Handhabung Erstes Exoskelett für die Industrie präsentiert

Redakteur: Jan Vollmuth

Forscher haben im EU-Projekt Robo-Mate ein Exoskelett für Arbeiter in der Produktion entwickelt, das die Gewichtsbelastung auf bis ein Zehntel reduziert. Nun wurde der erste Prototyp am Fraunhofer IAO in Stuttgart vorgestellt.

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Dr. Konrad Stadler, Dozent für Regelungstechnik, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, demonstriert die Funktionsweise des Exoskeletts. Zu sehen ist die passive Unterstützung zum Heben schwerer Lasten.
Dr. Konrad Stadler, Dozent für Regelungstechnik, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, demonstriert die Funktionsweise des Exoskeletts. Zu sehen ist die passive Unterstützung zum Heben schwerer Lasten.
(Bild: Ludmilla Parsyak/Fraunhofer IAO)

Mühelos hebt ein Arbeiter im Werk einen Autositz aus dem alten Wagen. Mit ein, zwei Handgriffen packt er das 15 kg schwere Sitzmöbel, nimmt es aus seiner Verankerung und bringt es zu einer Station, an der schon weitere Sitze liegen. Möglich macht diese leichtfüßigen Bewegungen ein Exoskelett, eine Art Roboteranzug, der ihn bei der Arbeit aktiv unterstützt. Alles Science Fiction?

Unterstützen bei körperlich belastenden Tätigkeiten

In der Fertigung und Montage müssen immer noch viele körperlich belastende Tätigkeiten von Menschen durchgeführt werden: Sei es für Kleinserien oder Prototypen, bei denen die Montage jedes Stücks so individuell ist, dass keine Roboter dafür programmiert werden können. Oder sei es, weil sie für Roboter zu komplex sind, nicht zu standardisieren oder weil sie menschliche Flexibilität erfordern. Ein Beispiel ist die Demontage von Kraftfahrzeugen: Da jedes gebrauchte und zur Demontage angelieferte Auto anders ist, erfordert der Ausbau jedes Fahrzeugteils wie beispielsweise Sitze oder Batterien individuelle Handgriffe.

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Diese Tätigkeiten belasten die Arbeiter jedoch stark, vor allem, wenn sie acht Stunden täglich durchgeführt werden. Arbeiter in der Produktion und Demontage heben und tragen pro Tag oft mehrere Tonnen Material. Schäden an der Wirbelsäule sind quasi programmiert, Langzeitleiden sind die Folge. Das bedeutet nicht nur persönliche Leiden für die Arbeiter: für das Gesundheitssystem entstehen hohe Kosten; Arbeitgeber haben Nachteile durch krankheitsbedingte Ausfälle und Frühverrentung sowie unattraktive Arbeitsplätze.

Krankheitsbedingte Ausfälle reduzieren

Die EU hat sich als Ziel gesetzt, Produktionsstandorte in Europa zu halten – mitsamt ihren Arbeitsplätzen. Um krankheitsbedingte Ausfälle zu reduzieren und Facharbeiter langfristig leistungsfähig zu halten, müssen aber menschengerechte Produktionsbedingungen geschaffen werden. Das Robo-Mate-Exoskelett hat das Potenzial, neben Schutz und Haltungsunterstützung auch Erleichterung beim Heben schwerer Gegenstände zu bieten. 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.

Exoskelette kennt man bislang vor allem aus Science-Fiction- oder Superhelden-Filmen. Zwei Einsatzgebiete gibt es bislang tatsächlich: im Militär sowie in der medizinischen Rehabilitation. Bislang gibt es kein Exoskelett, das für den Einsatz in der Produktion entwickelt wurde. Die am EU-Projekt Robo-Mate beteiligten Partner haben sich genau das zum Ziel gesetzt. Seit Ende 2013 arbeiten zwölf Forschungsinstitute und Unternehmen aus sieben europäischen Ländern zusammen, um einen Helfer für Arbeiter in der Produktion zu entwickeln.

