Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPANeues Exoskelett für maximale Bewegungsfreiheit
Muskel-Skelett-Erkrankungen sind die Hauptursache für Arbeitsunfähigkeit in Deutschland. Exoskelette, also am Körper getragene Stützstrukturen, können das Verletzungsrisiko minimieren. Für den industriellen Einsatz sind die bisherigen Lösungen allerdings zu unflexibel. Das Fraunhofer IPA hat ein Oberkörperexoskelett entwickelt, das den Träger mit zusätzlicher Kraft versorgt, ohne ihn körperlich einzuschränken. Ein Demonstrator ist ab Januar 2016 in der DASA-Arbeitswelt-Ausstellung in Dortmund zu sehen.
Erkrankungen am Muskel-Skelett-System schaden nicht nur dem Mitarbeiter selbst, sondern auch seiner Firma. Laut DAK-Gesundheitsreport entstehen dadurch allein in Deutschland ca. 125 Millionen Ausfalltage im Jahr. »Das ergibt einen Wertschöpfungsausfall von ca. 22,7 Milliarden Euro«, weiß David Minzenmay, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA. Besonders betroffen seien Montage und Logistik. »Verletzungen treten hier vor allem an Rücken- und Lendenwirbeln, den Schultern, Ellenbogen und Handgelenken auf«, so der Experte.
Bisherige Exoskelett-Lösungen kaum in der Industrie eingesetzt
Eine Möglichkeit, Arbeitsausfällen vorzubeugen, sind Exoskelette. Die am Körper getragenen Stützstrukturen sollen den Mitarbeiter bei schwerer körperlicher Belastung mit zusätzlicher Kraft versorgen. Bisher kommen Exoskelette allerdings hauptsächlich in der Forschung zum Einsatz, in der Industrie ist die Akzeptanz noch gering. Die Lösungen, meist aus Japan oder den USA, seien nicht nur schwer und teuer, sondern schränken
den Träger in seiner Bewegungsfreiheit ein und weisen Sicherheitsmängel auf.
Mehr Bewegungsfreiheit durch Antriebsmodule, Freilaufgelenk und Gelenkkette
Die IPA-Wissenschaftler haben erstmals ein Oberkörperexoskelett entwickelt, das den Träger unterstützt, dabei aber auch schnelle und intuitive Bewegungen zulässt. An Ellenbogen und Schultern haben die Experten Antriebsmodule integriert, die Bewegungen mit hohem Drehmoment unterstützen. Weiterhin erlaubt eine Freilaufkupplung dem Träger, sich frei zu bewegen – selbst, wenn der Motor ausgeschaltet ist. An der Schulterpartie ist eine Gelenkkette mit fünf Rotationsachsen angebracht. »Die Kette folgt der Schultergelenkgruppe in jede Position. Das Antriebselement sitzt also immer dort, wo die Schulter gerade ist«, erläutert der Wissenschaftler. Auf diese Weise werden komplexe Bewegungen in drei Richtungen ermöglicht, nach oben, hinten und innen. »Selbst Überkopfmontagen können bewältigt werden«, freut sich Minzenmay.
Externe Wirbelsäule beugt Rückenbelastung vor
Um den Rücken zu entlasten, haben die Wissenschaftler eine externe Wirbelsäule aus flexiblen Stäben eingebaut. »Dadurch werden die Kräfte auf die Hüfte oder den Boden abgeleitet, die Rotation und Flexion aber nicht eingeschränkt«, betont Minzenmay. Weiterhin müssen Exoskelette erkennen, wann sie unterstützen müssen. Diese Anforderung hat das IPA-Team mit Drucksensoren in den Armschellen, einem Sensor-Innenhandschuh und der EMG-Signalabnahme erfüllt. »Mit den Sensoren versteht das Exoskelett die Nutzerintention. Der Handschuh dient der Gewichtsabschätzung und das EMG-Signal bestimmt die Muskelaktivität«, schildert Minzenmay. Da die Module nur aktiv werden, wenn sie tatsächlich gebraucht werden, lasse sich zusätzlich Energie sparen, fügt er hinzu.
Fraunhofer IPA will Modulkasten für individuelle Exoskelette entwickeln
Im kommenden Jahr wollen die IPA-Wissenschaftler die Anwendung in der Praxis erproben und den Kundennutzen evaluieren. »Eine erste Testreihe ist z. B. in der Überkopfmontage geplant«, informiert Minzenmay. Langfristiges Ziel der Experten ist, einen Modulkasten für unterschiedliche Einsatzgebiete zu entwickeln. »In ca. vier Jahren wollen wir in der Lage sein, für spezifische Montageschritte ein passendes Exoskelett zusammenzustellen«, meint Minzenmay.