Robo-Mate: Mehr Muskelkraft zum Heben schwerer Lasten
Ungeachtet der zunehmenden Automatisierung in der europäischen Industrie umfassen zahlreiche Aufgaben nach wie vor eine manuelle Bewältigung von Aufgaben. Hiermit gehen beträchtliche Kosten einher, die mit der Gesundheit der Arbeitskräfte verbunden sind. Alleine in Europa leiden 44 Millionen Arbeitnehmer unter berufsbedingten Muskel-Skelett-Erkrankungen (Musculoskeletal Disorders, MSDs). Dies wirkt sich nicht nur auf das alltägliche Leben von Arbeitnehmern aus und verkürzt deren Berufslaufbahn, sondern kostet Europa zudem 3 % seines BIP. Wenn man dieses Problem an einen Macher von Hollywood-Blockbustern weitergäbe, würde er vermutlich sagen, dass die Antwort glasklar auf der Hand liegt: Wenn Arbeitskräfte immer schwerer werdende Objekte mit weniger Aufwand befördern sollen, ist ein Exoskelett erforderlich. So sciencefictionartig sich dies auch anhören mag, haben sich 12 europäische Forschungsorganisationen tatsächlich dieser Idee gewidmet. Diese Organisationen – darunter die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, die IIT, das Fraunhofer-Institut und Ropardo – riefen das Projekt ROBO-MATE (Intelligent exoskeleton based on human-robot interaction for manipulation of heavy goods in Europe’s factories of the future) mit einem Ziel vor Augen ins Leben: die Schaffung eines intelligenten, einfach zu steuernden, tragbaren Exoskeletts für die Erledigung manueller Arbeiten. „Wir hatten lange Gespräche mit Endnutzern und interne Brainstorming-Sitzungen, die uns dabei behilflich waren, verschiedene Konzepte zu entwerfen und andere zu verwerfen“, erklärt Dr. Konrad Stadler, Koordinator des Projekts für die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. „Wir haben uns letztlich für das Konzept entschieden, das am besten zu den Anforderungen der Endnutzer passt und gleichzeitig innerhalb von drei Jahren erreicht werden kann: ein modulares, leichtes Exoskelett für die Handhabung von Gütern bis zu 15 kg.“ Ein Schritt nach vorne Das wichtigste Wort an dieser Stelle heißt „modular“. Im Gegensatz zu anderen industriellen Exoskelettkonzepten besteht das Robo-Mate-System aus vier unterschiedlichen Modulen, die entweder miteinander kombiniert oder als unterstützende Stand-Alone-Technologie genutzt werden können. Dies schließt ein Torsomodul ein, bei dem an der Hüfte und Oberkörper von Arbeitern eine unterstützende Kraft zum Einsatz kommt – hierdurch werden die Kompressionskräfte im unteren Rücken um bis zu 25 % reduziert; ein Passivarmmodul ermöglicht ein konstantes Anheben der Arme von Arbeitskräften, um mit Dauerbelastungen fertig zu werden; ein Aktivarmmodul ermöglicht ein variables Anheben für Greif- und Ablegeaufgaben; ein Mensch-Maschine-Schnittstellenmodul (Human-Machine Interface, HMI) unterstützt Arbeitskräfte im Umgang mit dem Exoskelett oder über die Anzeige von Montageanweisungen. „Robo-Mate weist zwei einzigartige Aspekte auf: Ein Aspekt ist die Konstruktion des Passivarmmoduls. Im Gegensatz zu anderen Passivarmen wird ein dauerhaftes Anheben ermöglicht, unabhängig davon, wo sich die Hände befinden und ohne dass schwere Motoren und Batterien erforderlich wären. Der zweite Aspekt ist unser modulares Konzept: Wir haben festgestellt, dass es keinen Einheitsansatz für das Problem der Handhabung schwerer Objekte gibt. Indem wir