Exoskelette

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Exoskelett "Ekso"

Exoskelette (altgriechisch exo ‚außen‘ und skeletós ‚ausgetrockneter Körper‘, ‚Mumie‘) sind Hüllen, die Teile oder den ganzen menschlichen Körper bedecken und ihn aktiv oder passiv in seinem Bewegungsablauf unterstützen. Dabei werden sie wie eine zweite Haut an dem Menschen fixiert und unterstützen ihn ergonomisch. Bei einigen Tierarten sind auch natürliche Exoskelette anzutreffen, wie beispielsweise der Außenpanzer einer Schildkröte. Dieser Artikel bezieht sich allerdings nur auf maschinelle, für Menschen angefertigte Exoskelette.


Arten und Ausprägungen

Für die Beschreibung verschiedener Exoskelette sind mehrere Einteilungen möglich. Unterschieden werden kann demnach zwischen dem Unterstützungsgrad, aktiver und passiver Ausführungen oder der Bauweise in Voll- und Teil-Exoskelette.

Wirkmechanismus

  • Passiv

Von passiven Exoskeletten spricht man bei einer Unterstützung des natürlichen Skelettes des Menschen, um schwere Lasten gelenkschonend heben zu können. Demnach ist das primäre Ziel eine Entlastung des menschlichen Körpers zur Vorbeugung gesundheitlicher Folgeschäden. Auch die Körperhaltung wird durch den Mechanismus korrigiert um empfindsame Körperteile wie die Wirbelsäule vor Schäden durch eine fehlerhafte Belastung zu schützen. Denn oftmals sind Langzeitschäden nicht nur die Folge von zu schwerer Belastung, sondern vor allem durch eine falsche Belastung. Passive Exoskelette besitzen keinerlei Aktoren zur Unterstützung der Bewegungsabläufe des Trägers, sondern sind maximal mit Stoßdämpfern, Zug- oder Druckfedern zur Minderung von Kraftspitzen ausgestattet.

  • Aktiv

Aktive Exoskelette unterstützen nicht nur die Bewegungen des Menschen, sondern sind in der Lage aktiv Bewegungsabläufe und -muster zu erstellen. Dabei handelt es sich im Moment zu großen Teilen noch um Forschungsansätze. Obwohl unklar ist, wie weit militärische Forschungsprojekte in diesem Feld fortgeschritten sind, aus Geheimhaltungsgründen, so sind die freie Wirtschaft und Institute seit 2010 mit der Entwicklung solcher Konzepte beschäftigt. Diese könnten vor allem für den Einsatz bei körperlich geschädigten und beeinträchtigten Personen interessant werden. Bei einer erfolgreichen Entwicklung wäre es so möglich beispielsweise querschnittsgelähmten Personen das Laufen wieder zu ermöglichen. Für den tatsächlichen Gebrauch liegen allerdings bislang noch keine ausgereiften Konzepte hierzu vor. Beispielsweise die Steuerungen erster Prototypen sind noch nicht ausgereift und erfolgen noch manuell per Joystick oder einer vergleichbaren Bedieneinheit.

  • Semi-Aktiv

Semi-aktive Exoskelette sind im Grunde genommen passive Systeme, die durch den Bewegungsimpuls des Trägers gesteuert werden und zur einfachen Unterstützung mit Aktoren an den Gelenken ausgestattet sind. Dabei muss der Wunsch des Trägers von seiner eigenen Motorik ausgehen. Eine erhöhte Ausdauer und Belastbarkeit der Muskulatur ergibt sich als ein Vorteil dieser Roboter. Zum Bespiel, wenn der Träger den Arm hebt erkennt die Sensorik dies und unterstützt den Vorgang durch etwa die Zuschaltung eines Servomotors an dem Gelenk.

Bauweise

  • Exoskelette für bestimmte Körperpartien

Teil-Exoskelette unterstützen nur bestimmte Körperpartien wie den Rücken, die Beine oder die Arme. Dies ist vorteilhaft etwa bei Überkopf-Arbeiten oder anderen Tätigkeiten, die lediglich einzelne Bereiche des Körpers belasten. Das ist zum einen aus Kostengründen sinnvoll, zum anderen ist es nicht zweckgemäß, die Muskulatur dadurch zu schwächen, indem sie unterstützt wird, wenn sie eigentlich keiner Hilfe bedarf und dadurch abbauen kann. Drei Ausrichtungen können dabei eine Verlängerung der Ausdauer bei Stehtätigkeiten, eine Entlastung des Rückens bei Lastenmanipulation sowie statische Tätigkeiten über Kopf sein. Eine Gemeinsamkeit aller Tätigkeiten für diese Lösung ist eine gewisse Monotonie der Aufgaben und Bewegungen, die die Entlastung lediglich bestimmter Partien nötig macht.

