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Werker-Unterstützung: Was Exoskelette leisten können

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Beine oder Arme, aktiv oder passiv?

Exoskelett wird wie ein Rucksack getragen Bildquelle: © German Bionic Systems

Das Cray X wird wie ein Rucksack ­getragen und mit Gurten an Brust, Rumpf und Ober­schenkeln auf den jeweiligen Anwender eingestellt.

Noch ist das Angebot der auf dem Markt erhältlichen Exoskelette für den Einsatz in der Produktion recht überschaubar. Ganz grundsätzlich ist zwischen aktiven und passiven Systemen zu unterscheiden: In passiven Exoskeletten, wie etwa dem des niederländischen Herstellers Laevo, kommen zur Kraftunterstützung ausschließlich mechanische Elemente wie Federn oder Ausgleichsgewichte zum Einsatz. Entsprechend ist der Aufbau der Geräte relativ einfach gehalten und sie verfügen über keine Softwaresteuerung oder zusätzliche Assistenzfunktionen. Andererseits sind passive Exoskelette auf Grund nicht vorhandener Antriebssysteme in der Regel leichter, wartungsärmer sowie günstiger in der Anschaffung.

Smartwatch und Exoskelett Bildquelle: © German Bionic Systems

Per Smartwatch kann der Träger des Exoskeletts während eines Arbeitsgangs das Maß der Unterstützung anpassen.

Demgegenüber sind die softwaregesteuerten aktiven Exoskelette, die jetzt auf den Markt kommen, technisch anspruchsvoller und zusätzlich mit Sensoren und Aktuatoren ausgerüstet. Der Antrieb erfolgt elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Beim elektrisch angetriebenen ‚Cray X‘ beispielsweise, dem Exoskelett von German Bionic Systems, werden Makita-Akkus mit einer Energierückspeisung verwendet, um den Energiebedarf für einen achtstündigen Arbeitstag zu decken. Zur Steuerung der Motoren kommen Gyroskop, Momentensensoren in den Antrieben und Positionssensoren zum Einsatz, die von einer Software gesteuert werden. Über eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) – konkret eine Smartwatch – kann das Maß der Unterstützung manuell eingegeben werden. Darüber hinaus verfügt das Cray X über eine zusätzliche Schnittstelle für ein EMG-Armband, mit dem der Grad der Muskelanspannung gemessen wird.

Antriebseinheit des Exoskeletts Bildquelle: © German Bionic Systems

Detailansicht der Antriebseinheit des Cray X von der Innenseite.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium bei Exoskeletten ist die Art der körperlichen Unterstützung, das heißt, ob Beine oder Arme und Rücken unterstützt werden. Exoskelette zur Bein-Unterstützung kommen häufiger im medizinischen Bereich zur Anwendung. Als erster Hersteller hat das US-amerikanische Unternehmen Ekso Bionics kürzlich die Zulassung der amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) für den Einsatz seines Exoskeletts ‚EksoGT‘ zur Rehabilitation von Menschen mit Wirbelsäulenverletzungen und Schlaganfallpatienten erhalten. Das Modell H-MEX von Hyundai, das letztes Jahr auf der CES in Las Vegas vorgestellt wurde, soll Menschen mit einer Querschnittslähmung das Sitzen, Stehen, Laufen und Treppensteigen wieder ermöglichen. 

Rückansicht Exoskelett Bildquelle: © German Bionic Systems

Über den Hüftgelenken sitzen zwei Elektromotoren, die den Oberkörper des Trägers aus der Beugung wieder hochziehen. So wird die Muskel­anspannung im unteren Rücken um 30 bis 40 % reduziert.

Für den Einsatz in der Produktion relevanter sind vor allem Exoskelette mit Arm- und Rückenunterstützung. Die genannten Serienmodelle von Laevo und German Bionic Systems, die bereits in Betrieben zum Einsatz kommen, unterstützen ihre Träger bei der manuellen Handhabung von Gütern und Werkzeugen und verringern beim Heben schwerer Lasten speziell den Kompressionsdruck im unteren Rückenbereich. So soll das Risiko von Muskel- und Skeletterkrankungen vermindert und Verletzungen vorgebeugt werden. Auch Exoskelette mit Arm-Unterstützung finden sich bereits in der Fertigung. So setzt der Autobauer BMW in seinem Werk in Spartanburg (South Carolina) bereits seit einiger Zeit passive Exoskelette des amerikanischen Herstellers Levitate für Montage-Schritte ein, die über Kopf durchgeführt werden müssen und deshalb als ermüdend und unergonomisch gelten. In den Gelenken des Levitate Airframe ist eine mechanische Federunterstützung integriert, die die Kraft der Arme erhöht.

Das Schweizer Unternehmen Noonee schließlich hat für die Arbeit in der Produktionsstraße eine besondere Form des Außenskeletts entwickelt: den ‚Chairless Chair‘ – also quasi eine Sitz-gelegenheit, die man sich an den Körper schnallen kann. Das rein mechanische System soll Knie, Rücken und Nacken entlasten. Träger können sich den Exo-Sitz individuell und stufenlos einrichten – die niedrigste mögliche Position ist ein 90-Grad-Winkel zwischen Unter- und Oberschenkel.

Zurück zum Cray X: Die Grundlagen für das tragbare, den Rücken unterstützende Robotik-System von German Bionic Systems wurden gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern im Rahmen des mehrjährigen EU-Forschungsprojekts Robo-Mate entwickelt. Zu den Projektpartnern zählten neben Universitäten und Forschungsinstituten, wie das Fraunhofer IAO, auch der italienische Automobilhersteller Fiat.