CareJack 05.02.2020, 13:41 Uhr

Die intelligente Softorthese zur Ergonomieunterstützung

Belastende körperliche Tätigkeiten sind – besonders bei älteren Arbeitskräften – der Grund für Rückenschmerzen, Schulterläsionen und Bandscheibenschäden. Dies sind gleichzeitig die drei Hauptursachen für Arbeitsunfähigkeit. Die in diesem Beitrag vorgestellte intelligente Softorthese „CareJack“ präsentiert einen neuen Lösungsansatz zur Verbesserung dieser Situation auf Basis einer automatisierten Echtzeit-Ergonomieanalyse und -bewertung.

Ergonomische (links) und unergonomische (rechts) Hebebewegung mit der "CareJack-Spine"-Softrobotikorthese bei der Warenkommissionierung
Bild: Fraunhofer IPK

Ergonomische (links) und unergonomische (rechts) Hebebewegung mit der "CareJack-Spine"-Softrobotikorthese bei der Warenkommissionierung Bild: Fraunhofer IPK

Industrielle Fertigungsprozesse werden immer stärker automatisiert, dennoch gibt es häufig Situationen sowie Arbeitsabläufe, in denen der Mensch auf Grund seiner kognitiven sowie haptischen Fähigkeiten und Flexibilität nicht ersetzbar ist. Dazu zählen besonders Bereiche in denen hohe adaptive Fähigkeiten durch wechselnde Anforderungen an die Produktion oder Umgebung benötigt werden. Ein Problem ist hierbei, dass viele manuelle Tätigkeiten in der Produktion mit hohen körperlichen Belastungen verbunden sind und häufig eine Über­belastung des muskuloskelettalen Systems auftreten, besonders bei längeren repetitiven Tätigkeiten. Um körperliche Belastungen zu minimieren, werden in bei Industriearbeitsplätzen häufig Ergonomiebewertungen, zum Beispiel mittels eines EAWS (Ergonomic Assessment Work­sheet), durchgeführt. Nach Möglichkeit werden die Arbeitsplätze anschließend nach ergonomischen Richtlinien umgestaltet. Auch nach einer Umgestaltung oder der Ausstattung mit Hilfsmitteln, kommt es häufig vor, dass die Hilfsmittel häufig nicht genutzt werden oder Tätigkeiten zum Beispiel wegen Stress oder fehlendem Bewusstsein unergonomisch ausgeführt werden. Darüber hinaus sind Verfahren wie EAWS sehr von der subjektiven Wahrnehmung der Ergonomiebewerter abhängig. Für die Verletzungsprävention ist es besonders im Hinblick auf den demographischen Wandel notwendig die Bewegungsabläufe am Arbeitsplatz für diese Bewertungen individuell zu erfassen und dem Werker ein System zur Verfügung zu stellen, welches ihn unterstützt die Bewegungen ergonomisch auszuführen. Eine Unterstützung kann hierbei aktiv, zum Beispiel durch Exoskelette oder passiv, zum Beispiel durch Ergonomieschulungen oder Kraftumleitungs­systemen erfolgen.

Bisherige Exoskelett-Konzepte zur Kraftunterstützung weisen eine geringe Usability bei gleichzeitig hohem technischem Aufwand auf, unter anderem hinsichtlich der großen Anzahl mit Antrieben zu unterstützender Bewegungsfreiheitsgrade und hohem Energiebedarf mit mobilen Energiespeichern. Der „Body Extender“ [1] ist ein typischer Vertreter dieser Art und umgeht die schweren Energiespeicher, indem er an eine externe Stromquelle angeschlossen wird.

Im Gegensatz dazu verfolgen passive Systeme, wie das „Mate Exoskeleton“ [2] von Comau oder das „Ortas“-System von Otto Bock [3] einen Leichtbau-Ansatz, bei dem die Kraft über ein Federsystem vom Oberarm- und Schulterbereich in den Rücken geleitet wird. Andere Systeme wie „Cuela“ [4] beschränken sich auf das Erkennen von Rückenbelastungen für Schulungszwecke oder ähnlichem.