unterschiedliche Module bereitstellen, bieten wir der Industrie die Möglichkeit, ein Modul oder eine Kombination aus Modulen auszuwählen, die für eine bestimmte Aufgabe am besten geeignet sind“, erklärt Dr. Stadler. Der Weg dahin war steinig. Bei Beginn des ROBO-MATE-Projekts gab es bereits weitere Exoskelettprojekte, die bereits vier oder fünf Jahre lang liefen und das Team hatte nur drei Jahre, um diese zu übertreffen. „Das andere Problem war und ist nach wie vor das Gewicht“, sagt Dr. Stadler. „Um ein benutzerfreundliches Exoskelett zu erreichen, muss dieses ein leichtes Gewicht aufweisen. Die aktuelle Antriebstechnik, die den Anforderungen hinsichtlich Bewegungsgeschwindigkeit und Drehmomentstütze entspricht, resultiert in zu schweren und zu sperrigen Systemen. Dies war eine sehr große Herausforderung, die wir mit einem Parallelogrammdesign für die Aktiv- und Passivarmmodule überwanden.“ Interesse seitens des Industriesektors Nach dem Interesse der Medien und der Industrie zu urteilen, lässt sich zweifelsohne sagen, dass das Konsortium über ein Erfolgsrezept verfügt. Das Oberkörpermodul und die Passiv- und Aktivarme sind allesamt umfassend am Centro Ricerche Fiat, bei COMPA und bei INDRA getestet worden und die abschließende Prototypendemonstration, die im August 2016 in Hermannstadt, Rumänien, stattfand, erregte das Interesse von Vertretern von mehr als einem Dutzend Unternehmen. Insgesamt haben bereits mehr als 70 Unternehmen das Konsortium kontaktiert, um ihr Interesse zu bekunden und drei Unternehmen sind in Verhandlungen mit einem Projektpartner bezüglich der Leihe von Modulen zu Testzwecken. „Die in unseren Laboren durchgeführten Tests waren uns dabei behilflich, die Muskelaktivität sowie die wahrgenommene Anstrengung mit und ohne das Exoskelett zu messen“, sagt Dr. Stadler. „Arbeiter testeten die Module ebenfalls in Produktionsumgebungen und wir haben die Zykluszeiten spezifischer Aufgaben sowie die wahrgenommene Anstrengung/Nützlichkeit gemessen.“ Die Ergebnisse dieser Tests zeigen, dass die Module Arbeitskräfte tatsächlich vor Verletzungen schützen können, während die Effizienz verbessert wird. Weitere Schritte: von Industrietests zur Vermarktung Mit Ablauf des Projekts Ende November 2016 fokussieren sich die Schlüsselpartner jetzt auf die Vermarktung der Technologie. Vier der Partner haben sich mit einem Exoskeletthersteller zusammengeschlossen und einen Antrag unter dem Programm „Der schnelle Weg zur Innovation“ (Fast Track to Innovation, FTI) der Horizont-2020-Initiative eingereicht, um das Oberkörpermodul auf den Markt zu bringen, während sich sechs Unternehmen aus dem Automobil-, Bau- und Fertigungssektor an weiteren Tests beteiligen. In der Zwischenzeit suchen zwei andere Partner nach Möglichkeiten für die Beantragung weiterer europäischer Unterstützung. „Wir planen ebenfalls ein Start-up-Unternehmen“, sagt Dr. Stadler. „Alles in allem denken wir, dass das Passivarmmodul innerhalb eines Jahres, das Aktivarmmodul in 2-3 Jahren und das Oberkörpermodul in 3-4 Jahren kommerzialisiert werden kann. Dies hängt jedoch in starkem Maße davon ab, ob wir mit unseren Anträgen für Folgeprojekte und diesem Start-up-Unternehmen erfolgreich sind.“
Schlüsselbegriffe
ROBO-MATE, MSD, Muskel-Skelett-Erkrankungen, Exoskelett, Modul, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Passivarme, Prototyp
