Wearable Soft Robotics

Intelligente Softorthese stärkt den Rücken

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Ergo-Jack mit arretierbarem Hüftgelenk und Beinbügel unterstützt den Mitarbeiter beim Heben schwerer Lasten (Bild: © Fraunhofer IPK / Armin Okulla)
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Ständige körperlich belastende Arbeitsabläufe, vielleicht noch unergonomisch ausgeführt, schaden dem Rücken. Abhilfe soll eine intelligente Softorthese schaffen, die nicht nur unterstützt, sondern auch unergonomische Haltungen erkennt – und warnt.

Stundenlang steht der Schweißer gebückt über dem Anlagenbauteil – Rückenschmerzen sind bei dieser Zwangshaltung vorprogrammiert. Schlimmer noch: Übt der Mitarbeiter diese Tätigkeit über Jahre hinweg aus, ohne auf eine ergonomische Körperhaltung zu achten, sind dauerhafte Schädigungen wie vorzeitiger Rückenverschleiß keine Seltenheit. Dies gilt auch für Arbeitskräfte, die häufig schwere Gegenstände heben müssen. Mit Ergo-Jack haben Forscher der Berliner Fraunhofer-Institute für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM eine intelligente Softorthese entwickelt, die den Rücken entlastet und Arbeitende animiert, belastende Bewegungsabläufe ergonomisch auszuführen. Mit dem modularen Wearable-Soft-Robotics-System wollen die Forscherteams dem Ausfallrisiko von Arbeitskäften entgegenwirken.

Echtzeit-Bewegungsanalyse

„Alleinstellungsmerkmal unserer softrobotischen Oberkörperorthese ist eine Echtzeit-Bewegungsanalyse“, sagt Henning Schmidt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPK. Eigens entwickelte Algorithmen, die auf Machine Learning und KI basieren, ermöglichen die Ergonomieanalyse. Dadurch unterscheide sich die Orthese von handelsüblichen Exoskeletten, also Stützrobotern, die prinzipbedingt alle – auch unergonomische Bewegungen – einfach nur kraftunterstützzen und lediglich die Belastungskräfte des Trägers aus überlasteten in weniger belastete Körperareale umleiteten.

Die Bewegungsanalyse der IPK-Orthese hingegen erkennt ergonomische und unergonomische Bewegungen. Per Vibrationsalarm erhält der Träger in Echtzeit Feedback, wenn er Haltungen einnimmt oder Bewegungen ausführt, die gesundheitsschädlich sind. Der Trick: In die Weste integrierte inertiale Bewegungssenoren (IMU, kurz für Inertial Measurement Unit) gleichen vorgelernte Bewegungsmuster mit der tatsächlich ausgeführten Bewegung ab und werten sie in Echtzeit aus. Dieser Vorgang dauert wenige hundert Millisekunden. Die miniaturisierten Bewegungssensoren befinden sich an den Schultern, dem Rücken und den Oberschenkeln.

Die Datenverarbeitung läuft direkt auf der Weste. Der Anlernprozess der Arbeitskräfte kommt mit einem sehr kleinen Bewegungstrainingsdatensatz aus. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, die Elektronik und die Sensorik der Textilversion der Orthese so zu verkapseln, dass sie waschbar sind und nicht aus der Weste entnommen werden müssen.

Für alle Konfektionsgrößen verfügbar

Kunden können künftig zwischen einer rein sensorischen Textilweste und einer Variante mit Kraftunterstützung wählen. Eine weitere aktuelle Systemvariante mit Rücken- und Hüftunterstützung wurde mit einer miminal nötigen Orthesenbügel-Auflagefläche am Körper konzipiert. Durch ein arretierbares seitliches Hüftgelenk an der Weste lässt sich die Kraftübertragung vom Rücken in die Beine ein- und ausschalten. Dieser Mechanismus ermöglicht wechselnde Tätigkeiten im Stehen und Sitzen.

Sowohl Logistiker als auch Produktionsmitarbeiter, die schwere Pakete von Paletten heben müssen oder sich bei Schweißprozessen über Stunden hinweg in einer Zwangshaltung befinden, profitieren von dem System, wie erfolgreiche Pilottests in der Automobilindustrie gezeigt haben.

Die Forscher präsentieren einen Prototyp des Wearable-Soft-Robotics-Systems vom 1. bis 5. April 2019 auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 17, an Stand C24.

www.fraunhofer.de

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