Unterstützungssystem Exoskelett
Um körperlich anstrengende Arbeiten im industriellen Umfeld weniger belastend und damit gesünder gestalten zu können, wird zunehmend die unterstützende Verwendung von aktiven oder passiven Exoskeletten in Labor- und Feldstudien evaluiert. Exoskelette sollen vornehmlich das Hand-Arm-Schulter-System und den Rücken entlasten, insbesondere bei Handhabungsvorgängen. Muskuloskelettale Beschwerden und Erkrankungen in diesen Körperregionen stellen ein bedeutendes gesellschaftliches Problem mit einer hohen Belastung für das Gesundheitssystem, die Wirtschaft und die Betroffenen selbst dar (Burton u. Kendall 2014). Es wird ein ursächlicher Zusammenhang zwischen hohen und häufigen Krafteinwirkungen, repetitiven Tätigkeiten, statischen Muskelbelastungen einerseits und muskuloskelettalen Beschwerden und Erkrankungen andererseits vermutet (Da Costa u. Vieira 2010). Die passiven und aktiven Unterstützungssysteme werden deshalb als eine Möglichkeit der Prävention angesehen (De Looze et al. 2016; Epstein et al. 2018). Das wesentliche Funktionsprinzip dieser direkt am Körper getragenen Assistenzsysteme besteht darin, mechanische Energie auf den menschlichen Körper zu übertragen und dadurch die physische Belastung definierter Körperteile zu reduzieren (Jezukaitis u. Kapur 2011). Ganz allgemein sollen Exoskelette die Ermüdung der Muskulatur und des Herz-Kreislauf-Systems reduzieren, die Körperhaltung verbessern, berufsbedingte Erkrankungen mindern und Zwangshaltungen möglichst vermeiden. Besonders Letzteres ist diskussionswürdig, da ein am Körper getragenes Unterstützungssystem im derzeitigen Entwicklungsstand oftmals zu zwangsgeführten Bewegungen führt.
Passive und aktive Exoskelette
Exoskelette können nach der Art der Energiezufuhr, der unterstützten Körperregion und dem Grad der Anpassung an die menschliche Anthropometrie unterschieden werden (Huysamen et al. 2018). Bereits weit verbreitet sind passive Exoskelette. Diese bestehen in der Regel aus einem Stützrahmen, der die während einer Bewegung aufgenommene und gespeicherte Energie zur Stabilisierung oder Bewegungsunterstützung an den Benutzenden zurückgibt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik sind es vor allem passive Exoskelette, die für eine industrielle Anwendung genutzt werden können. Hier hat es in den letzten Jahren weltweit eine Vielzahl von Entwicklungen gegeben, die Gewicht, Tragekomfort und Handhabbarkeit verbessert haben.
Im Gegensatz dazu wird ein Exoskelett als „aktiv“ bezeichnet, wenn es über ein oder mehrere elektrische und/oder mechanische Antriebselemente, pneumatische oder hydraulische Zylinder verfügt, die die Leistungsfähigkeit des Hand-Arm-Schultersystems des Anwendenden erhöhen. Aktive Systeme sind zwar deutlich schwerer als passive Exoskelette, befinden sich aber ebenfalls bereits in der industriellen Erprobung. Es ist nicht verwunderlich, dass die dabei erworbenen Erfahrungen auch im Handwerk gemacht werden wollen. So kam bei einer großen PKW-Niederlassung der Wunsch auf, ein aktives Exoskelett beim saisonalen Räderwechsel in der Autowerkstatt auszuprobieren.
