Die Idee einer Verschmelzung von Mensch und Maschine findet sich in unzähligen Filmen, Büchern und wissenschaftlichen Aufsätzen der letzten hundert Jahre. Mehrere praxisorientierte Versuche, über ein Exoskelett eine Steigerung der menschlichen Leistungsfähigkeit zu erreichen, scheiterten allerdings an den technischen Grenzen der Zeit. Im aktuellen EU-Projekt »Robo-Mate« sollen diese jedoch in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAO überwunden und die Vision eines intelligenten Mensch-Maschine-Systems umgesetzt werden.

Die Natur macht es durch die sogenannten Gliederfüßler, die sich durch ein stabiles Außenskelett schützen, vor. Seit einigen Jahren punktet der Mensch mit seiner elektronischen Version: Bereits umgesetzte Lösungen beschränken sich größtenteils auf die Bereiche rehabilitative Medizin (z.B. Cyberdyne's HAL 5 in Japan), Telerobotik (z.B. der EXARM der Europäischen Weltraumorganisation) oder die militärische Nutzung (z.B. Ekso Bionics/Lockheed Martins HULC in den USA). Das Projekt »Intelligent exoskeleton based on human-robot interaction for manipulation of heavy goods in Europe’s factories of the future«, kurz: »Robo-Mate« soll sich jetzt einem weiteren, bisher vergleichsweise unbeachteten Bereich widmen: der Industrie.

Das Hauptanliegen ist dabei vor allem eine Reduktion der Traglast für Arbeiter in der Fertigungsindustrie (z.B. bei der Automobilherstellung), da diese am Tag mehrere Tonnen Material bewegen müssen. Die daraus resultierenden, weit verbreiteten Muskel-Skelett-Erkrankungen (engl.: musculoskeletal disorders - MSDs) könnten durch den Einsatz des neuen Exoskeletts vermieden werden, da die Traglast auf einen Bruchteil des eigentlichen Gewichts reduziert und Haltungsschäden vorgebeugt werden würde.

Seit dem Projektstart von »Robo-Mate« im Jahr 2013 wurde am 12. Juni 2015 am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart ein erster Prototyp öffentlich vorgestellt:

Geplant ist, ein vollständiges Exoskelett, bestehend aus drei, teilweise bereits umgesetzten Modulen, herzustellen. Die Arm-Module – aktive (mit Elektromotoren) und passive (basierend auf einer Parallelogramm-Federtechnik, welche auch bei Kameraarmen zum Einsatz kommt) – dienen vor allem dazu, die Last für die Arbeiter während des Hebens von schweren Gegenständen bis auf ein Zehntel zu reduzieren. Das Rumpfmodul soll vor Bandscheibenvorfällen und Verdrehungen der Wirbelsäule schützen, indem der Rücken geschützt und bei Hebe- und Beugearbeiten stabilisiert wird. Da auch die Oberschenkel bei solchen Bewegungsabläufen starken Belastungen ausgesetzt sind, werden Bein-Module entwickelt, die sich in entsprechenden Positionen versteifen, um eine Art entlastende Sitzfläche zu bilden. Hinzu kommt ein bereits im Video sichtbarer, aktiver elektronischer Roboterarm, welcher durch das entsprechende Metallgerüst und von Mikrokontrollern gesteuerten Motoren die Traglast immens reduzieren soll.

Virtuelles Testen am Fraunhofer IAO im Digital Engineering Lab – (DELab)

Um die Nutzbarkeit des Exoskeletts im industriellen Bereich zu garantieren und mit »Robo-Mate« die teilweise sehr komplexen Abläufe möglichst individuell unterstützen zu können, war und ist eine intensive Analyse der spezifischen Produktionsbedingungen nötig. Diese Analyse und Auswertung erfolgt anhand von Simulationen mit virtuellen Modellen im DELab (Digital Engineering Lab). Das Labor verfügt über eine innovative Integrationsplattform, mit der die Wissenschaftler u.a. Prototypen und Produkte in einer virtuellen Umgebung testen und mit Hilfe der Simulationslösung »Classic JACK« und »Process Simulate« von Siemens Industry Software digitale Fabrikumgebungen nachstellen, um somit auf potenzielle Vorteile und Risiken der Prototypen im Vorfeld eingehen zu können. Die Herausforderung für das Projektteam am Fraunhofer IAO war die Digitalisierung des Exoskeletts und die anschließende Koppelung an das digitale Menschmodell »Classic Jack«. Dabei wurden alle Bewegungsgleichungen überarbeitet und an die Mensch-Maschine-Interaktion angepasst, um so die innovative Produktionsressource »JackEX« zu erarbeiten und in die Siemens-Bibliothek einzufügen. Der Prozess der Digitalisierung des Exoskeletts und die Erarbeitung von »JackEX« wurden von Siemens als einzigartige Innovation bewertet.

