Man testet Exoskelett

Am Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg Finkenwerder testet Airbus ein Exoskelett, das im Rahmen des BMBF-Projekts 'Smart Assist' entwickelt wurde, um Mitarbeiter im Flugzeugbau bei manuellen Tätigkeiten körperlich zu entlasten. - Bild: Airbus

| von Susanne Nördinger

Zur Produktion der Zukunft gehören auch Exoskelette. So das Ergebnis einer Umfrage auf www.produktion.de. 63 Prozent der Umfrageteilnehmer stimmten auf die Frage "Wird es künftig mehr Exoskelette in Ihrer Fabrik geben?" für die Antwort "Natürlich, denn so kann ich meine Angestellten entlasten und sie können produktiver sein."

 

Wie die Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGMH) mitteilt, befindet sich die Mehrzahl der Exoskelette aktuell noch in der Entwicklungsphase. Erste Anwendungen, wie zum Beispiel der 'Chairless Chair' im Volkswagen-Konzern, werden jedoch schon in Produktionsanwendungen getestet. Und die Vielfalt ihrer Einsatzarten wird noch zunehmen, so die Einschätzung der BGMH.

Auch Airbus testet verschiedene Exoskelette in der Fertigung. "Es gibt in der Flugzeugproduktion aufgrund der schwierigen Zugänglichkeiten häufig nicht sehr ergonomische Körperpositionen, welche wir versuchen, durch Unterstützungssysteme für den Mitarbeiter gesundheitlich schonender zu gestalten, wenn eben der Arbeitsplatz nicht grundsätzlich angepasst werden kann", erläutert Entwicklungsingenieur Dr. Robert Goehlich.

Abbildung Ingo Krohne im dunkelblauen Anzug
"Ziel ist es, ein leichtes und kompaktes System zu entwickeln, welches sich für repetitive Tätigkeiten eignet." Dr. Ingo Krohne, Entwicklungsingenieur bei Airbus. - Bild: Airbus

Eines der bei Airbus untersuchten Exoskelette beinhaltet eine aktive und eine passive Aktuatorik, um zu untersuchen, inwieweit eine zuschaltbare Unterstützung vorteilhaft ist. Dabei wird der Oberarm an einer bestimmten Position in oder über Kopfhöhe unterstützt, ohne das zu handhabende Gewicht vollständig zu kompensieren.

"Es ist das Ziel, ein möglichst leichtes und kompaktes System zu entwickeln, welches sich für repetitive Tätigkeiten eignet und über einen längeren Zeitraum getragen wird", sagt Entwicklungsingenieur Dr. Ingo Krohne. Wichtig sei, dass Werker ein Exoskelett akzeptieren, nur dann könne es unterstützen.

Laut Dr. Weidner von der HSU Hamburg muss ein Exoskelett bequem sein, darf nicht auftragen. "Es muss einstellbar sein, darf nicht stören und muss sich den ganzen Tag lang tragen lassen."

Hier besteht Bedarf für Exoskelette

Untersuchungen bei Airbus im Rahmen des Autopro-Projekts resultieren in folgenden Bedarfen für Unterstützungssysteme, zu denen auch Exoskelette zählen:

  • Fixierung und Stabilisierung von Körperhaltungen oder -positionen,
  • Entlastung der Extremitäten und des Oberkörpers,
  • Erreichbarkeit von Arbeitspunkten verbessern,
  • Führen und Halten von Werkzeugen und Bauteilen oder Komponenten,
  • Gewichtsneutralisation für den Bewegungsapparat.

Kraft-Push für die Arme

Mann trägt Exoskelett am Arm
Exoskelett-Arm zur Kraftunterstützung. - Bild: Fraunhofer IPA

Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts E3 und des BMBF-Projekts Sens-Hand entsteht am Fraunhofer IPA ein wandgetragener Exoskelett-Arm. Das Projekt wird von Patrick Stelzer betreut, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA tätig ist.

Das System besteht aus einem über Bodenzüge angetriebenen Schulter- und Ellbogengelenk, Sensorik im Schultergelenk und der Armschale sowie einem Sensorhandschuh mit Kraft-, Biege- und Inertialsensorik. Über den Sensorhandschuh und die Sensorik im Exoskelett-Arm wird die für den Nutzer gewünschte Kraftunterstützung ermittelt. Es handelt sich um ein Testsystem für die Entwicklung intelligenter Algorithmen zur Detektion des Nutzerwunsches.