Nutzen und Risiken
Der aktuelle Anwendungsfall Montage beziehungsweise Demontage und Einlagerung oder Bereitstellung von Autorädern beinhaltet Arbeitsaufgaben, die beim Menschen durch gesteigerte Körperkräfte und ungünstige Körperhaltungen zu erhöhten körperlichen Belastungen führen. Die Radgewichte schwanken je nach Größe des PKW zwischen 20 und 45 kg, bei großen SUVs liegen sie sogar noch darüber. Um solche Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen bewerten zu können, wurde eine vergleichende Felduntersuchung mit und ohne Verwendung des 8 kg schweren aktiven Exoskeletts „Cray X“ des Herstellers German Bionics durchgeführt. Im Mittelpunkt der Auswertung stand die Frage nach dem physiologischen Nutzen, aber auch den möglichen Risiken des Einsatzes eines aktiven Exoskeletts beim Pkw-Radwechsel in der Kfz-Werkstatt.
Die Erwartungen des Servicepersonals an das Exoskelett waren hoch. Das Exoskelett sollte eine körperliche Entlastung bieten, kompakt, bequem und atmungsaktiv sein, ein geringes Gewicht haben und an die unterschiedlichen Körpergrößen des Personals anpassbar sein. Zudem sollte es schnell und einfach an- und ausziehbar sein und die natürlichen Bewegungen ermöglichen. Doch die Realität widersprach diesen Forderungen in fast allen Punkten. Lediglich die Anpassung an den Körper war immer gegeben und die körperliche Entlastung war im Rücken spürbar.
Die Haltungsanalyse offenbarte dann eine Besonderheit. Ohne Exoskelett erfolgte ein ergonomisches Anheben des Rads vom Boden mit geradem Rücken aus den Knien heraus. Diese Bewegungsfolge ist auch mit getragenem aktivem Exoskelett möglich, dann aber erfolgt keine aktive Rückenunterstützung und die Person trägt lediglich ein Zusatzgewicht von 8 kg auf dem Rücken. Erst wenn der Rücken gebeugt und dann wieder aufgerichtet wird, setzt die Unterstützung ein. Damit wurde im Verlauf der ausgeführten Tätigkeiten eine verändernde Bewegungsausführung sichtbar, wie sie ➥ Abb. 1 für das Aufnehmen des Rads zeigt.
Darüber hinaus sind weitere potenzielle Risiken und Besonderheiten beim Einsatz eines aktiven oder passiven Exoskeletts zu beachten. Die Kraftunterstützung darf nicht zu einem Anstieg von Lastgewichten führen. Verletzungen durch Fehlfunktionen des elektrisch angetriebenen Exoskeletts oder durch die mechanischen Gelenke müssen ausgeschlossen sein. Es besteht eine erhöhte Sturzgefahr auf Leitern und Treppen und die Gefahr von Verletzungen durch das zusätzliche Gewicht und Bewegungseinschränkungen sind üblich. Der zusätzliche Zeitbedarf beim Ausziehen lässt vielleicht auch die Zeit zum Verlassen eines Gefahrenbereichs ansteigen, beispielsweise im Brandfall. Fehlbedienungen sind möglich, ebenso wie das Verhaken oder das Beschädigen von Werkstatteinrichtungen oder Kunden-PKW beim Anstoßen.
Anwendungsfall Räderwechsel
Im Rahmen der objektiven und subjektiven Analyse der Arbeitsbedingungen mit und ohne den Einsatz eines aktiven „Cray X“-Exoskeletts wurde eine Feldstudie in einer großen Niederlassungswerkstatt eines Automobilherstellers durchgeführt.
Das Probandenkollektiv umfasste insgesamt 20 männliche Personen, wovon aber nur 10 für die objektive Datenerhebung zur Verfügung standen. Das Durchschnittsalter aller 20 Kfz-Mechaniker betrug 24,9 ± 8,2 Jahre bei einer durchschnittlichen Größe von 178,4 ± 6,7 cm, einem Gewicht von 83,9 ± 16,1 kg und einem Body Mass Index (BMI) von 26,3 ± 4,2. Während die Hälfte aller Probanden auf Erfahrungen im Umgang mit einem Exoskelett zurückgreifen konnte, wiesen gar 80% des für die objektiven Messungen herangezogenen Kollektivs Vorerfahrungen mit unterschiedlichen Exoskeletttypen auf. Die 10 Mechaniker, die für die physiologischen Messungen zur Verfügung standen, hatten ein Durchschnittsalter von 25,4 ± 7,9 Jahren, waren durchschnittlich 178,6 ± 5,3 cm groß und 85,0 ± 9,8 kg schwer und hatten einen BMI von 26,6 ± 2,8.
