Exoskelette in der Intralogistik

Einführung

Viele Prozesse in der Intralogistik werden trotz zunehmender Automatisierung in der Industrie manuell durch den Menschen durchgeführt [1], insbesondere Tätigkeiten mit hoher Komplexität, aufwendigen Produkten oder einer erforderlichen Flexibilität. Häufig sind diese Tätigkeiten körperlich besonders belastend, wodurch beim Arbeitnehmer Beschwerden am Stütz- und Hebeapparat entstehen können [2]. Die Fehlzeiten auf Grund von Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) ergaben im Jahr 2020 in Deutschland einen Anteil von ca. 22 Prozent der Gesamtfehlzeiten [3] mit Produktionsausfallkosten in Höhe von 21,5 Mrd. Euro [4]. Die Fehlzeiten sind bei älteren Beschäftigten besonders hoch [3], deren Anteil durch den demographischen Wandel steigt [5, 6]. Eine ergonomische Arbeitsplatzgestaltung zur Vorbeugung von Beschwerden gewinnt daher bei vielen Unternehmen zunehmend an Bedeutung. Diesen Herausforderungen kann unter anderem mit Exoskeletten entgegengewirkt werden.

Exoskelette sind technische, am Körper getragene Unterstützungssysteme, die Arbeitnehmer bei ihren täglichen Aufgaben entlasten und eine ergonomische Körperhaltung fördern. Je nach Anwendungs- und Unterstützungsfall (z.B. Kraftunterstützung beim Heben, Entlastung bei Überkopfarbeiten, Haltungskorrektur) existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme. Durch deren Einsatz kann der Arbeitgeber seine Beschäftigten darin unterstützen, die beruflichen Herausforderungen länger ohne körperliche Beschwerden zu bewältigen [7] und darüber hinaus das Arbeitsvolumen, die Produktivität und die Effizienz erhöhen [7, 8]. All diese Faktoren sind für die aktuelle und zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen wichtig [8]. Die Auswahl eines geeigneten Exoskeletts für die jeweilige Arbeitstätigkeit stellt dabei jedoch eine Herausforderung dar und beruht häufig auf dem subjektiven Empfinden von entscheidungsbefugten Personen [8]. Aus diesem Grund beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Frage, wie Exoskelette systematisch und ganzheitlich für verschiedene Prozesse auf Grundlage von Systemkriterien empfohlen werden können.

Zur Klärung der Frage wird zunächst auf den aktuellen Stand der Technik bezogen auf Ergonomie-Bewertungsmethoden und Bedarfserfassung eingegangen. Anschließend wird eine Klassifizierung für Exoskelette vorgestellt, die eine Auswahl auf Grundlage der ergonomischen Bewertung und Prozesseigenschaften erlaubt. Auf dieser Basis wird für die Auswahl und Implementierung ein mehrstufiges Vorgehensmodell vorgestellt. Der Fokus dieses Beitrags liegt auf Phase 1 des Modells, welche im Anschluss an-hand von zwei Anwendungsbeispiele, der Containerentladung und der Palettierung dargestellt wird.

Ergonomie-Bewertungsmethoden und Bedarfserfassung

Zur Bewertung von Arbeitsbelastungen können unterschiedliche Ergonomie-Analyse-Methoden angewendet werden, die sich hauptsächlich im Umfang der betrachteten Körperbereiche unterscheiden. Bewertet werden dabei vor allem die Haltung der Arme, Handgelenke, Nacken, Oberkörper und Beine, aufgrund ihrer Position und Winkel. Einbezogen werden auch die Dauer und Häufigkeit der ausgeführten Bewegungen während einer Tätigkeit sowie die zu bewegenden Lasten. Zum Teil wird auch die Greifbarkeit der Objekte sowie die Arbeitsumgebung berücksichtigt. Die Methoden werden meistens von geschulten Mitarbeitern angewendet, die dabei u.a. auf Checklisten zurückgreifen können. Bei der Leitmerkmahlmethode (LMM) werden Fragebögen genutzt, um unter anderem die Dauer der Tätigkeit, Wiederholungen und Körperhaltung zu erfassen. Die Bewertung ist häufig subjektiv und kann zwischen den Anwendern leicht abweichen. Am Ende wird durch eine Gesamtpunktzahl und ein Ampelsystem angegeben, ob für die Tätigkeiten Schutzmaßnahmen eingeführt werden sollten [7]. Mögliche Maßnahmen sollten dabei nach dem STOP-Prinzip festgestellt werden [8]. Das STOP-Prinzip beschreibt die Rangfolge von Schutzmaßnahmen: Substitution (S), technische Schutzmaßnahmen (T), organisatorische Schutzmaßnahmen (O) und persönliche Schutzmaßnahmen (P). Häufig ist eine Substitution sowie technische und organisatorische Schutzmaßnahmen bei manuellen Prozessen in der Intralogistik nicht möglich, woraufhin persönliche Schutzmaßnahmen eingeführt werden [9].

