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

© German Bionic Systems

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.

Detailansicht der Antriebseinheit des Cray X von der Innenseite.

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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. 

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.

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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.

Die Details hinter Cray X

Seit 2016 wurde das Konzept schließlich zum industriellen Serienmodell weiterentwickelt und unter Einbeziehung von arbeitsergonomen speziell für die manuelle Handhabe von Gütern und Werkzeugen bis zu einem Gewicht von 15 kg ausgelegt. Im Vergleich zu Hebekränen, die üblicherweise in der Produktion für derlei Arbeiten eingesetzt werden, kann das Exoskelett mobil und dadurch flexibler und letztendlich effektiver eingesetzt werden.

Angetrieben wird das Exoskelett von zwei hochintegrierten BLDC-Motoren für Mikrocontroller-gesteuerte Echtzeit-Regelung unter Nutzung von Momentensensorik, Gyroskopen und EMG-Signalen, die die Hebetätigkeiten seines Trägers mit jeweils etwa 20 Nm unterstützen. Um die Forschung von intelligenten Mensch-Maschinen- und KI-Systemen voranzutreiben, wird derzeit an der Entwicklung einer Software-Plattform gearbeitet, die auf Open-Source-Technologie und offenen Standards basiert. Hierüber sollen gewonnene Sensorik-Daten zum Zweck der Weiterentwicklung des Cray X und anderer aktiver Systeme zu Analyse- und Forschungszwecken anonymisiert und frei verfügbar gemacht werden. Ein weiteres Novum: die Software soll zukünftig per Cloud-Plattform ‚over-the-air‘ aktualisierbar sein, was die Wartung der Systeme erleichtert und dafür sorgt, dass Software-Updates in Echtzeit auf die Systeme übertragbar sind. Die Kosten für ein solches Exoskelett liegen bei knapp 40.000 Euro.

Autoren:
Eric Eitel ist Leiter Unternehmenskommunikation der German Bionic Systems;
Peter Heiligensetzer ist Geschäftsführer von German Bionic Systems.

Warum sind Exoskelette nötig?

Nach Angaben der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) sind Muskel- und Skeletterkrankungen – kurz MSE – für 23 % aller Arbeitsun-fähigkeitstage in Deutschland verantwortlich und führen jährlich zu geschätzten 10 Mrd. Euro Produktionsausfall sowie 17 Mrd. Euro Ausfall an Bruttowertschöpfung. 

Ursachen für MSE sind vor allem körperliche Fehlbelastungen beim Heben und Tragen im Beruf, aus denen Schäden an Muskulatur und Bändern sowie an Knochen und Knorpel resultieren.

Die Zahlen des European Working Conditions Survey (EWCS) aus dem Jahr 2015 sind ähnlich alarmierend: Demnach bewegen 32 % der europäischen Arbeiterinnen und Arbeiter schwere Gegenstände in über 25 % ihrer Arbeitszeit. Weiterhin sind 42 % von ihnen in ebenfalls über 25 % ihrer Arbeitszeit schmerzenden oder ermüdenden Positionen ausgesetzt. In Summe klagten im EWCS 43 % der Befragten über Rückenschmerzen – das entspricht hochgerechnet 110 Mio. der 259 Mio. europäischen Erwerbstätigen. 

Noch dramatischer erscheint die Zahl vor dem Hintergrund einer alternden Bevölkerung und dem schon jetzt spürbaren Fachkräftemangel in der Produktion. Zwar könnten in vielen Fällen Hilfsmittel wie Stapler oder Kräne die Lage der Werker verbessern. Doch oftmals erweisen sich diese statischen Hilfsmittel in der Praxis als zu unflexibel oder die Anschaffungskosten sind verhältnismäßig hoch. 

Auch ist unsere Arbeitsgesellschaft weit davon entfernt, sämtliche Arbeiten von Roboter-Heeren erledigen zu lassen. Eine wichtige Erkenntnis der jüngeren Zeit ist, dass nicht jede Art von menschlicher Arbeit ökonomisch sinnvoll durch Vollautomatisierung beziehungsweise durch Robotik-Systeme ersetzbar ist. Exoskelette könnten hier Abhilfe schaffen – sei es beim Heben schwerer Lasten im Logistik-Bereich, in der Pflege oder in der Produktionstraße.