Häufig sind kraftunterstützende Systeme jedoch eigentlich nicht notwendig, da Arbeitsplätze in der Regel nach ergonomischen Kriterien eingerichtet und entsprechende Schulungen durchgeführt wurden. Entsprechend ist es wichtig, dass die Menschen für ergonomische Bewegungsabläufe sensibilisiert werden. Hier setzt das CareJack-Konzept an, indem es eine Softorthesen-integrierte Echtzeit-Bewegungsmessung und intelligente Analyse mit Benutzer-Rückmeldung, mit einer ergänzenden passiven oder geringen aktiven Oberkörper-Kraftunterstützung kombiniert.

1 Systementwurf „CareJack“

Die im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojektes entwickelte intelligente Softorthese „CareJack“, hat das primäre Ziel den Benutzer zu motivieren, körperlich belastende Haltungen oder Bewegungsabläufen ergonomisch korrekt auszuführen. Dadurch werden Fehlhaltungen und unergonomische Bewegungen vermieden, der Bewegungs­apparat weniger belastet und auf Dauer sukzessive Schädigungen wie beispielsweise vorzeitigem Gelenkverschleiß vorgebeugt. Um menschliche Bewegungen zu erfassen, wird meist zwischen ortsgebundener (zum Beispiel Kameras) und am Körper getragener Sensorik (zum Beispiel IMU Inertiale Messeinheiten) unterschieden. Durch die industriellen Anforderungen, die an CareJack gestellt werden, ist eine kamera-basierte Lösung nicht umsetzbar, weshalb Softorthesen-integrierte IMU für das Bewegungsmonitoring genutzt werden. Dafür wurden unterschiedliche Rücken-Bein-Systeme entwickelt, die mit Inertialsensoren ausgestattet, die Bewegung und Haltung des Trägers erfassen können. Alle Sensordaten werden in Echtzeit im 25 ms-Takt durch ein Embedded Controller­modul erfasst und mittels einer intelligenten Bewegungsmustererkennung ausgewertet. Die Mustererkennung analysiert kontinuierlich, ob eine körperlich belastende Bewegungssituation oder Körperhaltung vorliegt und ob diese ergonomisch oder unergonomisch durchgeführt wird.

Dabei wird der Anwender über die fehlerhafte Ausführung informiert, bevor diese in einen kritischen Bereich übergeht. Der Träger wird auf eine ergonomische sowie physiologische Bewegung sensibilisiert. Er erlernt das korrekte, verletzungsrisikofreie Tragen, Heben und Drehen.

In einem weiteren Modus wird die Pose des Arbeiters erfasst und ein Belastungsprofil über einen zeitlichen Verlauf erstellt. Die ausführende Kraft bekommt eine Rückmeldung über das Feedbackmodul, sobald er über einen langen Zeitraum in gebückter oder verdrehter Haltung arbeitet. Diese Posen kommen häufig in Bereichen vor, bei denen Einzelstücke angefertigt und verschweißt werden und es ökonomisch nicht möglich ist durchgehend einen ergonomischen Arbeitsplatz zu designen. Als Beispiel kann hier der Formenbau in der Automobilindustrie genannt werden.

Die Rückmeldung an den CareJack-Benutzer kann wahlweise optisch über ein LED-Anzeigemodul, akustisch oder über ein Vibrationsmodul erfolgen. Nutzertests in der Automobilindustrie haben ergeben, dass eine Rückmeldung per Vibration bevorzugt wird.

1.1 CareJack Soft

Die CareJack-Softorthese in der Variante „CareJack Soft“

„CareJack Soft“ mit fünf Inertialsensoren (zwei auf der Schulter, zwei über der Hüfte und einer am Brustbein), Feedback-Vibrationsmodul über der rechten Hüfte, Akku sowie embedded Controllermodul am unteren Rücken Bild: Fraunhofer IPK

„CareJack Soft“ mit fünf Inertialsensoren (zwei auf der Schulter, zwei über der Hüfte und einer am Brustbein), Feedback-Vibrationsmodul über der rechten Hüfte, Akku sowie embedded Controllermodul am unteren Rücken Bild: Fraunhofer IPK

besteht aus einem flexiblem Anteil, zusammengesetzt aus rückenstützenden Materialien, wie einem Nierengurt und einem verstärkten Rückenteil. Durch die hohe Anzahl flexibler Materialien wird ein maximaler Tragekomfort und die präziseste Bewegungsrekonstruktion erreicht. Die Entlastungen der Schultern und des Rückens sind bei dieser Ausführung jedoch minimal.

