Oberkörperexoskelett, Bild: Fraunhofer IPA

Das neue Exoskelett der IPA-Wissenschaftler eignet sich für die Überkopfmontage. Bild: Fraunhofer IPA

Erkrankungen am Muskel-Skelett-System schaden nicht nur dem Mitarbeiter selbst, sondern auch seiner Firma. Laut DAK-Gesundheitsreport entstehen dadurch allein in Deutschland circa 125 Millionen Ausfalltage im Jahr. "Das ergibt einen Wertschöpfungsausfall von etwa 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", sagt der Experte.

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

Mehr Bewegungsfreiheit schaffen

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", sagt Minzenmay.

Der Protoyp Robo-Mate-Exoskelett des Fraunhofer IAO (Quelle: Fraunhofer IAO)

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", erklärt Minzenmay. Weiterhin müssen Exoskelette erkennen, wann sie unterstützen müssen. Diese Anforderung hat das IPA-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.

Im kommenden Jahr wollen die IPA-Wissenschaftler die Anwendung in der Praxis erproben und den Kundennutzen evaluieren. EEine erste Testreihe ist zum Beispiel in der Überkopfmontage geplant", sagt Minzenmay. Langfristiges Ziel der Experten ist, einen Modulkasten für unterschiedliche Einsatzgebiete zu entwickeln. "In circa vier Jahren wollen wir in der Lage sein, für spezifische Montageschritte ein passendes Exoskelett zusammenzustellen", meint Minzenmay.