Solche persönlichen Schutzmaßnahmen können dann zum Beispiel Exoskelette darstellen. Für deren konkrete Auswahl finden sich in der Wissenschaft und Praxis bisher nur eine geringe Anzahl an Methoden. Diese betrachten dabei Aspekte wie die Arbeitsschutzorganisation, Mitarbeiter- und Arbeitsplatzkontext, Exoskelett-Anforderungen, Gefährdungsbeurteilung, wirtschaftliche Aspekte sowie die Implementierung, Inbetriebnahme und Support [9, 10, 11]. Bei den Vorgehensmodellen fehlt allerdings entweder ein genaues Vorgehen zur Auswahl eines Exoskeletts oder aber die Verknüpfung mit einem Exoskelett-Katalog, um die Bestimmung eines konkreten Modells für spezifische Anwendungen zu ermöglichen.

Klassifizierung von Exoskeletten

Für die Auswahl passender Exoskelette, die die anwendungs- und personenbezogenen Anforderungen möglichst umfassend erfüllt, wird eine ausreichend große Datenbasis am Markt verfügbarer Lösungen benötigt. Hierzu existieren Webseiten, die eine Übersicht über verschiedene Systeme geben, wie z.B. Orthexo, Exoskeleton Report, Motion Miners Solutions, oder Direct Industries. Bei diesen ist festzustellen, dass deren Lösungsumfang stark variiert und nicht immer der aktuelle Zustand des Marktes abbilden. In den Katalogen werden die einzelnen Exoskelette in mehreren Kategorien zusammengefasst, allerdings folgen diese zwischen den Plattformen mit ihren unterschiedlichen Angeboten keinem einheitlichen Schema. Zusatzinformationen, die über die Grundkategorien, wie den unterstützen Körperbereich hinausgehen und für einen detaillierten Vergleich benötigt werden, sind dabei selbst innerhalb der Plattformen der einzelnen Betreiber für eine Auswahl nicht ausreichend und teils inkonsistent. Die Beschreibung der Lösungen anhand einheitlicher Merkmale und einer konsistenten Bezeichnungen der individuellen Ausprägungen würde einen effizienten Vergleich der Systeme sowie die computergestützte Entscheidungsfindung ermöglichen [10], wodurch Auswahlprozesse innerhalb variantenreicher Lösungsräume auch ohne explizites Fachwissen durchgeführt werden können [11, 12].

Neben den Umsetzungen der Internetkataloge existieren in der wissenschaftlichen Literatur verschiedene Ansätze zur Klassifizierung von Exoskeletten auf Basis von Literatur- und Marktrecherchen. Die Einsatzebereiche unterscheiden sich dabei deutlich und umfassen neben kommerziellen Lösungen für den industriellen Einsatz häufig auch solche aus dem medizinischen Bereich sowie Prototypen. Vorobiev et al. [13] beschreiben sieben Merkmale, die sie auf 13 Exoskelette anwenden. Goehlich et al. [14] klassifizieren insgesamt elf Systeme anhand ihrer unterstützten Körperregionen. Weidner & Karafillidis [15] stellen eine Klassifizierung anhand von Körperregionen sowie der Art der Bewegungsunterstützung vor und ordnen diesen verschiedene Typen von Exoskeletten zu. Diese wird von den Autoren in [16] auf 32 Exoskelette für den industriellen Einsatz angewendet, wobei zusätzlich technische Eigenschaften berücksichtigt werden. Voilque et al. [17] berücksichtigen in ihrem Beitrag 30 kommerziell verfügbare Systeme, die anhand der Kriterien Gewicht, Körperregion, aktiver oder passiver Unterstützung, Energiequelle sowie Einsatzsituationen kategorisiert werden. In der Arbeit von Matokhina et al. [18] wird eine Ontologie für Exoskelette mit acht Merkmalen vorgestellt, die auf einer Marktrecherche von 95 nicht näher benannten Systemen basiert. La Tejera et al. [19] präsentieren ein Modell mit sechs Merkmalen, dass sie auf 75 Exoskelette anwenden, von denen allerdings nur zehn tatsächlich kommerziell verfügbar sind. Tiboni et al. [20] untersuchen wissenschaftliche Beiträge über Exoskelette und leiten daraus sieben Merkmale ab, anhand derer sie die Systeme kategorisieren. Insgesamt wurden acht kommerzielle Systeme berücksichtigt, wobei der Fokus vorranging auf dem medizinischen Bereich liegt. Ein Großteil der beschriebenen Ansätze berücksichtigt nur eine geringe Anzahl kommerziell erhältlicher Systeme für den industriellen Einsatz und ist älteren Datums, womit die aktuellen technischen Entwicklungen und das Marktgeschehen nicht abgebildet werden. Außerdem ist festzuhalten, dass die bisherigen Ansätze wenige Eigenschaften berücksichtigen, die für eine direkte, anwendungsbezogene Systemauswahl verwendet werden können.