Bis zu 15 kg ohne Anstrengung heben

Mann trägt Exoskelett auf dem Rücken, das die Arme unterstützt
Das Robomate-Exoskelett bietet Schutz und Haltungsunterstützung. - Bild: Fraunhofer IAO

Robomate ist ein europäisches Forschungsprojekt, an dem zwölf Partner aus Industrie und Wissenschaft beteiligt sind. In dem Projekt wird ein modular aufgebautes Exoskelett entwickelt. Das sogenannte Rumpfmodul entlastet die Lendenwirbelsäule.

Das passive Arm-Modul basiert auf der Kraft von Federn und funktioniert ohne Motoren. Es soll Muskelbelastungen reduzieren. Das dritte Modul ist ein aktives Arm-Modul mit Drahtzug-Funktionen. Es kann zur Unterstützung beispielsweise bei Pick-and-Place-Aufgaben dienen.

Über ein HMI kann der Werker mit dem Exoskelett interagieren. Das Interface kann auch mit Produktionsplanungssystemen verbunden werden. Weiterhin können auf dem Display auch Montageanleitungen für den Werker angezeigt werden.

Das Robomate-Exoskelett bietet neben Schutz und Haltungsunterstützung auch Erleichterung beim Heben schwerer Gegenstände bis 15 kg. Mittels Motoren und Sensoren soll es in der Lage sein, das Gewicht, das auf den Menschen wirkt, auf einen Bruchteil zu reduzieren und gleichzeitig Haltungsschäden vorzubeugen.

Getestet wurde Robomate bereits beim Recyclingunternehmen Indra, beim Automobilzulieferer Compa sowie im R&D-Zentrum von Autobauer Fiat, etwa zur Überkopf-Montage.

Das ist beim Einsatz von Exoskeletten in der Industrie zu beachten

Werker trägt Oberkörper-Exoskelett
Oberkörper-Exoskelett zur Entlastung des Werkers. - Bild: Fraunhofer IAO

Beim Einsatz von Exoskeletten ist der Arbeitgeber gemäß Arbeitsschutzgesetz verpflichtet, eine Beurteilung der Arbeitsbedingungen vorzunehmen sowie Schutzmaßnahmen inklusive Unterweisung umzusetzen. Das teilt die Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGMH) mit.

Auch die Betriebssicherheitsverordnung ist zu berücksichtigen. Die jeweiligen Hersteller müssen laut BGMH den Stand der Technik gemäß Produktsicherheitsgesetz berücksichtigen. Dabei ist eine Zuordnung von Exoskeletten hinsichtlich Sicherheitsanforderungen zum Geltungsbereich einer EU-Richtlinie derzeit auf europäischer Ebene in der Diskussion und wird vorwiegend vom zukünftigen Einsatz abhängig sein.

Sensorgesteuerter Kraftanzug

Mann trägt schwarzen Exoskelett-Anzug
Der Exoskelett-Anzug wird über ein intuitiv bedienbares User-Interface gesteuert. SRI fokussiert neben Rehabilitation oder Sport auch industrielle Anwendungen. - Bild: Superflex

Die im Silicon Valley ansässige Forschungsorganisation SRI International entwickelt derzeit den Exoskelett-Anzug Superflex. Er soll Leistung und Kraft des menschlichen Bewegungsapparats steigern. Gleichzeitig bietet der Kraftanzug Unterstützung, um durch gesundheitliche Probleme verursachte Schäden zu überwinden oder solchen Schäden präventiv vorzubeugen.

Der Anzug-Prototyp trägt sich laut Hersteller angenehm und weich auf der Haut. Er ist mit Sensoren ausgestattet, mit denen er die individuellen Bewegungen des Trägers erlernt und dann nur bei den richtigen Gelegenheiten unterstützt. Dadurch halten die Batterien deutlich länger, als wenn der Anzug immer aktiv Hilfe leisten würde. Möglich ist das durch leichtgewichtige und mit hohem Drehmoment ausgestattete 'Exo-Muskeln', die die körpereigenen Muskeln des Trägers in einer sehr natürlichen Weise unterstützen.

Gesteuert wird der Anzug über ein intuitiv bedienbares User-Interface. SRI fokussiert neben Rehabilitation oder Sport auch industrielle Anwendungen. Der Anzug diene hier zum Beispiel der Minimierung von Verletzungen.