1.2 CareJack Spine

Die CareJack-Softorthese in der Variante „CareJack Spine“ besteht aus einem flexiblen Anteil, der zur Erhöhung des Tragekomforts dient, sowie einer weiteren Komponente, die den Rücken durch einen carbongedrucken Anteil stützt. Dabei weisen die Carbonanteile durch ihre dünnen Lagen eine Biegsamkeit und Federwirkung auf. Zum Messen der Biegung der Carbonsegmente sind in diesen Conformable Electronics Elemente in Form von Folien-basierten Dehnungsmessstreifen-Sensoren sowie Verbindungstechnik strukturintegriert. Weiterhin verfügt die CareJack auch über mehrere integrierte Intertialsensormodule zur direkten Bewegungsmessung.

1.3 CareJack Spine and Hip

In einer weiteren Ausbaustufe ist CareJack zu einem Rücken/Hüft-Komplettsystem erweitert worden.

Intelligente „CareJack Spine and Hip“ mit Bewegungserkennung, Echtzeitfeedback und Kraftübertragung Bild: Fraunhofer IP

Intelligente „CareJack Spine and Hip“ mit Bewegungserkennung, Echtzeitfeedback und Kraftübertragung Bild: Fraunhofer IP

Dabei wurden gehärtete, federnde Kunststoffstäbe Stäbe dem Körper angepasst und mit einem Wellenrohr überzogen. Die Stabmaterial erzeugen eine Federwirkung, die den Benutzer beim Aufrichten unterstützt und einen Teil der Kräfte, die auf den unteren Lendenbereich wirken in die Beine ableitet. Beim Vorbeugen des Oberkörpers werden die Kräfte durch die Auflagebereiche im Brustraum in die Orthese aufgenommen, über die PVC-CAW Stabstruktur um den Rücken geleitet und am fixierbaren Gelenk im Hüftbereich auf die Beinteile übertragen. Die Wellenrohre vergrößern die Auflagefläche auf den Körper und sorgen damit für ein angenehmes Trage­gefühl ohne Druck- oder Quetschpunkte. Des Weiteren wurde die vorherigen diskret aufgebauten 9DOF-Inertialsensoren durch hochintegrierte BNO055–9DOF-Inertialsensoren ersetzt sowie ein integriertes Rückenmodul für den Akku und das Embedded Controllermodul entwickelt.

2 Bewegungserkennung

Die Verwendung von IMU zum Erkennen von Bewegungen wurde bereits in verschiedenen Veröffentlichungen thematisiert. Dabei sind Freizeit und Büro­aktivitäten das vorherrschende Aktivitätsfeld, die dann nach einer ausreichenden Datenaufnahme offline aus­gewertet werden. Ein Ansatz, der sich mit dem Überwachten Lernen von Bewegungen beschäftigt, verfolgten die Autoren Altun et al. [5]. Auch hier wurden Freizeit- und Büroaktivitäten untersucht. Die dort erreichte korrekte Erkennungsrate beträgt bis zu 99,1 % bei 19 verschiedenen Aktivitäten. Die verwendeten Merkmale beschränken sich auf Sensorwerte von IMU und umfassen sowohl Beschleunigungs- und Drehratenattribute, als auch mittels Quaternion rekonstruierte Posen.

Im Gegensatz zu konventionellen IMU-Bewegungserkennungsverfahren benötigt das Konzept von CareJack eine Echtzeiterkennung. Das System muss bereits bei der Ausführung erfassen, dass der Werker eine unergonomische Bewegung ausführt und ihm genau dann das Feedback geben. Klassische Ansätze analysieren hingegen offline auf Basis zuvor gemessener Bewegungsdatensätze, während bei CareJack kontinuierlich mit den aktuell eingehenden Bewegungssensordaten gearbeitet werden muss.