Voll einsatzfähiger Prototyp

Der erste Prototyp von Robo-Mate ist jetzt fertig und wurde am 12. Juni am Fraunhofer IAO in Stuttgart vorgestellt. „Unser Prototyp des Exoskeletts besteht aus Modulen für die Arme, den Rumpf und die Beine“, beschreibt Prof. Dr. Wernher van de Venn, Projektkoordinator von Robo-Mate und Leiter des Instituts für Mechatronische Systeme an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW):

  • Arm-Module: Die Module für die Arme sind an Ober- und Unterarmen befestigt. Sie unterstützen die Arbeiter aktiv beim Heben schwerer Lasten: Mithilfe von Motoren reduzieren sie die Kraft, die beim Heben eines Gegenstands auf den Arbeiter wirkt, bis auf ein Zehntel. „Ein Autositz von 15 kg fühlt sich beim Heben mit dem Exoskelett an wie 1,5 kg“, so Prof. Dr. Carmen Constantinescu, die das Projekt auf Seiten des Fraunhofer IAO leitet.
  • Rumpfmodul: Das Rumpfmodul dient vor allem zur Stabilisierung von Rücken und Wirbelsäule sowie als Schutz. Es hilft, den Rumpf bei Hebe- und Beugearbeiten gerade zu halten und schützt so vor Bandscheibenvorfall und Verdrehungen der Wirbelsäule.
  • Bein-Module: Das Exoskelett unterstützt die Beine durch zwei Module, die vom Rumpfmodul aus die Innenseite der Oberschenkel stabilisieren. Bei Tätigkeiten in hockender Position, die für die Oberschenkel sehr anstrengend werden können, versteifen sich die Bein-Module und bilden eine Art Sitz, sodass der Arbeiter keine zusätzliche Kraft aufbringen muss.

Umfangreiche Simulationen im Vorfeld

Um herauszufinden, wo die meisten Probleme bei der Montage und Demontage liegen und was das Exoskelett können muss, haben Wissenschaftler am Fraunhofer IAO Arbeitsschritte verschiedener Anwendungspartner im Projekt mittels Software simuliert. Wie sieht der Bewegungsablauf aus, welche Kraft wirkt wie auf den Körper? So wurden Schlüsselschritte identifiziert, bei denen die Belastung sehr stark ist. Im Anschluss simulierten die Forscher um Carmen Constantinescu die entsprechenden Arbeitsschritte mit Exoskelett – und fanden so heraus, bei welchen Schritten dieses sinnvoll eingesetzt werden kann. „Bislang ist es noch niemandem gelungen, den Menschen und das ihn umgebende Exoskelett als eine Einheit zu berechnen“, erklärt Constantinescu die besondere Herausforderung bei diesem Unterfangen. Für die Entwicklung des Skeletts und die Bewertung der Anwendungsfälle war das jedoch unabdingbar.

Bis das Robo-Mate-Exoskelett in europäischen Produktionshallen Alltag wird, ist noch einiges an Forschung nötig. Zum einen gilt es, das Exoskelett und seine Anwendung sicher für seine Benutzer und ihre Umgebung zu machen. Sicherheitsexperten aus den beteiligten Unternehmen und Instituten arbeiten dazu an einer Reihe von Anforderungen.

Eine Frage der Akzeptanz

Eine andere Frage ist die der Akzeptanz: „Eine Unterstützung der Arbeiter kann nur erfolgreich sein, wenn die Arbeitnehmer sie auch akzeptieren“, so Prof. Dr. Michiel de Looze, Partner für Mensch-Roboter-Interaktion bei TNO, der Niederländischen Organisation für Angewandte Forschung. Wie die Produktionsmitarbeiter mitgenommen werden sollen bei der Einführung, ist ein weiterer Punkt im Projekt. Ebenso das Design: „Der Prototyp ist funktionsfähig. Aber er wirkt immer noch abschreckend, man sieht die gesamte Technik, die Kabelführung. Das macht den Menschen vielleicht Angst“, sagt Prof. Wernher van der Venn, Koordinator des Robo-Mate-Projekts und Professor an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. Daher entwickeln Designer eine Außenhülle, die funktional ist und gleichzeitig das Gefühl vermittelt, dem Arbeiter ein Helfer zu sein: „Wir wollen keinen Superhelden machen. Wir wollen einen Helfer entwickeln, der die Produktionsarbeiter bei ihrer täglichen Arbeit unterstützt und sie gesund hält“, so Dr. Leonard O’Sullivan, Experte für Ergonomie und Produktdesign an der University of Limerick in Irland. (jv)

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