Exoskelette – Hilfreichen Rüstungen in der Logistik 4.0

Was sind Exoskelette?

Exoskelette sind am Körper getragene, mechanische Stützstrukturen zur Unterstützung bestimmter Arbeitstätigkeiten bzw. zur Entlastung spezifischer Körperregionen.

 

Wie funktioniert die Exoskelett-Technologie? 

Exoskelette unterstützen bestimmte Bewegungsabläufe, z.B. das Heben und Absenken von Lasten, oder statische Tätigkeiten wie das Arbeiten über Schulterniveau. Aktive Exoskelette erfassen die Bewegungen der Nutzenden mithilfe von Sensoren und setzen sie als Steuersignale für elektrische oder pneumatische Antriebe um. Passive Exoskelette wirken rein mechanisch und sind damit (gewichtstechnisch) viel leichter zu tragen. Sie verfügen meist über Gasdruckfedern oder Elastomere, die bei bestimmten Bewegungen Energie aufnehmen und sie während der Gegenbewegung wieder an den Nutzenden abgeben.

Einige Exoskelette zur Entlastung des unteren Rückens sollen eine gesunde Körperhaltung bei Hebevorgängen fördern. Dies erforschen wir aktuell mit Hilfe von Motion Capturing.

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Wie können Exoskelette Menschen in der Logistik unterstützten? Welche Probleme sollen dabei gelöst werden?

Im Gegensatz zum produzierenden Gewerbe ist bspw. die KEP-Branche von einem sehr heterogenen Artikel-spektrum geprägt. Jede Warensendung unterscheidet sich in Bezug auf Gewicht, Größe, Stabilität, Schwerpunkt, etc. Das erschwert eine zuverlässige und wirtschaftliche Automatisierung der Handhabungsprozesse. Um die Arbeitskräfte insb. vor Muskelskeletterkrankungen („Volksleiden Rücken“) zu schützen und auch leistungsgewandelten Beschäftigten eine Perspektive zu bieten, können Exoskelette eine Lösungsmöglichkeit bieten. Einen Nachweis für die Wirksamkeit in der Praxis gibt es aber noch nicht.

Vor allem an mobilen Arbeitsplätzen wie der Kommissionierung nach dem Person-zur-Ware-Prinzip kommen immer wieder Situationen vor, in denen keine ergonomischen Arbeitsbedingungen vorherrschen. Bspw. in der untersten Regalebene oder wenn Artikel auf einer Palette abgelegt werden. Darüber hinaus ist es keine Seltenheit, dass hier über die Schicht summiert Lastgewichte von mehreren Tonnen bewegt werden.

Was sind die Potentiale der Exoskelette? Inwieweit können Menschen physisch aber auch mental (in der Logistik) unterstützt werden?

Neben der Gesundheitsprävention, also der Stabilisierung und Entlastung von Gliedmaßen und Rumpf, kann eine physische Entlastung auch dazu führen, dass Beschäftigte bei der Arbeit weniger ermüden und somit über den Tag verteilt konstant leistungsfähig sind. Dies erforschen wir mit Hilfe von Wearables zur Vitaldatenmessung.

Wir überprüfen auch, ob das Tragen eines Exoskeletts die reguläre Aufgabe mental stört z.B. die gefühlte Anstrengung oder Frustration erhöht. Im Idealfall sollte die normale Arbeitstätigkeit unbeeinträchtigt bleiben, auch sollte es zu keiner Reduktion der Leistungsfähigkeit kommen.

Dazu verwenden wir Methoden der Kognitiven Ergonomieund ermitteln u.a. die mentale Arbeitsbelastung, Usability, User Experience und den Tragekomfort mit Hilfe von Fragebögen.

Gibt es neben den Potentialen auch Risiken und Herausforderungen im Einsatz von Exoskeletten?

Da es noch nicht lange marktfähige Exoskelette und damit auch noch keine Langzeitstudien im realen industriellen Einsatz gibt, existieren noch einige Ungewissheiten. Dazu zählen ein möglicher Muskelabbau bei aktiven Exoskeletten oder die erhöhte Belastung des Herz-Kreislaufsystems bei Systemen für die Über-Kopf-Arbeit. Einige passive Exoskelette verteilen die Last im Körper um und das bei zusätzlichem Gewicht. Die Auswirkungen auf die Biomechanik sind noch unbekannt, weshalb es auch noch keine Möglichkeit gibt, Exoskelette in Ergonomie-Bewertungen zu berücksichtigen.