Die CareJack-Bewegungserkennung setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Für eine robuste Erkennung wird ein Score ermittelt, der sich zusammensetzt aus der aktuellen Pose, einem DTW (Dynamic Time Warping) Wert, dem Korrelationswert zwischen einem Referenzpolynom und dem eingehenden Beschleunigungsprofil [6, 7] und einem SVM (Support Vector Machine) Klassifikator mit unterschiedlichen Merkmalen [8]. Die Bewegungserkennung ist bei CareJack sehr konservativ umgesetzt und hat eine korrekte Erkennungsrate von mehr als 93 % der unergonomischen Bewegungen, dafür aber eine Fehlalarm Rate von weniger als 0,4 %. Damit wird sichergestellt, dass durch die Fehlalarmrate kein „cry-wolf effect“ (ignorieren von Warnmeldungen durch unnötige Informationen oder häufigen Fehlalarm) ausgelöst wird. Die korrekte Erkennungsrate ist somit etwas geringer als beispielsweise bei Altun et al. [5], löst aber die Herausforderung, dass die Auswertung in Echtzeit vorgenommen werden muss und es sich zudem um industriell relevante Tätigkeiten handelt.

3 Zusammenfassung und Ausblick

Das vorgestellte intelligente Soft­orthesen-System bietet eine Lösung für die Herausforderungen, mit denen Unternehmen im Zuge der alternden Belegschaft konfrontiert sind. Durch die intelligente Echtzeit-Bewegungserkennung und Feedbackmodule ist es erstmals möglich, den Arbeitern während der Bewegungsausführung eine Information über aktuelle Pose oder Bewegung zu geben und somit für ergonomische Abläufe zu sensibilisieren. Durch die verschiedenen Softorthesen-Varianten können die Anwender flexibel zwischen maximalem Tragekomfort und Unterstützung wählen. Aktuell wird eine automatisierte Arbeitsplatz-Ergonomiebewertung auf dem System umgesetzt. Dafür werden die realen Körperwinkel und deren Dauer erfasst um somit ein Bewertungssystem wie EAWS zu unterstützen.

Literatur

[1] Marcheschi, S.; Salsedo, F.; Fontana, M.; Bergamasco, M.: Body Extender: Whole body exoskeleton for human power augmentation. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2011, Shanghai/CHN, S. 611–616

[2] N.N.: Mate Muscular Aiding Tech Exoskeleton. Comau, Grugliasco/Italy. Internet: www.comau.com/Download/our-competences/robotics/Automation_Products/Comau_Mate_Brochure_DE.pdf. Zugriff am 16. August 2018

[3] Bornmann, J.; Kurzweg, A.; Heinrich, K.: Tragbare Assistenzsysteme in der Automobilmontage. Technische Unterstützungssysteme, die die Menschen wirklich wollen, 2016, S. 507

[4] Ellegast R.; Hermanns, I.; Schiefer, C.: Workload Assessment in Field Using the Ambulatory CUELA System, Duffy V.G. (eds) Digital Human Modeling. ICDHM 2009. Lecture Notes in Computer Science, vol 5620. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag

[5] Altun, K.; Barshan, B.; Tunçel, O.: Comparative study on classifying human activities with miniature inertial and magnetic sensors. Pattern Recognition, vol. 43, No. 10, pp. 3605–3620, 2010

[6] Kuschan, J. et. al.: Verbesserung der Ergonomie am Arbeitsplatz mittels einer intelligenten Orthesen-Weste, Zukunft Lebensräume Kongress, Frankfurt, 2016

[7] Kuschan, J.; Schmidt, H.; Krüger, J.: Improved Ergonomics via an Intelligent Movement and Gesture Detection Jacket. Proceedings of ISR 2016: 47st International Symposium on Robotics, Munich/Germany, 2016, pp. 1–6

[8] Kuschan, J.; Schmidt, H.; Krüger, J.: Analysis of ergonomic and unergonomic human lifting behaviors by using Inertial Measurement Units. Current Directions in Biomedical Engineering, 3 (2017) 1, pp. 7–10

Von J. Kuschan, Dipl.-Ing. Henning Schmidt und Prof. Jörg Krüger

Jan Kuschan, M. Sc., Dipl.-Ing. Henning Schmidt und Prof. Jörg Krüger Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Pascalstr. 8–9, 10587 Berlin Tel. +49 (0)30 / 39006-205 jan.kuschan@ipk.fraunhofer.de www.ipk.fraunhofer.de

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