  • Exoskelette für den gesamten Körper

Bei Voll-Exoskeletten wird der gesamte Körper unterstützt. Diese Bauweise ist eher bei wechselnder Belastung und flexiblen Aufgabenfeldern sinnvoll. In der Wirtschaft und Medizin ist das Potenzial stark beschränkt, da es wirtschaftlichere Konzepte gibt. Der vorrangige Einsatz solcher Systeme findet sich im militärischen Bereich. Doch auch dort ist der praktische Einsatz noch nirgends zu finden. Es gibt mehrere Regierungen, die an Projekten von solchen Exoskeletten forschen, allerdings ist die Informationsfreudigkeit gegenüber der Öffentlichkeit sehr verhalten. Ein weiterer experimenteller Ansatz sieht solche Systeme die zum Muskeltraining von Astronauten im Weltall benutzt werden. Dabei werden die Bewegungen nicht unterstützt, sondern die Aktoren arbeiten dagegen. Da aufgrund der fehlenden Schwerkraft Muskelschwund ein großes Problem für die körperliche Gesundheit darstellt, können durch diese Lösung die Muskeln beansprucht werden.

Einsatzgebiete

Industrieller Einsatz

Exoskelett der Firma Ottobock für Über-Kopf-Arbeiten

Obwohl in ersten Feldversuchen zum Einsatz von Exoskeletten in der Industrie positive Rückschlüsse getroffen werden konnten, stehen der serienmäßigen Einführung noch einige offene Fragestellungen im Wege bezüglich Serientauglichkeit, Ergonomie und auch versicherungstechnische Fragen. Den Zahlen des Autoherstellers Audi zufolge sind gesundheitliche Schäden mit 43 % falscher Körperhaltung geschuldet und rund 80 % der langfristig Beschäftigten klagen im Alter über Probleme im Rücken. Zur Reduktion dessen im Sinne des Arbeitsschutzes sind Exoskelette an den Stellen sinnvoll, an denen herkömmliche Mittel, wie Deckenkräne oder Roboter, aus baulichen Gründen, der Erreichbarkeit des Arbeitsplatzes oder Arbeitsspezifikationen nicht zum Einsatz kommen können. Als Reaktion darauf, liegt es im Bestreben der Industrie ihre Arbeiter zu entlasten. Zumal sie es sich durch den Fachkräftemangel und der alternden Belegschaft wirtschaftlich nicht mehr erlauben kann, dass Angestellte durch mangelhaften Arbeitsschutz erkranken.

Besonders interessant ist der Einsatz an nicht stationären Arbeitsplätzen, an denen keine anderen technischen Hilfsmittel zum Einsatz kommen können, beispielsweise in der Auslieferung und Logistik. Das bislang größte, langfristige Pilotprojekt in Europa zum Einsatz in der Industrie fand bei Volkswagen statt. 30 Mitarbeiter wurden dort im Sommer 2018 mit semi-aktiven Exoskeletten ausgestattet, hauptsächlich bei der Über-Kopf-Arbeit zur Entlastung der Arme und Schultern. Die verwendeten Modelle stellte die Firma Ottobock her, die Apparaturen im medizinischem Bereich herstellt.

Medizinischer Einsatz

In der Medizin ist der Einsatz von Exoskeletten schon länger verbreitet. Dabei handelt es sich meist um so genannte Orthesen, passive Exoskelette, die zur Stabilisierung von gebrechlichen Menschen genutzt werden. Für den Einsatz bei querschnittsgelähmten Patienten sind 4 aktive Exoskelette entwickelt worden. Diese bieten den Vorteil gegenüber anderen Hilfsmitteln, wie Rollstühlen, dass die Patienten nicht mehr auf barrierefreie Umgebungen angewiesen sind. Auch die psychologischen und physischen Vorteile eines aufrechten Ganges sind für das Wohlbefinden und die Gesundheit der Beeinträchtigten hilfreich.

  • Rex

Das Exoskelett Rex der Firma RexBionics ist mit 40 kg Eigengewicht ein sehr massiv gebautes Modell. Der Träger wird dabei an den Unter- und Oberschenkeln am Skelett fixiert und steuert das System über einen Joystick. Mit 10 Elektromotoren können Menschen von bis zu 100 kg 2 Stunden lang umher laufen. Das Konzept aus Neuseeland kann sich mit 3 Metern pro Minute fortbewegen und ist damit weder besonders schnell, noch für lange Strecken geeignet. Dadurch, dass das Modell keine Rückenstütze besitzt, können lediglich Paraplegiker den Rex benutzen, da eine funktionsfähige Rückenmuskulatur vorhanden sein muss.