Für die Aufzeichnung der relevanten physiologischen Parameter wurde das mobile Ergospirometrie-System „Cortex MetaMax 3B-R2“ verwendet (➥ Abb. 2). Das Spirometriegerät misst die physikalischen Atmungsparameter mittels „Breath-by-Breath“ oder „Intra-Breath“-Messtechnik die in- und exspiratorische Sauerstoffaufnahme sowie die Atemflussabgabe. So wird es möglich, den Energieaufwand unter realen Arbeits- und Umgebungsbedingungen zu ermitteln. Außerdem wurde das System mit dem Herzfrequenzmesssystem Polar® S810i zur globalen Beanspruchungsanalyse gekoppelt.
Foto: Karsten Kluth
Weiterhin kam ein Fragebogen zur Erfassung des Beanspruchungserlebens dazu. Dieses wurde mithilfe einer modifizierten Body-Map nach Corlett und Bishop (1976) ermittelt. Anhand der Body-Map wurde sowohl die vordere Körperseite mit insgesamt zwölf verschiedenen Körperteilen als auch die rückwärtige Körperseite mit sechs unterschiedlichen Körperteilen evaluiert. Pro Körperteil wurde die empfundene Beanspruchung unter Zuhilfenahme der standardisierten CR-10-Skala nach Borg (1998) auf einer Skala von 0 „Keine Beanspruchung“ bis 10 „Maximale Beanspruchung“ bewertet.
Die Arbeitsaufgabe bestand aus einem typischen Radwechsel auf einer Arbeitsbühne. Für die Versuche stand ein Mini Cooper zur Verfügung. Das Gewicht eines einzelnen Rades – Reifen mit Felge – betrug 22 kg. Die Versuche erfolgten unter kontrollierten Bedingungen einmal mit aktivem Exoskelett und einmal ohne Exoskelett. Die Arbeitsphase bestand aus den folgenden Teilarbeitsschritten:
Nach der Durchführung der Versuche wurde das Belastungserleben von 20 Mechanikern mit Hilfe der Body-Map dokumentiert. Die ordinalskalierten Daten wurden mit dem nichtparametrischen Wilcoxon Signed Rank Sum Test ausgewertet. Statistische Signifikanz wurde ab einem Signifikanzwert von 5 % angenommen. Aufgrund der geringen Stichprobengröße von nur 10 Probanden bei der Erhebung der physiologischen Messdaten musste auf eine analytisch-statistische Auswertung verzichtet werden.
Analyse der Messdaten
Beim Räderwechsel wurde bei beiden Anwendungsfällen auf eine möglichst körperschonende, ergonomische Arbeitsausführung geachtet, soweit einerseits die Arbeitsumstände dieses in der Werkstattumgebung zuließen und andererseits die Bewegungsausführung keinem Einfluss durch das Exoskelett unterlag.
Der durchschnittliche Zeitaufwand für die Arbeitsaufgabe ist mit dem Exoskelett höher (37,9 Sekunden/Arbeitszyklus) als ohne das Unterstützungssystem (34,4 Sekunden/Arbeitszyklus). Die in den Versuchen gemessenen Arbeitspulsprofile zeigen, dass sowohl das Ein- und Auslagern der Räder als auch die eigentliche Montage und Demontage als körperlich anstrengende Tätigkeit bezeichnet werden kann. ➥ Abbildung 3 macht deutlich, dass die durch Halten und Tragen gekennzeichneten Arbeitsschritte Einlagern und Bereitstellen besonders körperlich anstrengend sind. Das Einlagern wirkt sich zudem noch nachteilig auf das folgende Montieren des ersten Rades aus.
