Fraunhofer IPK

Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

No more Science Fiction

Intelligente Bewegungserkennung mit CareJack

Rückenbeschwerden sind in Deutschland der häufigste Grund dafür, dass sich Arbeitnehmer arbeitsunfähig melden. Eine wesentliche Rolle spielen dabei zu monotone, aber auch zu hohe Belastungen bestimmter Rückenpartien. Häufig treten Fehlbelastungen durch unergonomische Bewegungsabläufe auf. Um dem zukünftig vorbeugen zu können, entwickelten Forscher von Fraunhofer IPK und Fraunhofer IZM CareJack – eine softrobotische Oberkörperorthese, die Arbeitskräfte in den Bereichen Produktion, Logistik und Dienstleistung auf Basis einer intelligenten Echtzeit-Bewegungserkennung ergonomisch unterstützen soll. Ein Hauptaugenmerk bei der Systementwicklung lag auf Usability-Aspekten.

CareJack hilft, Zwangshaltungen vorzubeugen.

Was haben Science Fiction Blockbuster wie »Avatar« und »Iron Man« gemeinsam? Sie alle zeigen Exoskelette, also Stützroboter, die ihren Trägern übermenschliche Kräfte verleihen. In der Realität sind aktive Exoskelette noch sehr massiv, träge und wenig energieeffizient. Aus diesen Gründen werden gegenwärtig immer mehr passive Exoskelette entwickelt, die über Federn oder Sperrstellungen die Kräfte des Trägers aus überlasteten Bereichen in weniger belastete Areale leiten.

CareJack ist bei diesen Systemen seit 2015 einer der Vorreiter, setzt sich aber durch eine intelligente Bewegungserkennung von anderen, rein passiven Exoskeletten ab. Das primäre Ziel der intelligenten Weste ist es Benutzer zu motivieren, körperlich belastende Haltungen oder Bewegungsabläufe ergonomisch auszuführen und dadurch Fehlhaltungen und unergonomische Bewegungen zu vermeiden. Deren Folgen können schließlich gravierend sein: von einer Überlastung des Bewegungsapparates bis hin zu dauerhaften Schädigungen wie vorzeitigem Gelenkverschleiß.

Hierfür werden durch Inertiale Bewegungssensoren (IMU) vorgelernte Bewegungsmuster mit der aktuell ausgeführten Bewegung abgeglichen und in Echtzeit ausgewertet. Die Zykluszeit beträgt hierbei 25 Millisekunden; sie ist jedoch abhängig von den verwendeten Sensoren. Bei den Bewegungsmustern wird zwischen ergonomischen und unergonomischen Bewegungen unterschieden. Der Träger erhält während der Ausführung ein Feedback mittels Vibrationsalarm, wenn er Zwangshaltungen einnimmt oder Bewegungsabläufe absolviert, die potenziell gesundheitsschädlich sind.

Das Besondere ist hierbei – neben der Echtzeitdatenverarbeitung mit integriertem Feedback, dass der Anlernprozess mit einem sehr kleinen Datensatz auskommt. Mithilfe eines Programms können beliebige Bewegungsabläufe in unterschiedlichen Ausführungsgeschwindigkeiten simuliert und die relevanten Parameter auf eine Recheneinheit projiziert werden. Dadurch müssen keine schädigenden Bewegungen von Probanden zum Anlernen durchgeführt werden, lediglich die Evaluation benötigt diese Bewegungen. Des Weiteren wird aktuell an einer IMU-basierten Langzeit-Ergonomiebewertung von Arbeitsplätzen gearbeitet. Durch eine Rekonstruktion der Pose des Arbeiters kann die Dauer kritischer Haltungen über unterschiedliche Arbeiter erfasst werden. Somit erhält ein Ergonomieexperte über einen längeren Zeitraum genauere Informationen zu Körperhaltungen seiner Werker, ohne dass er durchgehend anwesend sein muss.

 

CareJack in Seitenansicht mit arretierbarem Hüftgelenk und Beinbügel (links) und von hinten, mit Akku (rechts) und Recheneinheit
 
Das Fraunhofer IPK hat bereits unterschiedliche Versionen von CareJack entwickelt, bei  denen zwischen verschiedenen Unterstützungsoptionen gewählt werden kann. Sie reichen von einer reinen sensorischen Textil­weste über eine orthesengestützte Oberkörperweste bis hin zu einer Leichtbauweste, die Kräfte aus dem Oberkörper über Federelemente in die Beine ableitet und somit die Kräfte, die besonders die Lendenwirbel belasten, reduziert. Das aktuelle System wurde mit einer minimal nötigen Orthesenbügel-Auflagefläche am Körper konzipiert, um einerseits möglichst wenig Wärmestau zu verursachen, aber andererseits auch genügend Kraftübertragungsfläche zu haben, um bei 8-Stunden-Schichten beim Werker keine Hautirritationen auszulösen. Die fünf IMU-Module sind an den Schultern, dem unteren Rücken und den beiden Oberschenkeln angebracht und erfassen somit essentielle Bereiche für ergonomische Arbeitsabläufe. Die verwendeten Sensorfusionsalgorithmen ermöglichen trotz künstlich erzeugter Magnetfelder oder Erdmagnetfeldverzerrungen durch Maschinen oder Metallgegenstände die langzeitstabile Rekonstruktion einer menschlichen Pose. Durch die Miniaturisierung der Sensoren und Recheneinheiten ist es gelungen, diese in die Weste zu integrieren und die notwendige Leistungsaufnahme auf unter 2,5 Watt zu reduzieren. Mit der verwendeten Speicher­einheit mit einer Kapazität von 32,4 Wattstunden sind somit auch komplette Arbeitsschichten bei einer Akkuladung möglich.  

Eine weitere Neuerung ist ein arretierbares seitliches Hüftgelenk an der Weste, durch das die Kraftübertragung vom Rücken in die Beine ein- und ausgeschaltet werden kann. Dank dieses Mechanismus können auch wechselnde Tätigkeiten ausgeführt werden, bei denen der Arbeiter körperlich belastende Aktionen, zum Beispiel das Heben schwerer Bauteile, ebenso wie sitzende Tätigkeiten ausführt.

Ihr Ansprechpartner

Jan Kuschan
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jan.kuschan(at)ipk.fraunhofer.de