gelenkkette angebracht, die der Schultergelenkgruppe folgt; so können selbst Überkopfmontagen bewältigt werden.

Vom Ergonomie- zum Forschungswerkzeug

Beim Stuttgart Exo-Jacket des Fraunhofer IPA handelt es sich einerseits um eine Entwicklungsplattform, die sich mit Hilfe von Aktorik, Sensorik, diversen Steuerungs- und Regelungsmodi sowie einer Funkschnittstelle zur Konfiguration und Kommunikation zunehmend zu einem Forschungswerkzeug für adaptive Assistenzsysteme entwickelt.
Denn wenn das System mittels Sensorik Gelenkwinkel und -momente sowie seine Orientierung im Raum und die Lage der Gliedmaßen erfasst, was hindert die Wissenschaft daran, diese Messdaten zur Beurteilung ergonomischer Gesichtspunkte heranzuziehen, möglicherweise unter Verwendung physiologischer Signale wie Herzratenvariabilität? Die wandelbare Fabrik mit bedarfsgerechtem Personaleinsatz durch Echtzeitbewertung der Ergonomie ist eine Vision, mit der sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPA identifizieren. Noch ist das Zukunftsmusik. Wie man jedoch spätestens seit Salim Ismails Werk „Exponential Organizations“ weiß, verlaufen technologische Entwicklungen im Zeitalter der Digitalisierung nicht inkrementell-linear, sondern exponentiell oder werden substituiert. Beim IPA bleibt der Mensch im Fokus. Er ist niemals obsolet.

Bisherige Exoskelett-Lösungen

Bisher kommen Exoskelette allerdings hauptsächlich in der Forschung zum Einsatz, in der Industrie ist die Akzeptanz noch verhalten, wenn auch zunehmend ein positiver Anfragetrend zu verzeichnen ist. Die aktuell am Markt verfügbaren Lösungen sind in der Regel passive Systeme mit rudimentärer (manueller) Anpassungsfähigkeit an die Arbeitssituation.
Die Zukunft von Assistenzsystemen wie Exoskeletten ist zweifelsfrei vernetzt und eng an Entwicklungen im Bereich Virtual Reality (AG)/Augmented Reality
(AG) gekoppelt. Aktuelle Trends aus der Automobil- und Unterhaltungsindustrie nehmen bereits heute und in Zukunft vermehrt Einfluss auf die Entwicklung insbesondere aktiver Exoskelette.

Marius Fabian

 

Marius Fabian arbeitet als Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Er leitet die Gruppe „Antriebssysteme und Exoskelette“ in der Abteilung „Biomechatronische Systeme“.

 


Weitere Informationen

Fraunhofer IPA: Antriebssysteme und Exoskelette

 

 

Beitrag teilen:

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest
XING
WhatsApp
Email

Ähnliche Beiträge

Klima_titel
18. November, 2022
Jeder dritte Mensch ist aufgrund des Klimawandels und der damit einhergehenden Bedrohung der Lebensgrundlage ausgesprochen verwundbar – das zeigt der Weltklimarat IPCC in seinem neuesten Sachstandsbericht zum Thema „Klimawandel 2022: Folgen, Anpassung und Verwundbarkeit“. Was das für unsere Zukunft bedeutet und warum das oberste Ziel nicht unbedingt lautet, Migration zu verhindern, klärt dieser Beitrag.
Straßenverkehr
26. Oktober, 2022
Über viele Jahrzehnte war der Verkehr, insbesondere der auf der Straße, ein Thema, das zwar ständig auf der Tagesordnung stand, aber nicht als „kritisch“ angesehen wurde. Die individuelle Mobilität und die dazugehörigen Angebote wurden als selbstverständlich eingestuft. Natürlich gab es auch mal Einschränkungen, man denke nur an die beiden Ölkrisen in den 1970er-Jahren, die zu deutlichen Rezessionen führten. Die Bevölkerung trug die Maßnahmen mit und es trat nach einiger Zeit wieder Entspannung ein. Doch wie sieht das heute aus?
26489_space2school_lehrerfortbildung_blog_1920x1280
20. Oktober, 2022
Nach der großen Nachfrage im letzten Jahr geht die DLR-Lehrerfortbildung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR zum Thema Robotik in eine neue Runde. Bei der kostenlosen Lehrerfortbildung zum Unterrichtsmaterial „Robotik - Sensible Helfer auf der Erde und im All“ am 10. November 2022 erfahren Sie, wie Sie die Faszination Raumfahrt in Ihrem Fachunterricht nutzen können, um am Ende mit Ihren Schülerinnen und Schülern einen Roboterarm zu bauen - u.a. mit Rührstäbchen.
MZ-02-22_Beitragsbild_Lesetipps
22. August, 2022
Wir haben wieder hilfreiche Links im Web sowie spannende wissenschaftliche Bücher gesammelt. Viel Spaß beim Stöbern!
MZ-02-22_Beitragsbild_Teamteaching
18. Juli, 2022
Ein Fach, eine Lehrkraft und ein Klassenzimmer voller Schüler*innen. Dieses typische Unterrichtssetting wird gerade in den praxisorientierten MINT-Fächern oft nicht mehr den Anforderungen zeitgemäßen Lernens gerecht. Gleichzeitig sehen sich viele Lehrkräfte immer breiteren Anforderungen an ihren Berufsstand gegenüber und wünschen sich neben Entlastung auch frischen Wind in ihrem Klassenzimmer. Genau hier setzt die Lehr:werkstatt an.
Header_Blogbeitrag_1920x1080
Gesponserte Inhalte
7. Juli, 2022
Begeben Sie sich auf eine Reise zurück bis ins antike Griechenland und lernen Wissenschaftler*innen und Erfinder*innen wie Volta, Franklin und Tesla kennen, oder treten sie eine Reise mit den NASA Astronauten Neil Armstrong, Buzz Aldrin und Michael Collins ins All an, um auf dem Mond ihren Fußabdruck zu hinterlassen.
MZ-02-22_Wasserstoff_Beitragsbild
4. Juli, 2022
Das Pariser Klimaziel, die globale Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken, könnte noch erreicht werden. Aber es ist eine Herkulesaufgabe, für die wir den Ausbau der erneuerbaren Energien vervielfachen müssen. Und wir brauchen sogenannten grünen Wasserstoff, der mithilfe von regenerativem Strom hergestellt wird. Die Technologie spielt eine Schlüsselrolle auf dem Weg zur Klimaneutralität, die wir weltweit bis Mitte des Jahrhunderts erreichen wollen.
MZ-02-22_Berufliches-Miteinander
28. Juni, 2022
Es ist unumstritten: Beruflicher Erfolg hängt von einer guten Ausbildung ab. In den letzten Jahrzehnten hat allerdings auch der Wert von sozialen Fähigkeiten wie Kooperationsbereitschaft erheblich zugenommen. Fähigkeiten wie diese lassen das berufliche Miteinander besser gelingen. Und dafür sind typische menschliche Verhaltensmuster verantwortlich.
MZ-02-22_Beitragsbild_Milchstraße
8. Juni, 2022
Die Zukunft der Milchstraße wird turbulent – erst stößt sie mit der Andromeda-Galaxie zusammen, später auch mit der Triangulum-Galaxie. Hier ein Vorausblick auf den Crash der Sterneninseln.
MZ-01-22_Beitragsbild_Link-und-Lesetipps
8. Juni, 2022
Wir haben wieder hilfreiche Links im Web sowie spannende wissenschaftliche Bücher gesammelt. Viel Spaß beim Stöbern!
MZ-01-22_Spinnengift_Beitragsbild
6. Juni, 2022
Viele schrecken vor Spinnen zurück, der 32-jährige Dr. Tim Lüddecke nicht. Im Gegenteil: Er hat seine Doktorarbeit über Spinnengifte geschrieben. Am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Gießen erforscht er, was man aus Tiergift alles machen kann: Medizin zum Beispiel. Oder Insektizide. Alles total umweltfreundlich.
MZ-2022-02_Beitragsbild_Computer
30. Mai, 2022
Ein Zufall lässt sich am besten definieren als ein nicht vorherzusagendes Ereignis. Diese Eigenschaft kommt in vielen Bereichen zur Anwendung, sei es im Glücksspiel oder bei der Auswahl von Teilnehmer*innen an Meinungsumfragen. In diesen Fällen sind Zufallszahlen die Basis für Fairnessund Sicherheit. Auch für Verschlüsselungen sind Zufallszahlen unentbehrlich. Computer und Taschenrechner kennen jedoch keinen Zufall.