Aus diesem Grund wurden die Merkmale konsolidiert und erweitert, sodass sich ein direkter Bezug zwischen einzelnen Exoskeletten und den Aufgaben herstellen lässt, wie sie in der Leitmerkmalmethode erfasst werden. Die Merkmale wurden in einem morphologischen Kasten in Bild 1 gruppiert und Bereichen zugeordnet, die sich neben der Aufgabenbeschreibung auf die Unterstützung durch das Exoskelett, dessen Anwendung durch den Nutzer und weitere technische Eigenschaften beziehen. Eine Erklärung erfolgt im Kontext der Anwendungsbeispiele in Abschnitt „Anwendungsbeispiele“. Zusätzlich ist den einzelnen Ausprägungen eine Anzahl an Systemen zugeordnet, die diese aufweisen. Diese wurden in einer aktuellen Marktrecherche ermittelt, wobei insgesamt 68 Lösungen von 34 Herstellern berücksichtigt wurden. Auf Grundlage dieser recherchierten und klassifizieren Systeme kann eine systematische und anwendungsspezifische Lösungsauswahl erfolgen.

Bild 1

Exoskelett-Morphologie für eine anwendungsspezifischeLösungsauswahl

Vorgehensmodell zur anwendungsspezifischen Auswahl von Exoskeletten

Ausgehend von der initial eingeführten Forschungsfrage und dem Bedarf nach einer ganzheitlichen Methodik zur systematischen Auswahl von Exoskeletten wurde das in Bild 2 dargestellte und nachfolgend erläuterte Vorgehensmodell entwickelt, welches sich in drei Phasen gliedert:

1. Phase 1: Ist-Analyse des Arbeitsplatzes und Vorauswahl mehrerer Maßnahmen,

2. Phase 2: Erprobung verschiedener Maßnahmen (Pilotphase),

3. Phase 3: Implementierung einer ausgewählten Maßnahme (betriebliche Umsetzung).

Bild 2

Methodisches Vorgehensmodell zur Auswahl und Einführung ergonomischer Unterstützungssysteme

Die einzelnen Aufgaben innerhalb dieser Phasen sowie Methoden, die bei der Durchführung der Aufgaben unterstützen können, werden nachfolgend erläutert.