Die Unterstützung für die Armkraft inklusive Bedienung. Bild: Fraunhofer IAO

Als Leiterin des »Robo-Mate«-Projekts in Deutschland ist Prof. Dr. Carmen Constantinescu für diese Testumgebung verantwortlich. Sie arbeitet seit 15 Jahren bei der Fraunhofer Gesellschaft, ist seit 5 Jahren am Fraunhofer IAO tätig und forscht dort zu den Themen Digitale Fabrik, Smarte Fabrik, Industrie 4.0, Modellierung und Optimierung von Produktionssystemen und technischen Prozessen. Auf europäischer Ebene erfolgt die Koordinierung des Gesamtprojekts aus der Schweiz – die Gestaltung und Durchführung wird außerdem durch ein Konsortium bestehend aus mehreren Roboterdesignern aus verschiedenen europäischen Ländern (z.B. Schweiz, Österreich, Deutschland und Italien) unter Zusammenarbeit mit akademischen und wissenschaftlichen Partnern wie der irländischen University of Limerick oder der niederländischen TNO (The Netherlands for Applied Scientific Research) gewährleistet, sowie durch private, industrielle Teilnehmern (z.B. der rumänische Automobilzulieferer Compa S.A.) möglich gemacht.

Kooperationen mit der Industrie

Das Simulieren und Testen sowie die Herstellung der Bauteile ist deshalb so aufwendig, da »Robo-Mate« modular aufgebaut ist. Wie oben beschrieben, besteht das Exoskelett aus mehreren Teilen, welche an die entsprechende Arbeitsumgebung angepasst sein müssen, weswegen im EU-Projekt mit verschiedenen privaten Partnern zusammengearbeitet wird. So gelingt es, ein für die Arbeiter möglichst passendes Produkt anzufertigen, das für große standardisierte Arbeitsprozesse (z.B. Automontage am Fließband) und individuellere Arbeitsumgebungen (Autodemontage, Recycling), welche oft ein hohes Maß an Flexibilität benötigen, zugeschnitten ist.

Letzteres trifft beispielsweise auf die Automobilendverwertungsfirma Indra SAS zu, welche in Zusammenarbeit mit dem Automobilhersteller Renault SA Autos zerlegt, recycelt und auf spezifische Lösungen angewiesen ist, wohingegen die Arbeitsumgebung vom rumänischen Compa hybride Prozesse aufgrund kleinerer Serienproduktionen beinhaltet. Bei dem größeren Partner Fiat in Italien wurde in diesem Zusammenhang Kollisionspotenzial während der Analyse der standardisierten Arbeitsprozesse festgestellt, was wiederum Einfluss auf die Simulationsverfahren hatte. Denn schlussendlich geht es darum, jeden wichtigen Prozess virtuell nachzustellen, jeden entscheidenden Arbeitsablauf zu simulieren und bei Veränderungen die den Tests zugrundeliegenden, komplexen mathematischen Gleichungen anzupassen.

Komplexe Mensch-Maschine-Interaktion

Die Schwierigkeit besteht vor allem in der Entwicklung eines hybriden Systems, welches aus Roboter und Mensch und nicht nur aus einem der beiden Komponenten besteht. Dementsprechend müssen bei aktiven, elektronischen Lösungen die Mikrokontroller des Exoskeletts angepasst und mit den dazugehörigen Produktionsprozessen synchronisiert werden. Da die Kontroller in den aktiven Komponenten von »Robo-Mate« nicht auf ein Set von Bewegungsabläufen vorprogrammiert sind, muss jede Bewegung einzeln verstanden werden. Denn adaptive Sensoren auf der Haut sorgen für ein individuelles Ablesen der Muskelbewegungen, woraufhin das Skelett aktiviert wird. Im Verlaufe der weiteren Entwicklung soll es möglich werden, nach dem Baukastenprinzip aktive und passive Lösungen miteinander zu kombinieren. So können z.B. aktive, elektronische Roboterarme mit einem passiven Rumpfgestell verbunden werden oder bei Platzmangel entsprechend nur passive Rumpf- und aktive Beinmodule zur Stabilisierung des Körpers. Durch die umfassende Analyse der Abläufe in der Fabrik und die physische Unterstützung vor Ort lassen sich die zugehörigen Arbeitsprozesse verbessern und neue Szenarien in den Fertigungsanlagen entwickeln um Produktionseffizienz und -qualität zu steigern.

Gegen Ende des letzten Jahres wurden bereits passive Prototypteile des Exoskeletts getestet und auf verschiedenen Veranstaltungen vorgestellt – so z.B. auf der Logistica im November 2015. Aktuell werden Experimente in drei Partnerfabriken gestartet, um die Prototypen auf ihre Funktionalität zu überprüfen. Das Interesse der Industrie am Ausprobieren, Nutzen und potenziellen Weiterentwickeln der Module ist groß und wächst, da das Projekt im August 2016 fertiggestellt werden soll. Ob im Rahmen des europäischen Horizon2020 Förderschirms oder durch anderweitige Förderung ein Nachfolgeprojekt realisiert werden kann, wird sicherlich vom Erfolg des jetzigen Exoskeletts abhängig sein. Weitere Live-Demonstrationen werden im Mai dieses Jahres durchgeführt um z.B. Industriepartnern den direkten Kontakt mit den entsprechenden Experten zu ermöglichen und weitere interessante Eindrücke in die Welt von »Robo-Mate« zu vermitteln. (mal)

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Prof. Dr.-Ing. Carmen Constantinescu
  • Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
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