Bewegungsanalyse in Echtzeit

Den Rücken stärken mit intelligenter Softorthese

Eine Forschergruppe verschiedener Fraunhofer-Institute hat ein Hilfsmittel entwickelt, das den Rücken stärkt und damit Erkrankungen entgegenwirkt. Die Softorthese erkennt Bewegungen sogar in Echtzeit.

Mitarbeiter hebt schwere Lasten und trägt dabei eine Softorthese zur Unterstützung.

ErgoJack mit feststellbarem Hüftgelenk und Beinbügel unterstützt den Mitarbeiter schwere Lasten zu heben.

Foto: Fraunhofer IPK / Armin Okulla

Eine Orthese bezeichnet allgemein ein Hilfsmittel, das dem Körper sowohl Beweglichkeit als auch Stabilität gewährleisten soll. Sie wird direkt am Körper eingesetzt und ist ein beliebtes Mittel beispielsweise nach Verletzungen oder bei Fehlstellungen von Gliedmaßen. Forscher der Berliner Fraunhofer-Institute für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration ISM entwickelten nun eine intelligente Softorthese. Sie soll den Rücken entlasten und die Menschen, die sie tragen, dazu animieren, belastende Bewegungsabläufe ergonomisch und damit ohne gesundheitsschädigende Folgen auszuführen.

Viele Krankschreibungen durch Rückenbeschwerden

Der Paketzusteller hebt regelmäßig schwere Kartons und schleppt sie in die vierte Etage. Der Schweißer steht stundenlang gebückt über dem Anlagenbauteil. Rückenbeschwerden sind bei Bewegungsabläufen, die den Körper belasten, vorprogrammiert. Im schlimmsten Fall entstehen dauerhafte Schädigungen, wenn der Mitarbeiter jahrelang diese Tätigkeit ausübt und dabei nicht auf eine ergonomische Körperhaltung achtet. Immerhin sind Rückenbeschwerden einer der häufigsten Gründe dafür, dass Arbeitnehmer sich in Deutschland krank melden. Die am meisten betroffenen Mitarbeiter stammen aus den Branchen Logistik, Produktion und Dienstleistung. Das von der Forschergruppe entwickelte sogenannte „Wearable-Soft-Robotics-System“ soll dem Risiko eines Arbeitskräfteausfalls entgegenwirken.

Die bisher bekannten Systeme, zum Beispiel Exoskelette, arbeiten passiv. Das bedeutet: Sie unterstützen den Körper, indem sie Kräfte aus überlasteten in weniger belastete Körperareale umleiten. Solche Modelle gibt es für Arbeitnehmer, die beispielsweise viele Tätigkeiten über Kopf ausführen müssen, etwa mit einem Akkuschrauber einen Träger montieren. Mit einem Exoskelett ist das Gewicht der Arme weniger spürbar und entlastet den Träger bei der Arbeit. Neben der Entlastung geht es auch um Qualität: Wenn etwa über Kopf gelötet oder geschweißt werden muss und nicht nur die erste Naht absolut gerade verlaufen soll. Es wird deshalb seit einiger Zeit in der Automobilproduktion getestet.

Intelligente Softorthese analysiert die Bewegungen

Das Hilfsmittel der Fraunhofer-Forschergruppe ist für den Oberkörper entworfen worden. Man muss es sich wie eine Weste vorstellen. Das Besondere an ihr ist die Bewegungsanalyse in Echtzeit. Auf Basis von Machine Learning und künstlicher Intelligenz entwickelte das Team Algorithmen, die die Ergonomie analysieren. Das unterscheidet diese Orthese von den Exoskeletten. Die Softorthese der Berliner Forscher kann Bewegungen erkennen und diese in ergonomische und unergonomische unterteilen. Das funktioniert dank integrierter Bewegungssensoren. Ihnen haben die Forscher Bewegungsmuster angelernt, die sie dann mit tatsächlichen Bewegungen abgleichen und in Echtzeit auswerten. Das Ganze passiert in wenigen Hundert Millisekunden. Der Träger bekommt von der Weste eine Rückmeldung, ob er sich gesundheitsschädlich bewegt. Angebracht sind die Bewegungssensoren im Miniaturformat an den Schultern, dem Rücken und den Oberschenkeln.

An weiterer Technik stecken in der Orthose noch ein eingebetteter Controller, der verschiedene Steuerungsaufgaben übernimmt, ein Vibrationsmodul und ein Akku. Die Datenverarbeitung findet direkt auf der Weste statt. Eine Übertragung ist aktuell nicht geplant. Zwar sind für diese Echtzeitalgorithmik aufwendige Berechnungen erforderlich. Dennoch kommt der Anlernprozess der Arbeitskräfte mit einem sehr kleinen Datensatz für das Bewegungstraining aus. Aktuell arbeitet die Fraunhofer-Forschergruppe daran, die Elektronik und Sensorik der Orthese zu verkapseln, damit die Weste gewaschen werden kann, ohne dass diese empfindlichen Teile vorher herausgenommen werden müssen.

Verschiedene Ausführungen und in allen Konfektionsgrößen

Für alle Konfektionsgrößen sind drei verschiedene Westen geplant: eine rein sensorische, eine Variante mit Kraftunterstützung und eine Version mit Rücken- und Hüftunterstützung. Dafür wurde ein Bügel mit Auflagefläche für die Orthese konzipiert, an dem seitlich ein Hüftgelenk eingerastet werden kann. Es überträgt die Kraft vom Rücken in die Beine und kann ein- und ausgeschaltet werden. Diese Variante der Orthese bietet größtmögliche Flexibilität, da man mit ihr sowohl stehend wie auch sitzend arbeiten kann.

Die Forschergruppe präsentiert einen Prototyp, des Wearable-Soft-Robotics-Systems, also der smarten Weste, auf der Hannover Messe, täglich live in Halle 17 an Stand C24.

 

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