Das Ziel des Forschungsprojekts Exo4LogiProd ist die Identifizierung, Entwicklung und Anpassung von verfügbaren Exoskeletten an die Anforderungen von ergonomisch anspruchsvollen Arbeitsplätzen in KMUs. So können bei Mitarbeitenden frühzeitig Belastungen und Verletzungen vermieden und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit bis ins Alter erhalten werden. Dazu werden verschiedene Arbeitsplätze von KMUs analysiert und die körperlich „schwersten“ Tätigkeiten ausgewählt um diese weiter zu untersuchen. Danach folgen eine detailgetreue Modellierung und Simulation der Arbeitsplätze.
Mit Hilfe digitaler Analysewerkzeuge werden Handlungsempfehlungen generiert. Diese zeigen auf, welche Exoskelette für den Einsatz in Frage kommen und welche Erweiterungen oder Anpassungen vorgenommen werden müssen – sowohl auf Seiten des Exoskeletts, als auch des Arbeitsplatzes. Auf Basis der Simulationsergebnisse und der Handlungsempfehlungen werden die physischen Exoskelette an die ermittelten Arbeitsplatzbedingungen angepasst. Diese werden an nachempfundenen Arbeitsplätzen bzw. Demonstratoren innerhalb der Forschungseinrichtungen in entsprechenden Anwendungsszenarien erprobt, validiert und im Bedarfsfall weiter angepasst.
Wesentliche Projektinhalte und Ergebnisse des Teilprojekts der Hochschule Reutlingen
Das Teilprojekt der Hochschule Reutlingen fokussiert sich insbesondere auf folgende Aktivitäten:
- Durchführung von Ergonomieanalysen bei den Industriepartnern
- Digitale Abbildung der Exoskelett-Arbeitsplätze
- Erforschung der Arbeitssystemgestaltung von Arbeitsplätzen mit Exoskeletteinsatz
- Durchführung von Demonstrations-, Test- und Validierungsaufgaben im Werk150
Zu Beginn des Projektes wurden Ergonomieanalysen unter Nutzung verschiedener Analysemethoden (z.B. Leitmerkmalmethode, EAWS, NIOSH) durchgeführt. Untersucht wurden körperlich belastende Arbeitsplätze bei den Industriepartnern Eisenbau Heilbronn GmbH (Behälter- und Apparatebau, z.B. für Kläranlagen) und TMP Fenster + Türen GmbH (Hersteller von Fenster, Türen und Wintergärten), um die Ausgangssituation für einen potentiellen Einsatz von Exoskeletten zu erfassen. Dort zeigte sich insbesondere eine hohe körperliche Belastung bei dem Heben-, Halten- und Tragen von schweren Lasten > 10 kg, für welche der Einsatz eines Exoskeletts das Potential zur Verringerung der körperlichen Belastung und Verbesserung der Ergonomie bietet.
Basierend auf den analysierten industriellen Arbeitsplätzen wurden physische Demonstratoren im Werk150 sowie ein digitaler Demonstrator für Untersuchungen mit einem digitalen Menschmodell entwickelt und umgesetzt. Die Untersuchungen am digitalen Arbeitsplatz wurden mit einem Schwerpunkt auf den Prozessen des Hebens, Haltens und Tragens durchgeführt.
Bei der Demonstratoranwendung werden Steinplatten mit einem Gewicht von 20 kg von einer Palette entnommen und auf einen höhenverstellbaren Arbeitstisch gelegt. Anschließend werden diese Platten auf ein Förderband gelegt. Auf diese Weise wurde eine (generische) Prozesskette von Hebe-, Halte- und Tragevorgängen modelliert, die für zahlreiche Branchen (Industriemontage, Bauwesen usw.) von Bedeutung ist und die Möglichkeiten und Grenzen von Exoskeletten zur Unterstützung manueller Handhabungsprozesse schwerer Güter verdeutlicht.
