Superkräfte dank Exoskelett? - Referentin: Verena Kopp dib Tagung 2020 14.11.2020
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Superkräfte dank Exoskelett? Referentin: Verena Kopp dib Tagung 2020 14.11.2020
Ablauf
Vortrag / Workshop
Einführung
Offene Runde
Einführung Exoskelette
Hintergrund und Anwendung industrieller Exoskelette
Videos industrielle Exoskelette
Diskussion in Kleingruppen
von der Biomechanischen Analyse zur Entwicklung und Evaluation von Exoskeletten
Abschlussrunde
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Verena Kopp B.Sc. Bewegung und Gesundheit M.Sc. Biomechanik – Motorik – Bewegungsanalyse Wissenschaftliche Mitarbeiterin Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung Biomechatronische Systeme Angewandte Biomechanik und Arbeitsergonomie
Offene Runde Aus welchem Bereich kommt Ihr? Exoskelette – was kennt Ihr?
Exoskelette aus Hollywood
Zusammenschnitt aus offiziellen Trailern (YouTube, ©Elysium, ©Edge of tomorrow, ©Avatar, ©Iron Man)
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Exoskelette
Anstieg der Forschung in den letzten Jahren ?
Hardim an,
© General Electric
Anzahl der gespeicherten Dokumente in der
Wissensdatenbank Scorpus unter dem
Suchbegriff Exoskelet* zwischen 1960 und
2019 (© www.scorpus.com, Stand:
17.10.2020)
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Exoskelette
Definition
körpergetragenes System,
das den Menschen durch eine äußere („Exo-“),
an die menschliche Anatomie angepasste mechanische Stützstruktur („-skelett“)
unterstützt
© Fraunhofer IPA
Biologie: passiver Schutz, unterstützende Hülle eines Organismus
©https://www.spektrum.de/lexik
on/biologie/krebstiere/37316
© https://www.br.de/wissen/ameisen-insekten-ameisenstaat-100.html
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Einsatzgebiete Exoskelette
EINS ATZGEBIETE
Medizin Militär Arbeits w elt
© Skelex
© ReWalk Robotics, ReWalk
© Mawashi, Uprise https://www.youtube.com/w © German Bionic, CrayX
https://rewalk.com/de/
atch?v=s02MiqkqzUA
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Warum Exoskelette in der Industrie?
Physische Belastung am Arbeitsplatz
Prozentualer Anteil der Arbeitnehm er/innen, die ein arbeitsbedingtes Gesundheitsproblem
m elden, nach Art des Problem s, EU-27, 2013
Muskulo-skelettale Erkrankungen
Herkunft und Ursache von
Stress, Depressionen
Muskel-Skelett-Erkrankungen?
Andere nicht genannte
Kopfschmerzen, Migräne
Kardiovaskuläre Erkrankungen
Lugen Erkrankungen s chw ere körperliche Arbeit
Haltung, Las t, Repetition
Bauch, Leber, Niere
Hauterkrankungen
Hörkrankheiten
Infektionskrankheiten
© European Agency for Safety and Health at Work (EU-OSHA), Work-related musculoskeletal disorders: prevalence, costs and demographics in the EU. Quelle: Erwerbstätigenbefragung 2016 Bundesinstitut für Berufsbildung und
European Risk Observatory Report, Publications Office of the European Union, 2019 (eigens übersetzt) Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Physische Belastung am Arbeitsplatz
potentielle Einsatzgebiete für Exoskelette
©https://www.bghw.de/arbeitsschuetzer/ © DGUV Information 208-053 © https://www.asu-arbeitsmedizin.com/praxis/analyse-von-
praevention-von-a-z/f-l/heben-und-tragen exoskeletten-mit-biomechanischer-simulation
Gemäß § 4 Arbeitsschutzgesetz müssen Gefahren immer direkt an der Quelle beseitigt oder entschärft werden.
