Unterstützungssysteme

Physische und mentale Entlastung

Unterstützung des Mitarbeiters in der Produktion. In der Arbeitsgruppe „smartASSIST“ des Laboratorium Fertigungstechnik (LaFT) der Helmut-Schmidt-Universität werden technische Systeme zur personen- und aufgabenangepassten Unterstützung manueller Tätigkeiten entwickelt, um die körperliche Belastung zu senken und die Erzeugnisqualität zu verbessern.

Unterstützungssystem für Tätigkeiten in und über Kopfhöhe (li.); Kraft-Unterstützungssystem für obere und untere Extremitäten (re.). (Foto: LaFT)

Trotz der zunehmenden Automatisierung in zahlreichen Bereichen werden gegenwärtig und zukünftig zahlreiche Tätigkeiten manuell ausgeführt, etwa die Lasthandhabung, Tätigkeiten in und über Kopfhöhe oder Tätigkeiten in der Mikroproduktion. Zurückzuführen ist dies darauf, dass eine automatisierte Lösung üblicherweise nur bei einfachen und repetitiven Aufgaben technisch und ökonomisch möglich beziehungsweise sinnvoll ist. Der Mitarbeiter nimmt folglich eine sehr wichtige Rolle ein. Ein ergonomischer Einsatz des Mitarbeiters ist deshalb von hoher Bedeutung, um muskuloskelettale Belastungsschäden zu vermeiden. Darüber hinaus ist es entscheidend, die geforderte Qualität zu erzielen.

Ausgangssituation
In der manuellen Produktion lassen sich technische Systeme einsetzen, um den Mitarbeiter hinsichtlich der körperlichen und mentalen Belastung zu unterstützen beziehungsweise ihm zu assistieren. Zu diesen Systemen zählen beispielsweise Werkzeuge, Hebehilfen, Systeme nach dem Ansatz der Mensch-Roboter-Kooperation, Assistenzsysteme, Roboter und Exoskelette. Diese Systeme unterstützen den Mitarbeiter bei der Ausführung, das heißt, der Mitarbeiter führt die Aufgabe nach wie vor aus, wird aber durch ein technisches System unterstützt – oder er wird so unterstützt, dass die Technik die Aufgabe des Menschen abnimmt. Das zeigt uns, dass es hier unterschiedliche Formen und Strukturen der Unterstützung gibt und auch, dass Systeme sowohl passiv als auch aktiv in menschliche Aktivitäten „eingreifen“ können.

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Ansatz
Durch eine passive oder aktive Unterstützung des Mitarbeiters durch technische Systeme (also keine Substitution des Mitarbeiters durch Systeme) sollen eine Entlastung bei körperlich belastenden und qualitätskritischen Tätigkeiten durch angepasste Funktionalitäten realisiert werden. Der verfolgte Ansatz „Human Hybrid Robot (HHR)“ ist durch eine intelligente, an die Person und Aufgabe angepasste, serielle und/oder parallele Kopplung biomechanischer und technischer Elemente charakterisiert. Das heißt, die biologisch-physiologischen Voraussetzungen des Menschen werden mit technischen Systemen, Werkzeugen und weiteren Funktionalitäten kombiniert. Hierdurch lassen sich die zum Teil konträren Vorteile des Menschen (etwa gut ausgeprägte Sensorik und Kognition) und der technischen Systeme (zum Beispiel gute Ausdauer und Wiederholgenauigkeit) gleichzeitig nutzen.

Im Rahmen des Ansatzes wird ein Baukastensystem zugrunde gelegt, das vorentwickelte Hard- und Software-Module für entsprechende Systeme beinhaltet, die eine oder mehrere Funktionalitäten besitzen können. Die Kombiner- und Austauschbarkeit wird durch Berücksichtigung eines Standards ermöglicht.

In der Abbildung links ist ein Unterstützungssystem für Tätigkeiten in und über Kopfhöhe im Laboreinsatz dargestellt. Dies System dient der Kompensation der Gewichtskraft durch eine integrierte Aktuatorik und außerdem der Kraftumleitung, um empfindliche und stark belastete Körperbereiche zu entlasten. Im konkret abgebildeten Fall dient das System der Entlastung der Schulter. In der dargestellten Konfiguration besteht es aus weichen und harten Strukturen und einer Aktuatorik. Eine Erweiterung um eine Sensorik zur belastungsabhängigen Steuerung ist möglich.

Eine weitere Möglichkeit zur Kraftunterstützung von oberen und unteren Extremitäten ist rechts im Bild dargestellt: Entsprechende Systeme unterstützen das Beugen und Strecken der Extremitäten. Das System hat eine weiche mechanische Struktur aus Papierlamellen, die über ein steifes Gelenk miteinander verbunden sind. Die Aktuierung und die Bewegungserfassung können auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Beispielsweise ist die Aktuierung des abgebildeten Systems mit einer mechanischen Feder, einem Elektromotor oder einem künstlichen pneumatischen Muskel möglich.

Benefit
Die Ko-Operation von Mensch und Technik kann zu Wettbewerbsvorteilen führen. Dies kann über die reine Interaktion bis hin zur Integration führen, bedeutet jedoch auch, dass auf beiden Seiten Freiheitsgrade gezielt aufgegeben werden. Durch körpergetragene Systeme können unter anderem körperlich belastende und qualitätskritische Tätigkeiten unterstützt werden ohne den Systemnutzer durch ein technisches System zu ersetzen und gleichzeitig technische, soziale und ökonomische Vorteile erzielt werden. Neben der Anwendung der dargestellten Systeme in der manuellen Produktion ist eine Anwendung darüber hinaus auch in anderen Lebensbereichen möglich und realistisch, etwa in der Rehabilitation und Handwerk.

R. Weidner/pb


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren
– Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.


Kurz erklärt: Das LaFT
Das Laboratorium Fertigungstechnik (LaFT) der Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr Hamburg wird durch Prof. Dr.-Ing. Jens P. Wulfsberg geleitet, der auch Mitglied der MHI e.V. ist. In enger Kooperation mit wissenschaftlichen und industriellen Partnern werden innovative Produkte und Methoden sowie neue Technologien auf den Gebieten der „Mikroproduktion“, „Robotik und Automatisierung“ sowie „Wertschöpfungssystematik“ entwickelt. In diesen Bereichen werden Projekte zur Grundlagenforschung und zur Entwicklung industrienaher Applikationen bearbeitet. Am LaFT arbeitet ein interdisziplinär zusammengesetztes Team von Wissenschaftlern mit Kompetenzen in den Bereichen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Informatik, Sozialwissenschaften, Kulturwissenschaften und Sozialpädagogik. Das LaFT versteht sich als Partner für lokale, nationale und internationale produzierende Unternehmen, deren Anforderungen bei der Entwicklungen Berücksichtigung finden. Kontakt: www.laft-hh.de und www.smartASSIST.info.

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