Exoskelette

Kraft, die von außen kommt

Erkrankungen am Muskel-Skelett-System schaden nicht nur dem Mitarbeiter selbst, sondern auch seinem Arbeitgeber. 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.

Kraft von außen: Fraunhofer IPA will ein Exoskelett in diesem Jahr in der Praxis erproben. (Foto: Fraunhofer)

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 teuer, sondern schränken den Träger in seiner Bewegungsfreiheit ein und weisen Sicherheitsmängel auf.

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.

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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 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.

In diesem Jahr wollen die IPA-Wissenschaftler die Anwendung in der Praxis erproben und den Kundennutzen evaluieren. „Eine erste Testreihe ist zum Beispiel in der Überkopfmontage geplant“, informiert Minzenmay. bw

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