  • Ekso

Das Modell Ekso der Firma Ekso Bionics ermöglicht es komplett und inkomplett Querschnittsgelähmten Patienten wieder zu laufen. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass es auch Teraplegiker (Menschen mit einer Lähmung aller vier Gliedmaßen) die Benutzung ermöglicht. Patienten, die noch eine Restmuskulatur besitzen, können diese durch entsprechende Einstellung des Gerätes auch noch mit Beanspruchen und somit fördern. Mit einer Akku-Laufzeit von 3,5 Stunden und einer leichten Bauweise sind dem Träger auch längere Strecken zumutbar.

  • Re-Walk

Die Leichtbauvariante Re-Walk Personal 6.0 ist für die Steuerung der menschlichen Körperhaltung beim Gehen nachempfunden. So bewegt sich das Exoskelett vorwärts bei einer Verlagerung des Gleichgewichtes des Körpers nach vorne und rückwärts bei einer Verlagerung nach hinten. Mit einer Geschwindigkeit von 42 Metern pro Minute ist das System im Vergleich zu den anderen wesentlich schneller. Die Akku-Laufzeit beträgt laut Hersteller 4 Stunden.

  • HAL

Das HAL (Hybrid Assistive Limb) ist mit seiner impuls-gesteuerten Bewegung sehr innovativ. Der Bewegungswunsch wird von implantierten Schnittstellen mit dem Nervensystem erfasst und mechanisch umgesetzt. Dazu ist allerdings zunächst ein operativer Eingriff nötig und die Voraussetzung, dass der Patient zuvor in der Lage war zu gehen. Für Patienten, die von Geburt an querschnittsgelähmt sind, ist das Erlernen der Anregung der entsprechenden Gehirnregionen sehr kompliziert und bislang noch weitgehend unerprobt. Mit einer Akkulaufzeit von 1-2 Stunden ist der Anzug auch noch nicht ausgereift und bedarf Verbesserungen.

Militärischer Einsatz

Militärisches Exoskelett der Firma Lockheed Martin

Der militärisch Einsatz von Exoskeletten ist schon lange Bestandteil der Science-Fiction und durch Filme wie "Iron Man" berühmt geworden. Wie in anderen Bereichen auch wird zu Zeit an der Umsetzung aus der Fiktion in die Realität gearbeitet. Die US-Armee entwickelt zusammen mit dem Rüstungskonzern Lockheed Martin ein Exoskelett Namens Talos (Tactical Assault Light Operator Suit ), das den gesamten Körper unterstützt und gleichzeitig als Panzerung für den Soldaten dient. Soldaten sollen dadurch schneller, stärker und ausdauernder werden als zuvor und auch Zielassistenzsysteme zum präziseren Schießen sind denkbar. Auch das russische Militär hat bereits in Kooperation mit dem Militärausstatter ZNiiTochMash ein Exoskelett vorgestellt. Einzelheiten und Details sind aus Geheimhaltungsgründen noch nicht bekannt, allerdings sind sich Sicherheitsexperten sicher, dass diese Errungenschaften militärische Einsätze in der Zukunft von Grund auf verändern werden.


Sicherheitsaspekte

Die sicherheitsspezifische Einordung von Exoskeletten in die entsprechenden Normen steht auf auf europäischer Ebene zur Zeit noch zur Debatte. Das liegt daran, dass der Einsatz erst seit 2017 eine Relevanz besitzt, die eine Einordung notwendig macht. Eine denkbare Möglichkeit wäre eine Zuordnung als technisches Hilfsmittel zur RL 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie). Dort werden in Anhang 1 Schutzziele zur Vermeidung von Gefährdungen festgeschrieben. Diese Richtlinie wird in der 9. Verordnung des Produktsicherheitsgesetz in Deutschland in nationales Recht übertragen. Zur Rehabilitation in den Beruf nach Unfällen könnte die Europa-Richtlinie 93/42/EWG für Medizinprodukte bzw. das Medizinproduktegesetz (MPG) zum Greifen kommen. Ebenfalls denkbar wäre eine Zuordnung zur PSA-Richtlinie 89/686/EWG (Persönliche Schutzausrüstung), da Exoskelette der Gesundheitsvorsorge dienen, wie auch zum Beispiel ein automatischer Schweiß-Helm der ebenfalls in dieser Richtlinie beschrieben ist.

Das Verletzungsrisiko durch eine falsche Bedienung oder eine Fehlfunktion der Steuerung bei aktiven Exoskeletten gilt es von Seite des Herstellers zu minimieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die vom System angewendete Kraft für die effektiv zu hebende Last auf die Muskulatur des individuellen Benutzer angepasst wird. Das ist erforderlich, um eine Strapazierung zu vermeiden und dem Träger ein natürliches Arbeitsgefühl zu ermöglichen, bei dem er die Kräfte des Exoskelettes einschätzen kann. Auch der Gefahr von Stürzen muss realistisch vorgebeugt werden.

Nachweise


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