Ein Hocker für die Arme

Mann trägt orthetisch-bionisches Assistenzsystem zur Unterstützung der Arme
Orthetisch-bionisches Assistenzsystem zur Unterstützung der Arme, z.B. bei Überkopf-Montage. - Bild: Otto Bock

Im BMBF-Forschungsprojekt Ortas wird ein orthetisch-bionisches Assistenzsystem entwickelt. "Eine Orthese ist grundsätzlich ein orthopädisches Hilfsmittel, das vorhandene Gliedmaßen unterstützt", erklärt Dr. Bernhard Graimann vom Ortas-Verbundkoordinator Otto Bock. Im Unterschied zu einem Exoskelett handele es sich um ein passives System, sprich es gebe keine Motoren, die kraftunterstützend arbeiten.

"Unsere Intention ist es, durch das Assistenzsystem muskulo-skelettale Probleme, die etwa bei der Montage auftreten können, zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden", berichtet Graimann. Volkswagen testet das Assistenzsystem derzeit bei der Überkopf-Montage.

"Die Arbeiter tragen die Orthese an den Armen und am Oberkörper", sagt Graimann und fährt fort: "Sie können bei der Überkopf-Arbeit das orthetische System einrasten. Dann sind die Arme quasi auf einem Art Hocker platziert. Die Orthese leitet dabei die Kräfte, die auf den Schulter-Nacken-Bereich wirken, auf die Hüfte um." Schulter und Arme werden dadurch entlastet, die Hüfte ist robust genug für die Belastung.

Mehr Kraft für den Oberkörper

Mann trägt Oberkörperexoskelett
Das Oberkörperexoskelett wird zur Zeit in der Kabelmontage bei einem Bushersteller erprobt. - Bild: Fraunhofer IPA

Mit dem 'Stuttgart Exo Jacket' haben Wissenschaftler des Fraunhofer IPA ein Oberkörperexoskelett entwickelt, das den Träger mit zusätzlicher Kraft unterstützt, dabei aber auch schnelle und intuitive Bewegungen zulässt. Um das Gewicht des Exoskeletts möglichst gering zu halten, setzen die Wissenschaftler leichte Motoren mit hohen Drehzahlen ein.

Das Antriebsmodul ist direkt an Schulter und Ellenbogen angebracht und kann daher direkte Kraftunterstützung liefern. Eine mechanische Freilaufkupplung gewährleistet die Sicherheit des Trägers selbst bei stillstehendem Antrieb. Da der Motor nur dann arbeitet, wenn er tatsächlich benötigt wird, sinkt zusätzlich der Energieverbrauch.

An der Schulterpartie ist eine Gelenkkette mit fünf Rotationsachsen angebracht, die der Schultergelenkgruppe in jede Position folgen. Auf diese Weise werden komplexe Bewegungen in drei Richtungen ermöglicht, nach oben, hinten und innen. Sogar Überkopfmontagen lassen sich realisieren. Erprobt wird das Exoskelett derzeit in der Kabelmontage bei einem Bushersteller.

'Lucy' greift unter die Arme

Mann trägt Unterstützungssystem 'Lucy'
Das Unterstützungssystem 'Lucy' soll bei Arbeiten in und über Kopfhöhe entlasten. - Bild: HSU-Hamburg

Im BMBF-Projekt 'Smart Assist' wird unter anderem das Unterstützungssystem Lucy entwickelt, das Werker bei Tätigkeiten in und über Kopfhöhe entlasten soll. "Hierbei handelt es sich nicht um einen Superhelden-Anzug", erläutert Dr. Robert Weidner, Leiter der Forschernachwuchsgruppe an der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg.

Vielmehr gehe es darum, Überlast zu vermeiden. Wie Weidner berichtet, handelt es sich bei dem System Lucy um einen Art Rucksack, der dem Nutzer quasi von hinten unter die Arme greift. "Hierbei leiten wir die die Kraft über eine Vorrichtung um kritische Körperteile herum in das Becken ab." Alle anderen Anbindungsstellen des Exoskeletts dienten nur zur Arretierung des Systems, damit es richtig sitzt.

Das Rückenteil von Lucy ist so gestaltet, dass man sich frei bewegen kann. Die Armkinematik ist in eine vertikale und horizontale Richtung getrennt. "Ein Pneumatik-Aktuator unterstützt dabei bei Bewegungen entgegen der Erdanziehungskraft", sagt Weidner. Am Rücken ist eine Kopfstütze angebracht, die den Nacken des Trägers zusätzlich entlastet.

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