Exoskelette in der Wissenschaft

Trotz der Automatisierung in der Industrie hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass die physische Arbeitsbelastung für Arbeitnehmende in vielen Industriezweigen nicht abgenommen hat. Zu einer der häufigsten arbeitsbedingten Krankheiten zählt die sogenannte Muskel-Skelett-Erkrankung (MSE). Eine der Ursachen für MSE sind Überkopfarbeiten. (siehe Foto)

Exoskelett Studien

Durch Muskel-Skelett-Erkrankungen kommt es, laut der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA), in Deutschland zu einem jährlichen Produktionsausfall von 17,2 Milliarden Euro. Gleichwohl sieht die Bundesanstalt große Potenziale für industrielle Exoskelette:

Eine zentrale Aufgabe stellt […] die Klassifizierung und Bewertung von mittlerweile marktgängigen passiven Exoskeletten in der Arbeitswelt dar. Ziel muss es sein, den praktischen Einsatz dieser Systeme am Arbeitsplatz zu bewerten. Es müssen Ansätze geschaffen werden, um präventive […] Faktoren zu identifizieren und so eine zuverlässige Bewertung und damit auch Anwendung von Exoskeletten in der Arbeitswelt zu ermöglichen.

Quelle: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

Studien zum Paexo Shoulder

Das Paexo Shoulder unterstützt Mitarbeitende bei anstrengenden Tätigkeiten in der Industrie, insbesondere bei Überkopfarbeiten. Das Exoskelett ist Gegenstand mehrerer Studien, um anhand von simulierten Arbeitsplätzen die Wirksamkeit MSE zu reduzieren wissenschaftlich nachzuweisen.

1. „Principle Study on Objective and Subjective Effects of a Passive Exoskeleton“ (Journal IEEE)

In der Studie werden verschiedene physische, physiologische und psychologische Parameter von 12 Probanden analysiert und verglichen, während sie mit und ohne das Exoskelett Paexo Shoulder Überkopfarbeiten durchführen. Die Bewertungskriterien, anhand dessen das Paexo Shoulder evaluiert wird, messen sowohl die objektiven als auch die subjektiven Auswirkungen auf die Nutzenden.

Die Studie kommt unter anderem zu dem Ergebnis, dass bei der Verwendung des Exoskeletts Paexo Shoulder die Aktivierung des vorderen Deltamuskels um 55 %, der Sauerstoffverbrauch um 33 % und die Herzfrequenz um 19 % signifikant reduziert wird (objektive Bewertungskriterien). Dies deutet darauf hin, dass das Paexo Shoulder die körperliche Belastung und Ermüdung effizient reduziert.

Subjektive Bewertungskriterien waren u.a. die Aufgabenbewältigung und die potenzielle Veränderung der Bewegungsfreiheit des Nutzers beim Tragen des Exoskeletts. Die Studie zeigt, dass sich das Tragen des Paexo Shoulder natürlich und uneingeschränkt anfühlt und weder positive noch negative Auswirkungen auf die reine Arbeitsleistung hat. Die Wissenschaftler:innen bewerten das Paexo Shoulder insgesamt als eine vielversprechende Lösung zur Reduzierung von Muskel-Skelett-Erkrankungen in der Schulter.

Exoskelett Studien
Studie: Journal IEEE
Studie: Journal IEEE – Kurzversion

2. Prinzipstudie zur Wirkung eines industriellen Exoskeletts bei Überkopfarbeiten (Journal Orthopädie Technik)

In der Studie wird das Paexo Shoulder mithilfe von metabolischen und elektromyographischen Parametern einer objektiven Bewertung unterzogen. Unter Laborbedingungen werden Überkopfarbeiten simuliert. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass der metabolische Aufwand des Nutzers und die Belastung der Schulterregion deutlich verringert wird. Insbesondere der Musculus deltoideus und der Musculus biceps brachii weisen eine signifikante Reduktion hinsichtlich der Muskelermüdung beim Tragen des Exoskeletts auf. Auch bei dem Muskelermüdungswert des Musculus trapezius zeigt die Studie eine Reduzierung auf, jedoch fällt diese deutlich geringer aus, als bei den anderen beiden Muskelpartien.

Exoskelett Studien
Studie: Journal Orthopädie Technik

3. “Assessing the efficiency of exoskeletons in physical strain reduction by biomechanical simulation with AnyBody Modeling System” (Cambridge University Press)

In der Studie wird mit Hilfe einer Computersimulation das Paexo Shoulder evaluiert. Die hochentwickelte biomechanische Simulationssoftware AnyBody Technology berechnet die Auswirkung von biomechanischen Effekten auf das Muskel-Skelett-System des menschlichen Körpers, beim Tragen des Exoskeletts und ohne das Tragen des Exoskeletts. Im Fokus der Studie stehen insbesondere drei biomechanische Effekte: die Muskelaktivitäten, der Druck auf die Gelenke im Schulter- und Armbereich und der Kompressionsdruck im Lendenwirbelsäulenbereich.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass beim Tragen des Paexo Shoulders die Muskelaktivitäten und die Gelenkreaktionskräfte deutlich verringert werden. Bei den Aktivitäten des Deltamuskels und den Kräften auf das Glenohumeralgelenk (Schultergelenk) kommt es beispielsweise zu einer Reduzierung  zwischen 54 % und 87 %.