Neben diesen möglichen Risiken, gibt es Herausforderungen im betrieblichen Einsatz. Dazu zählen bspw. der Zeitaufwand beim An- und Ausziehen, Schwitzen, Akzeptanzprobleme oder aber das fehlende Bewusstsein der Mitarbeitenden über die Notwendigkeit von Maßnahmen zur langfristigen Gesundheitssicherung.

Woran wird am IML geforscht?

Als anwendungsnahe Forschungsinstitution interessiert uns, für welche Tätigkeiten und unter welchen Bedingungen eine Anwendung empfohlen werden kann. Wir planen den Aufbau eines Logistik-Parcours, in dem typische Tätigkeiten aus der operativen Logistik nachgestellt werden. Inbegriffen sind sowohl Tätigkeiten, bei denen ein Exoskelett unterstützen kann, als auch solche, bei denen es eher hinderlich sein könnte. Ein Parameter, der in die Betrachtung einfließt, ist das Laufen einer weiten Strecke. Hierzu wurde eine Forschungskooperation mit dem Leibnitz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo) eingegangen. Darüber hinaus interessieren uns noch weitere Dinge:

»Wie beeinflussen die unterschiedlichen Exoskelett-Modelle den Bewegungsablauf?«
Wir vergleichen hier passive und aktive Modelle unter Nutzung des MoCap-Systems Xsens und der Software Industrial Athlete.

»Können sich die Probanden vorstellen, das Exoskelett im Arbeitsalltag zu tragen?«
Wir vergleichen auch hier unterschiedliche Modelle ,bewerten diese unter Verwendung von Fragebögen zur Kognitiven Ergonomie und werten diese mit statistischen Verfahren aus.

»Entlastung oder zusätzliche Last?«
Wir messen Vitalparameter, um objektiv zu beurteilen, ob sich die Probanden mit Exoskelett mehr oder weniger anstrengen müssen.

Wie sieht die Zukunftsversion des Exoskelettes in der Logistik 4.0 aus?

Wenn wir wissen, welche Wirkung ein Exoskelett bei welcher Tätigkeit hat, können wir Konzepte für einen bedarfsgerechten Einsatz entwickeln. Diese beinhalten auch organisatorische Faktoren, wie die Bereitstellung der Hilfsmittel oder die Zeiten zum An- und Ausziehen. In der Logistik 4.0 werden diese Konzepte genutzt, um sowohl Hilfsmittel als auch Aufträge in Abhängigkeit von der körperlichen Verfassung der Beschäftigten zuzuweisen. Dafür wird der Stress in Echtzeit erfasst und analysiert.

Ansprechpartnerinnen rund um das Thema Exoskelett

Semhar Kinne

Contact Press / Media

Dipl.-Ing. Semhar Kinne

Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 2-4
44227 Dortmund

Telefon +49 231 9743-148

Fax +49 231 9743-77148

Veronika Kretschmer

Contact Press / Media

Dr. phil., Dipl.-Psych. Veronika Kretschmer

Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 2-4
44227 Dortmund

Telefon +49 231 9743-289

Fax +49 231/9743 -162

Publikationen zum Thema

Bednorz, N.; Kinne, S.; Kretschmer, V. (2019). Ergonomieunterstützung in der Logistik - Industrieller Einsatz von Exoskeletten an Palettier- und Kommissionierarbeitsplätzen. GfA-Frühjahrskongress, 27.02.-01.03.2019, Dresden, Dortmund: GfA-Press, 2019, ISBN: 978-3-936804-25-6    
Kinne S., Kretschmer V., Bednorz N. (2020) Palletising Support in Intralogistics: The Effect of a Passive Exoskeleton on Workload and Task Difficulty Considering Handling and Comfort. In: Ahram T., Karwowski W., Pickl S., Taiar R. (eds) Human Systems Engineering and Design II. IHSED 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 1026. Springer, Cham Volltext