![Abb. 3: Arbeitspulsfrequenz [1/min] in den einzelnen Abschnitten des Räderwechsels sowie mittlerer Anstieg der Herzschlagfrequenz [1/min] (eigene Darstellung)](/sites/default/files/styles/aurora_default/public/aurora/2021/10/147397.jpeg?itok=iKwQXjPU)
Der durchschnittliche Anstieg der Herzschlagfrequenz liegt ohne Einsatz des Exoskeletts bei 45 Schlägen pro Minute, mit Exoskelett bei 43 Schlägen pro Minute. Beide Werte übersteigen damit den Wert für die Dauerleistungsgrenze von 35 Schlägen pro Minute, verglichen mit der im Sitzen gemessenen Ruheherzschlagfrequenz von 73 Schlägen pro Minute für beide Anwendungsfälle.
Nach der Darstellung der Ergebnisse des arbeitsphysiologischen Parameters, der die Belastungsseite der Arbeit repräsentiert, stellt der Energieverbrauch die Größe dar, mit der die Belastung und damit die Schwere der körperlichen Arbeit in einem Zahlenwert charakterisiert werden kann. Zu den wichtigsten spirometrischen Parametern gehört die Sauerstoffaufnahme, die im Mittel über alle Arbeitspersonen bei Verwendung des Exoskeletts 1,14 l/min und ohne Exoskelett 1,13 l/min betrug. Aus der Sauerstoffaufnahme und dem Kohlendioxidausstoß wurde für beide Testszenarien der respiratorische Quotient berechnet, um das energetische Äquivalent zu ermitteln. Das Produkt aus dem energetischen Äquivalent und der Sauerstoffaufnahme pro Stunde ergibt den Bruttoenergieaufwand.
Zu Gunsten eines detaillierten Vergleichs muss der Bruttoenergieaufwand in den von Alter, Körpergröße und Körpermasse abhängigen Grundenergieaufwand und den Arbeitsenergieaufwand zerlegt werden. Letzterer stellt die Belastung bei der Arbeit dar. Der Grundumsatz beträgt bei einem Durchschnittsalter von 25,4 Jahren und nach der Mifflin-St. Jeor-Formel (Mifflin et al. 1990) 322 kJ/h beziehungsweise 89 Watt. Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads des Menschen, der nach Strasser (1986) bei industriellen Tätigkeiten bei 5–10 % liegt, wurden bei der Benutzung des „Cray X“ mit einer Leistungsaufnahme, das heißt dem Arbeitsaufwand, von 1073 kJ/h beziehungsweise 298 Watt bestenfalls 30 Watt in die eigentliche Arbeitsaufgabe investiert.
Bei der Durchführung des Tests ohne Exoskelett wurden nur leicht reduzierte Werte für den Arbeitsaufwand registriert (1066 kJ/h, 296 Watt). Mit knapp 270 Watt wurde ein erheblicher Wärmeüberschuss produziert, wobei eine durchschnittliche Temperatur beziehungsweise Raumtemperatur angenommen wurde. Mit Hilfe von Atmungsparametern lassen sich zudem unterschiedliche Auslastungsgrade des gesamten kardiopulmonalen Systems als Funktionseinheit aus Herz und Lunge ermitteln. Der Auslastungsgrad des Herz-Kreislauf-Systems betrug demnach bei Verwendung des Exoskeletts ca. 40 %, während ohne Unterstützung ein Auslastungsgrad von 38 % zu verzeichnen war.