Die Experimente wurden mit verschiedenen digitalen Menschmodellen durchgeführt, welche verschiedene Körpertypen repräsentieren. Die digitalen Ergonomienanalysen wurden mit dem Rapid Upper Limb Assessment (RULA) auf Basis des oben beschriebenen, entwickelten branchenunabhängigen Anwendungsszenarios durchgeführt, welches einen Mitarbeiter mit und ohne Exoskelett betrachtete. Die Ergebnisse der RULA-Analyse des digitalen Arbeitssystems führten zu einer Empfehlung, das Arbeitssystem bzw. die Körperhaltungen und Arbeitsabläufe des Menschmodells für die Arbeit ohne Exoskelett zu verändern, da eine ergonomische Überbeanspruchung zahlreicher Körperregionen aufgrund der zu bewältigenden schweren Lasten festgestellt wurde.
Um die Potentialabschätzung und Nutzung von Exoskelett-Technologien für KMUs zu erleichtern sowie den Prozess zur Exoskelettauswahl und Arbeitssystemgestaltung zu systematisieren wurde eine Methode zur Gestaltung von Arbeitssystemen entwickelt, die Kriterien und Merkmale für die Gestaltung von Arbeitssystemen enthält. Wichtig für den industriellen Einsatz von Exoskeletten ist dabei auch, dass Exoskelette dem STOP-Prinzip (ArbSchG § 4, Substitution, Technische Schutzmaßnahmen, Organisatorische Schutzmaßnahmen, Persönliche Schutzmaßnahmen) folgend nachrangig zu allen anderen gefahrenreduzierenden Maßnahmen in Betracht zu ziehen sind.
Anhand verschiedener Experimente mit dem physischen Demonstrator wurde die Praxistauglichkeit der entwickelten Ansätze und Methoden untersucht. Die Experimente wurden mit Fachleuten, aber auch mit Teilnehmern von Aus- und Weiterbildungsveranstaltungen durchgeführt. Basierend auf einem Leitfaden zur Auswahl von Exoskeletten und einer "Exoskelett-integrierten Methodik zur ganzheitlichen Arbeitsgestaltung" wurden im Werk150 die Gestaltung und der Aufbau eines Demonstrators sowie Ergonomieanalysen für Hebe-, Halte- und Tragevorgänge mit schweren Lasten (>10 kg) durchgeführt. Die vergleichenden Tests mit und ohne Exoskelett am physischen Demonstrator im Werk150 zeigten, dass durch den Einsatz des Exoskeletts eine ergonomische Überlastung der Rückenmuskulatur beim Heben und Absetzen der Last (20 kg) vermieden wird, die ohne Exoskelett auftritt. Darauf aufbauend wurden im Werk150 Anwendertests mit Industrieteilnehmern und Studierenden durchgeführt, die ein aktives und passives Exoskelett trugen. Die Teilnehmer wurden mittels eines Online-Fragebogens direkt nach dem Testen der Exoskelette am Demonstrator zu der von ihnen empfundenen Unterstützung bzw. dem Unbehagen durch das Exoskelett an verschiedenen Körperstellen, zu Usability-Aspekten nach DIN EN ISO 9241-11 beim An- und Ablegen des Exoskeletts sowie bei der Prozessausführung am Demonstrator befragt. Darüber hinaus wurden notwendige Optimierungen der Arbeitsplätze, Handlungsempfehlungen für die Konfiguration und Weiterentwicklung des Exoskeletts ermittelt.
Die Befragungen zeigten, dass die Teilnehmer insbesondere mit dem aktiven Exoskelett (CrayX) eine deutliche Entlastung im unteren Rücken, in den Oberschenkeln und im Gesäß verspürten.
TMP Fenster und Türen GmbH: TMP produziert seit 1990 Fenster, Türen und Wintergärten aus Kunststoff und Aluminium. Jedes Fenster, jede Tür wird individuell nach Kundenwunsch angefertigt.
Eisenbau Heilbronn GmbH: Die Firma Eisenbau Heilbronn GmbH wurde im Jahr 1930 gegründet und ist seitdem im Behälter- und Apparatebau tätig.
German Bionic System GmbH (GBS): GBS ist ein 2017 von Dr. Peter Heiligensetzer gegründetes, in Deutschland ansässiges Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und den Vertrieb von modernen Exoskeletten spezialisiert hat.
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO: Fraunhofer IAO beschäftigt sich mit Fragen rund um den arbeitenden Menschen. Untersucht werden dabei u.a. ganzheitliche Konzepte für Arbeits- und Organisationsgestaltung und die zukunftsweisende Interaktion von Mensch und Technik.