Anwendungsbeispiele

Die Phase 1 des Vorgehensmodells soll anhand von zwei Anwendungsbeispielen exemplarisch dargestellt werden. Als erstes Anwendungsbeispiel wird das Szenario einer Containerentladung betrachtet. In einem typischen Container für den Transport von Waren sind in der Regel mehrere Pakete gestapelt, die von den Arbeitskräften entnommen werden müssen und auf Paletten gestapelt werden. Die Tätigkeit wurde mit der LMM für Heben, Halten und Tragen mit einer Bewertung von 189 für Männer und 207 für Frauen als hohe Belastung eingestuft. Damit sind Maßnahmen zur Gestaltung erforderlich. Die Aufgabe ist im Bereich der Logistik, die Tätigkeit ist Heben, Halten und Tragen. Die Bewegungen der Arbeitskräfte, die zwischen dem Container und der Palette agieren, sind durch eine dynamische Körperhaltung gekennzeichnet. Um die Pakete aus dem Container zu entnehmen, müssen die Arbeitskräfte häufig über Kopf und unterhalb der Hüfte arbeiten, je nach Schichthöhe der Pakete. Unterstützt werden soll vor allem der Rücken mit hoher Unterstützungsleistung. Bei Arbeiten im Container empfiehlt sich ein körpernahes Exoskelett, aufgrund des engen Raumes. Mithilfe der Exoskelett-Morphologie für eine anwendungsspezifische Lösungsauswahl und dem erstellten Tätigkeitsprofil konnten zwei Exoskelette vorgeschlagen werden. Zum einen das passive Exoskelett Laevo V2 und das aktive Exoskelett Japet W+.

Als zweites Anwendungsbeispiel wird das Szenario der Palettierung betrachtet. Die Pakete weisen unterschiedliche Gewichte auf und werden von einer Palette entnommen und auf eine andere neu gestapelt, wobei die Tätigkeit nicht den ganzen Tag durchgeführt wird. Die Tätigkeit wurde mit der LMM für Heben, Halten und Tragen mit einer Bewertung von 72 für Männer und 83 für Frauen als wesentlich erhöhte Belastung eingestuft. Damit sind Maßnahmen zur Gestaltung zu prüfen. Die Aufgabe ist ebenso im Bereich der Logistik, die Tätigkeit ist Heben, Halten und Tragen. Die Tätigkeit erfordert von den Arbeitskräften eine dynamische Körperhaltung, während sie zwischen den beiden Paletten agiert. Beim Aufnehmen und Platzieren ist die Arbeitshöhe überwiegend unterhalb der Brust. Auch hier soll vor allem der Rücken entlastet werden mit mittlerer Unterstützungsleistung. Das Exoskelett sollte für diese Tätigkeit über eine einstellbare Unterstützung während des Tragens verfügen, um passend zu den unterschiedlichen Paketgewichten zu unterstützen. Mithilfe der Exoskelett-Morphologie für eine anwendungsspezifische Lösungsauswahl und dem erstellten Tätigkeitsprofil konnten fünf Exoskelette vorgeschlagen werden. Darunter sind die Exoskelette Bionic-Back, SoftExo Lift 5, Ottobock BackX, HAL Lumbar und CarrySuit.

Diskussion und Ausblick

Ausgehend von der Problemstellung der gesundheitlichen Belastung von vielen manuellen Tätigkeiten in der Intralogistik, wurde die Frage untersucht, wie Exoskelette systematisch und ganzheitlich für verschiedene Prozesse auf Grundlage von Systemkritiken ausgewählt werden können. Bisherige Vorgehensmodelle können häufig nur Exoskelett-Arten empfehlen, allerdings keine konkreten Modelle für spezifische Prozesse vorschlagen. Bestehende Plattformen, die eine Übersicht über verschiedene Systeme geben, variieren häufig im Lösungsumfang und erlauben keine direkte Zuordnung zu den Tätigkeiten. Daher wurde eine Exoskelett-Morphologie für eine anwendungsspezifische Lösungsauswahl entwickelt, anhand derer 68 Lösungen klassifiziert wurden. Die berücksichtigten Systeme werden zukünftig durch Weiterentwicklungen und neue Produkte nicht mehr aktuell sein. Es besteht daher weiterführender Forschungsbedarf dahingehend, wie eine fortlaufend aktuelle Katalogisierung und vor allem auch eine Erweiterung mit neuen Systemen möglich ist, um Exoskelette für unterschiedliche Prozesse auswählen zu können. Die Phase 1 des vorgestellten Vorgehensmodells zur Auswahl und Einführung ergonomischer Unterstützungssysteme konnte an zwei Anwendungsbeispielen dargestellt werden. Zukünftig sollen auf Basis des Modells nicht nur Exoskelette, sondern auch andere Systeme und Maßnahmen zur gesundheitsförderlichen Arbeitsgestaltung vorgeschlagen werden. Eine Übertragbarkeit muss noch in weiteren Forschungen überprüft werden. Im nächsten Schritt wird zunächst die Phase 2 und Phase 3 des Vorgehensmodells in Unternehmen an unterschiedlichen Prozessen getestet und validiert.