Subjektives Beanspruchungserleben
Wie bereits die objektiven Ergebnisse zeigten, verursacht der Radwechsel auch subjektiv erlebt eine erhöhte körperliche Belastung. Während nur für den Nacken und das Gesäß eine schwache bis mittlere Belastung zu verzeichnen war, erfuhren die übrigen Körperteile eine durchgängig erhöhte Belastung. Oberer und unterer Rücken, Oberarme sowie Knie und Oberschenkel erfahren eine stärkere (> 6) und insgesamt stärkste Belastung auf der Skala von 0 bis 10. Die subjektiv empfundene Mehrbelastung ist für den gesamten Schulterbereich, den Rumpf, die Hüfte sowie für den Rücken bei Verwendung des „Cray X“ geringer als ohne dessen Verwendung. Lediglich die oberen Extremitäten mit Ausnahme des Ellenbogens sowie der Nacken und die Füße registrieren eine zusätzliche Belastung bei der Exoskelettnutzung. Diese Zunahme ist jedoch marginal im Vergleich zur Arbeit ohne Unterstützung. Die stärksten Unterschiede der verschiedenen Anwendungsszenarien finden sich für den unteren und oberen Rücken (25 % bzw. 21 %) sowie für den unteren und oberen Rumpf (11 % bzw. 7 %) zugunsten der exoskelettierten Anwendung (➥ Abb. 4). Die Unterschiede sind signifikant für den oberen (z = 2,79, p = 0,005, n = 17) und unteren Rücken (z = 2,82, p = 0,005, n = 18). Während die Tätigkeit ohne den Einsatz des Unterstützungssystems – insbesondere für den unteren Rücken – annähernd als sehr starke Belastung bewertet wird, ist die gleiche Aufgabe mit Hilfe des Exoskeletts aus Sicht der Probanden nur anstrengend.
Ergebnisbeurteilung
Das Exoskelett „Cray X“ wurde speziell entwickelt, um den Kompressionsdruck im unteren Rückenbereich beim Heben schwerer Lasten zu reduzieren. Wenn eine manuelle Handhabung mit geradem Rücken ohne Exoskelett durchgeführt wird und Lasten nahe am Körper gehoben und getragen werden, wird der Druck gleichmäßig auf die Bandscheibe übertragen. In diesem Fall hat das Gewicht der Last und des eigenen Körpers nur einen relativ kurzen Hebelarm auf die Wirbelsäule. Es hat sich jedoch gezeigt, dass selbst grundlegende ergonomisch korrekte Verhaltensweisen, wie beispielsweise ein gerader Rücken oder das Heben aus den Knien, nicht vollständig eingehalten werden. Auch beim Tragen und Ansetzen des Rads am PKW ist es bauartbedingt schwierig, das rund 22 kg schwere Objekt körpernah zu bewegen, so dass eine Haltungsarbeit erforderlich ist. Insgesamt können die Teilprozesse zu einer kompensatorischen Hyperlordose, das heißt zu Beschwerden im Rückenbereich beziehungsweise der Lendenwirbelsäule, führen. Aufgrund des erhöhten Sauerstoffbedarfs und der verschlechterten Durchblutung steigt neben der muskulären auch die kardiovaskuläre Belastung. Alle Tätigkeiten, auch die Montage und Demontage der Räder, werden zudem im Stehen ausgeführt. Beschäftigte sind somit einem erhöhten Energieaufwand während der gesamten Arbeitsleistung ausgesetzt.
Diese Erkenntnisse werden durch die objektiven Ergebnisse weitgehend bestätigt. Die zu verrichtenden Arbeiten sind beim Einsatz des „Cray X“ mit deutlich weniger Kraftaufwand verbunden. Die meist erwartete Unterstützung beim Stapeln oder Entnehmen der Räder mit Hilfe des Exoskeletts konnte jedoch nur bedingt nachgewiesen werden. Die objektiv ermittelten Daten zeigen nur leicht reduzierte Werte für die Herzschlagfrequenz. Der Energieaufwand ist mit dem 8 kg schweren „Cray X“ sogar geringfügig höher als ohne.