Wo dies nicht möglich ist, wird gemäß dem TOP-Prinzip nach zu ergreifenden Maßnahmen gesucht, in dieser Reihenfolge:
1. Technische Maßnahmen 2. Organisatorische Maßnahmen 3. P ersönliche Maßnahmen
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppPotenzielle Effekte von Exoskeletten Schützen besonders gefährdeter Körperregionen Reduktion von (Muskel-)Ermüdung Reduktion von Belastungsspitzen Entlastung von Gelenken Haltung verbessern physiologische Bewegungsausführung unterstützen Ziel: Entlastung des Bewegungsapparates © psdesign1 Beispielhaft Studien, die dies überprüfen: De Looze, M. P., Bosch, T., Krause, F., Stadler, K. S., & O’Sullivan, L. W. (2016). Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics, 59(5), 671-681. Koopman, A. S., Kingma, I., Faber, G. S., de Looze, M. P., & van Dieën, J. H. (2019). Effects of a passive exoskeleton on the mechanical loading of the low back in static holding tasks. Journal of biomechanics, 83, 97-103. Sadler, E. M., Graham, R. B., & Stevenson, J. M. (2011). The personal lift-assist device and lifting technique: a principal component analysis. Ergonomics, 54(4), 392-402. Theurel, J., & Desbrosses, K. (2019). Occupational exoskeletons: Overview of their benefits and limitations in preventing work-related musculoskeletal disorders. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors, 1-17. Ulrey, B. L., & Fathallah, F. A. (2013). Effect of a personal weight transfer device on muscle activities and joint flexions in the stooped posture. Journal of Electromyography and Kinesiology, 23(1), 195-205. 11 / 32 © Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Exoskelette
Unterstützungsziel
Hum an Enhancem ent v s . Hum an Perform ance
Leistungssteigerung Leistungserhalt
© https://dasindividuum.wordpress.com/2016/06/04/human-
enhancement-das-schattenzeitalter/
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppExoskelette Gruppierung
Unterstützung
Pas s iv Aktiv
Feder-Dämpfer-System Externe Energiezufuhr
Elastische Bänder v.a. Elektromechanisch
… …
Beispiele: Beispiele:
S oft Harts chalen
© Kinetic Edge, FlexLift © Ottobock, Paexo Shoulder © Laevo © German Bionic, CrayX © RB3D, BackUp © Fraunhofer Stuttgart Exo-Jacket 2.0
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppExoskelette in der Arbeitswelt
Quellen: https://www.youtube.com/watch?v=K6-1JlMWLAk, https://www.youtube.com/watch?v=OaHXYXwYsC4,
https://www.youtube.com/watch?v=PyMmqhT7lPk, https://www.skelex.com/skelex-360-xfr/, https://www.youtube.com/watch?v=Z5mwY_7Owh4
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp© Skelex, Skelex 360
© Comau Mate © Ekso Bionics, EksoVest © Ottobock, Paexo Shoulder / © Bioserve, Ironhand
© Lockheed Martin, Paexo Neck
Fortis
© Tilta, Armor Man
© Herowear, Apex
© Atoun, Atoun-Model-Y © Rakunie, Morita Group © Hunic, BackUp © Ottobock, Paexo Thumb
© SuitX, LegX
© Noonee, © Ekso Bionics, Ekso Zero G © Kinetic Edge, Flex Lift
Chairless Chair
© StrongArm Tech, V22 © Cyberdyne, HAL Lumar Support
© German Bionic, CrayX
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppPaexo Shoulder Laevo FlexLift
© Ottobock, Paexo Shoulder © Laevo © Kinetic Edge, FlexLift
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppPaexo Shoulder
Entlastung obere Extremität
weniger Belastung für die Schulter
bei Arbeiten über Schulterhöhe
Eigengewicht 1,9kg
Individuell einstellbar für
Körpergrößen 160 - 190cm
Quelle: Ottobock
© Ottobock
https://www.uebungen.ws/ruecken/
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp19 / 32 © Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
Laevo
