Exoskelett, Stützroboter, Robotik, mechanisch, Arm, Roboteranzug, Bewegung, Sensoren, Muskeln, Industrie 4.0, Fertigung, Airbus
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.

Da diese Systeme vordergründig als Hebehilfe und somit zur Entlastung der Beschäftigten dienen sollen, wären laut BGMH zum Beispiel die RL 89/686/EWG (Persönliche Schutzausrüstung) oder evtl. RL 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie) oder RL 93/42/EWG (Medizinprodukte) denkbar.

Sensorgesteuerter Kraftanzug

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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

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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

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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

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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.