Geht man von einer repetitiven beziehungsweise hochfrequenten Ausführung der Arbeitsaufgabe aus, kann das Exoskelett also physiologische Vorteile für Anwendende in Form einer Reduzierung des Kompressionsdrucks im unteren Rückenbereich generieren. Dieser Befund wird durch die subjektiv empfundene Belastung der Probanden signifikant bestätigt, insbesondere durch die Tatsache, dass durch den Einsatz des aktiven Exoskeletts eine reduzierte Belastung von Rücken, Rumpf und Hüfte festgestellt wurde. Insgesamt ergibt sich jedoch nur ein geringer Vorteil beim Räderwechsel.
Inwieweit die hier analysierte Tätigkeit das passende Anwendungsszenario für ein aktives Exoskelett darstellt, ist somit fraglich. Nach Auswertung der Daten zeigt eine Gesamtbetrachtung, dass nur marginale Unterschiede zu verzeichnen waren. Lediglich das kurzzeitige Aufnehmen und Absetzen der Räder wurde durch das Exoskelett messbar und spürbar unterstützt. Allerdings ist diese Unterstützung nur dann wirklich effektiv, wenn die Körperhaltung ohne Einsatz des Exoskeletts nicht ergonomisch ist, das heißt mit gestreckten Beinen und gebeugtem Rücken. Unabhängig von der Anwendung und Umsetzung eines solchen Unterstützungssystems erscheint es sinnvoll, die Beschäftigten über mögliche Risiken durch ungünstige Körperhaltungen zu informieren und sie in den Bereichen Lasthandhabung und Steharbeitsplätze umfassend zu schulen. Eine Arbeitsplatzanalyse und eine damit verbundene Bewertung des Einsatzes von Exoskeletten sind unabdingbar, um effiziente und belastungsminimierende Arbeitsplatzbedingungen zu schaffen.
Interessenkonflikt: Der Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt vorliegt.
Literatur
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Da Costa BR, Vieira ER: Risk factors for work-related musculoskeletal disorders: A systematic review of recent longitudinal studies. Am J Industr Med 2010; 53: 285–323.
De Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’sullivan LW: Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics 2016; 59: 671–681.
Epstein S, Sparer EH, Tran BN, Ruan QZ, Dennerlein JT, Singhal D, Lee BT: Prevalence of work-related musculoskeletal disorders among surgeons and interventionalists: A systematic review and meta-analysis. JAMA Surg 2018; 153: e174947.
Jezukaitis P, Kapur D: Management of occupation-related musculoskeletal disorders. Best Pract Res Clin Rheumatol 2011; 25: 117–129.
Huysamen K, De Looze M, Bosch T, Ortiz J, Toxiri S, O’sullivan LW: Assessment of an active industrial exoskeleton to aid dynamic lifting and lowering manual handling tasks. Applied Ergonomics 2018; 68: 125–131.
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Corlett EN, Bishop RP: A technique for assessing postural discomfort. Ergonomics 1976; 19: 175–182.
Borg G: Borg‘s perceived exertion and pain scales. Human Kinetics, 1998.
Strasser H: Physiologische Grundlagen zur Beurteilung menschlicher Arbeit Belastung/Beanspruchung/Dauerleistung/Ermüdung/Streß. REFA-Nachrichten 1986; 39: 18–29.
Weitere Infos
Kommission Arbeitsschutz und Normung (KAN): Exoskelette an gewerblichen Arbeitsplätzen – alles sicher? KAN-Brief 3/2019
https://www.kan.de/publikationen/kanbrief/exoskelette/exoskelette-an-ge…
AWMF: Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext zur Primär-, Sekundär-, und Tertiärprävention von arbeitsassoziierten muskuloskelettalen Beschwerden (Stand 31.05.2020)
https://www.awmf.org/leitlinien/detail/ll/002-046.html
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