Entlastung unterer Rücken
Entlastung des unteren Rückens
max. unterstützendes
Drehmoment: 40Nm
verschiedenen Größen von
Körpergrößen 160 - 190cm
Eigengewicht: 2,8 kg
© https://www.laevo-exoskeletons.com
Quelle: Laevo © https://www.audi-mediacenter.com/de/fotos/detail/audi-produktion-rueckenschonend-arbeiten-mit-dem-exoskelett-56445
© https://www.uebungen.ws/
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© Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp21 / 32 © Fraunhofer, Referentin: Verena Kopp
FlexLift
Entlastung unterer Rücken
Softexoskelett / Elastische Bänder
Entlastung bei Hebeaufgaben
führt Nutzer/in in ergonomische
Bewegungsausführung
Individuelle Einstellbarkeit
Quelle: Kinetic Edge
https://www.uebungen.ws/ruecken/
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppStuttgart Exo-Jacket 2.0
Forschungsplattform Fraunhofer IPA
Aktives Oberkörper-Exoskelett für Heben und Tragen
schwerer Lasten
9 Gelenke je Arm, davon je 2 aktiv angetrieben, durch
manuelle Aktivierung
© Rainer Bez, Fraunhofer IPA
max. Drehmoment:
Schulter: ca. 40 Nm
Ellenbogen: ca. 25 Nm
Eigengewicht ca. 14 kg
Forschungsplattform für aktive Systeme
Steuerungs- und Regelungstechnik
Automatische Unterstützungsdeterminierung
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppKleingruppen (10min) Chancen | Risiken Einsatzgebiete …
Exoskelette
… (langfristige) Effekte?
Belastung auf den Bewegungsapparat reduzieren
Berücks ichtigung zahlreicher Faktoren bei der Entw icklung und Bew ertung
Physio- Nutzer-
logische Gewicht freundlich- Sicherheit
Entlastung keit
Bewegungs- Individuelle Komfort
ausführung Passform Akzeptanz
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppMethoden zur Quantifizierung von Belastung
Labor- / Feldmessungen
(Bio-)m echanis ch
Kinematik (Motion Capture, …)
Kinetik (Kraftmessplatten, Kraftmessdosen, ...)
Phy s iologis ch
Herz-Kreislauf-System
Muskelaktivität (z.B. Ermüdung)
Posturale Kontrolle
S ubjektiv es Em pfinden
Ermüdung
Schmerz
Komfort
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppBeispiel Workflow
Exoskelett Evaluation am
Exoskelett Entwicklung Menschen
(iterativ)
Analyse / Simulation mit
Exoskelett
Biomechanische Analyse /
Bewegungserfassung Simulation
(MoCap, Kraft, EMG, …)
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppEvaluation am Menschen
im Labor- und in realer Arbeitsumgebung
Validierungs prozes s im Labor Integration und Ev aluation im
Arbeits um feld
Beispiel, © Ottobock, Paexo Shoulder
Beispiel, © Fraunhofer IPA, Stuttgart ExoJacket
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppZusammenfassung
Exoskelette in der Arbeitswelt
Es gibt einen hohen Bedarf an körpergetragenen Unterstützungssystemen zur Entlastung bei schwerer
körperlicher Tätigkeit
Exoskelette als Hoffnungsträger für viele ergonomische Problemstellen
Das Ideal ist eine maximale Flexibilität und Entlastung bei minimaler Einschränkung und Zusatzbelastung
durch das System.
Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz des Systems sind grundlegend!
Das Exoskelette muss für den Anwendungsfall sinnvoll ausgewählt werden!
Exoskelette stehen trotz erster vielversprechender Testphasen noch am Anfang ihrer Entwicklungen.
Langzeiteffekte sind derzeit noch nicht bekannt.
S uperkräfte? Es gilt: Das Exoskelett soll den Menschen entlasten!
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© Fraunhofer, Referentin: Verena KoppAbschlussrunde
Verena Kopp
Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Biomechatronische Systeme
Angewandte Biomechanik und Arbeitsergonomie
verena.kopp@ipa.fraunhofer.deSie können auch lesen