Die Ergebnisse der Simulation werden anschließend mit Studienergebnissen von einem Laborexperiment, bei dem das Paexo Shoulder ebenfalls Gegenstand der Forschung war, verglichen (Ergebnisse des Laborexperiments der Studie aus dem Journal IEEE – siehe 1. “Principle Study on Objective and Subjective Effects of a Passive Exoskeleton”).

Studie: Cambridge University Press

4. Exoskelette in Produktion und Logistik – Grundlagen, Morphologie und Vorgehensweise zu Implementierung (Fraunhofer Austria)

In dem Whitepaper von Fraunhofer Austria „Exoskelette in Produktion und Logistik – Grundlagen, Morphologie und Vorgehensweise zu Implementierung“ wird unter anderem das Exoskelett Paexo Shoulder von drei Betrieben auf Gebrauchstauglichkeit in verschiedenen Anwendungsbereichen getestet. Das Paexo Shoulder  unterstützt bei der Ausführung von verschiedenen Aufgaben: Deckenmontage, Wandverputzen, Markierungs- & Lackierungsarbeiten und Ein- & Auslagerungstätigkeiten in einem Kleinteillager.
Insbesondere bei der Benutzerfreundlichkeit erhält das Paexo Shoulder eine sehr gute Bewertung: Bei der Aussage „Ich empfinde das Exoskelett, als einfach zu nutzen.“ erhielt das Paexo Shoulder eine Gesamtbewertung von 3,60 von 4,00 höchstmöglichen Punkten.

Exoskelett Studien
Whitepaper: Fraunhofer Austria

Wenn Sie mehr über die Technologie des Paexo Shoulders erfahren wollen oder darüber wie Sie bzw. Ihre Mitarbeitenden das Exoskelette testen können, dann erhalten Sie alle weiteren Informationen hier:

Paexo Shoulder

Studien zum Paexo Back

Das Paexo Back unterstützt Arbeitnehmer:innen insbesondere in der Logistikbranche bei klassischen Kommissioniertätigkeiten oder beispielsweise beim Be- und Entladen eines LKWs. Das Exoskelett entlastet den unteren Rücken bei Hebe- und Tragetätigkeiten. Auch dieses Exoskelett ist Gegenstand der Forschung.

1. The Future of Injury Prevention in Logistics

In dem Whitepaper wird mit der Simulationssoftware AnyBody das Paexo Back und seine Wirksamkeit untersucht. Die simulierte Aufgabe bestand darin, dass Tester eine ca. 10 kg schwere Box mehrmals vom Boden auf einen Tisch hoben und diese wieder zurück auf den Boden stellten. Dabei wurden die wirkenden Kräfte auf die Lendenwirbelsäule des menschlichen Körpers, beim Tragen des Exoskeletts und ohne das Tragen des Exoskeletts, berechnet.

Die Ergebnisse zeigten, dass beim Tragen des Paexo Back eine deutliche Entlastung des Rückens entsteht. So konnte der Kompressionsdruck in dem Lendenwirbelsäulenbereich L4/L5 von 2900 N ohne Tragen des Exoskeletts auf 2293 N beim Tragen des Exoskeletts reduziert werden.

Whitepaper

Analyse von Exoskeletten

Die scalefit.-Methode ist eine Möglichkeit, die Wirkung von Exoskeletten auf den Körper zu analysieren. Das folgende Video zeigt die Analyse des Paexo Backs bei einer typischen Aufgabe in der Logistik, dem Umpalettieren. Es wird sowohl die Stärke der Rumpfneigung einer Person, als auch die daraus resultierenden Wirkung auf die Lendenwirbelsäule beim Tragen des Paexo Backs bzw. ohne das Tragen des Exoskelett gezeigt.

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Paexo Back

Forschung an Exoskeletten

Ausgewählte Wissenschaftler:innen, die zu industriellen Exoskeletten forschen

Standards bei Exoskeletten

Der Einsatz von Exoskeletten in der Industrie befindet sich in einem dynamischen Wachstum. Ein wichtiger Faktor für die flächendeckende Nutzung von Exoskeletten in Arbeitsumfeldern sind allgemeingültige Standards.
Normen und Standards stellen Expertenwissen in Form von Regeln und Richtlinien dar, die schriftlich festgehalten werden und somit leicht von anderen weitergegeben werden können. Da sie zudem für jeden zugänglich sind, helfen sie den Menschen auf der ganzen Welt, sich besser zu verstehen, schneller zu reagieren und entsprechend zu handeln. Standards umfassen nicht nur das gesammelte Wissen führender Marktspezialisten, sondern sind auch mächtige Werkzeuge, die Innovation und Wettbewerbsfähigkeit fördern, interne Prozesse einfacher und Produkte sicherer machen und die Produktivität nachhaltig steigern.
Aktuell arbeiten und forschen folgende Institute daran Standards zu formulieren, die Qualität, Sicherheit, Leistung & Ergonomie von Exoskelette bzw. assistiver Systeme definieren und vereinheitlichen:
Die genannten Gremien suchen Expert:innen aus allen Branchen, die daran interessiert sind, die Weiterentwicklung von Exoskelett-Standards voranzutreiben und die Produktivität nachhaltig zu steigern.