Exoskelette im industriellen Praxistest

Einleitung

Besonders an Arbeitsplätzen mit hohem Anteil manueller Tätigkeiten sind Beschäftigte einem erhöhten Risiko für Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) ausgesetzt, die zu den häufigsten berufsbedingten Gesundheitsprobleme in Europa zählen [1, 2]. Allein in Deutschland waren MSE im Jahr 2023 für 19,3 Prozent aller Arbeitsunfähigkeitstage in der Industrie verantwortlich und führten zu einem Verlust an Bruttowertschöpfung von 42,6 Milliarden Euro [3]. Diese Zahlen unterstreichen die Notwendigkeit präventiver Maßnahmen, gerade angesichts des für Unternehmen herausfordernden Umgangs mit dem demografischen Wandel [1].

Exoskelette sind tragbare Unterstützungssysteme, die den menschlichen Körper bei physisch belastenden Tätigkeiten entlasten können [4, 5]. An Arbeitsplätzen bieten sie die Möglichkeit, körperliche Beanspruchungen zu reduzieren und damit die Arbeitsergonomie zu verbessern und zur Gesunderhaltung der Beschäftigten beizutragen [6]. Am Markt verfügbare industrielle Exoskelette zielen vor allem auf die Unterstützung bei Überkopftätigkeiten oder beim tiefen Heben schwerer Lasten ab [4]. Neben zahlreichen Laborstudien wurden sie bereits in verschiedenen Industriezweigen und Feldanwendungen erprobt [4].

Trotz dieser Potenziale sind Exoskelette in europäischen Industriebetrieben noch nicht weit verbreitet im Einsatz [7]. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Während (Kurzzeit-)Studien vielfach die biomechanischen Effekte von Exoskeletten in kontrollierter Laborumgebung zeigen [5], bleibt die Übertragbarkeit auf heterogene reale Anwendungen begrenzt [8]. Faktoren wie An- und Ablegezeiten, die Varianz in den Aufgabenprofilen oder der Zeitanteil empfundener Unterstützung wirken hemmend auf Nutzer:innenakzeptanz und Gebrauchstauglichkeit von Systemen [8, 9, 10]. Hinzu kommt, dass die Interessen von Herstellern, Nutzer:innen und Arbeitsschutzakteuren nicht immer übereinstimmen und Langzeiteffekte noch unzureichend erforscht sind [7, 8]. Ebenfalls begünstigen unrealistische Erwartungen und mangelnde Erfahrung mit Exoskeletten Unsicherheiten und Vorbehalte in Unternehmen.

Um einen strukturierten Umgang mit diesen Herausforderungen zu ermöglichen, wurden in früheren Arbeiten Vorgehen zur Auswahl [11, 12], Testung [8, 13] und Einführung [8, 14] von Exoskeletten entwickelt. Sie betonen die Notwendigkeit eines mehrstufigen Vorgehens und empfehlen, technische, ergonomische und organisatorische Aspekte zu berücksichtigen und aufeinander abzustimmen. Während bestehende Studien den Fokus überwiegend auf biomechanische Effekte einzelner Systeme legen [5], ermöglicht das Vorgehen eine umfassendere Betrachtung.

Der vorliegende Beitrag greift zwei Praxisbeispiele aus der Industrie auf, in denen eine Exoskeletteignung geprüft wurde: die Montage kundenspezifischer Robotersysteme und die Metallbearbeitung im Rahmen einer Serienfertigung. Anhand dieser Praxisfälle werden Erfahrungen aufgezeigt und in das übergeordnete Vorgehen eingeordnet. Sie verdeutlichen die Relevanz kontextspezifischer und nutzerindividueller Anpassungen und liefern Unternehmen konkrete Anhaltspunkte für die Eignungsbewertung und die mögliche anschließende Einführung von Exoskeletten.

Vorgehen zur Auswahl und Erprobung

Um effektiv zu unterstützen, muss ein Exoskelett die Anforderungen des Unterstützungskontextes erfüllen. Dieser besteht aus dem:r Nutzer:in, der Tätigkeit und Arbeitsplatzumgebung sowie den Systemeigenschaften [11, 14]. Um ein geeignetes Exoskelett für einen bestimmten Arbeitsplatz auszuwählen, müssen alle Anforderungen des Unterstützungskontextes eindeutig charakterisiert und deren Erfüllung systematisch geprüft werden. Das sich daraus ergebende dreistufige Vorgehen, das von der Arbeitsplatzanalyse über die laborgestützte Evaluation bis hin zur Felduntersuchung und Akzeptanzprüfung reicht, ist in Bild 1 dargestellt und stützt sich auf die in Vorarbeiten entwickelten Vorgehen. Ein entscheidendes Prinzip ist dabei, dass nach jeder Analysephase nur dann in die nächste übergegangen wird, wenn die Ergebnisse nicht im Widerspruch zu einer möglichen Exoskeletteignung stehen.

Bild 1

Mehrstufiges Verfahren zur Auswahl und Erprobung von Exoskeletten in realen Arbeitsumgebungen.

Vorstellung der Praxisfälle

Das Vorgehen wurde exemplarisch an zwei Industriearbeitsplätzen angewendet. Der erste Arbeitsplatz befindet sich in einer Montageumgebung für kundenspezifische Robotersysteme, der zweite in der Metallbearbeitung im Rahmen einer Serienfertigung. Beide Arbeitsplätze sind durch manuelle Tätigkeiten geprägt, bei denen hohe Lasten oder Zwangshaltungen auftreten können. Bild 2 zeigt die zentralen Charakteristika der untersuchten Arbeitsplätze und veranschaulicht exemplarisch die durchgeführten Analysen, die sowohl auf Beobachtungen als auch auf einer automatisierten Ergonomiebewertung basieren.

Bild 2

Arbeitsplatzanalyse der beiden Praxisfälle (1 – Montage, Einzelfertigung, 2 – Metallbearbeitung, Serienfertigung) basierend auf Beobachtungen und Ergonomiebewertung, die beispielhaft für den ersten Praxisfall dargestellt sind

Ergebnisse aus den Praxisfällen

In beiden Praxisfällen konnte das Vorgehen erfolgreich angewendet werden. Während im ersten Fall bereits die Arbeitsplatzanalyse zentrale Vorbehalte gegenüber einer Exoskeletteignung zeigte, konnte im zweiten Fall der gesamte Prozess bis zur letzten Phase, einer mehrwöchigen Nutzer:innenstudie, durchgeführt werden.

Metallbearbeitung, Serienfertigung

Bei der Arbeitsplatzanalyse wurden für den zweiten Praxisfall, die Metallbearbeitung in der Serienfertigung, Schulterexoskelette als grundsätzlich geeignet identifiziert. Bei der Wahl kommerziell verfügbarer Systeme zeigte sich, dass einige bereits frühzeitig ausgeschlossen werden mussten, da sie die Sicherheitsbestimmungen der Arbeitsumgebung, insbesondere den Umgang mit offenem Feuer, nicht erfüllten. Zusätzlich erfolgte eine Prüfung durch die Arbeitsmedizin, die weitere Systeme beispielsweise aufgrund ihren hohen Eigengewichts ausschloss.

Die Laborstudie mit mehreren Teilnehmern ergab eine Vorauswahl von zwei mechanisch funktionierenden Schulterexoskeletten, die anschließend über fünf Wochen am Arbeitsplatz getestet wurden. Die Ergebnisse der Nutzer:innenstudie werden in Auszügen in Bild 3 dargestellt und veranschaulichen die Mehrdimensionalität des Adaptivitätsbegriffs. Zum einen hängt die Eignung und Akzeptanz eines Systems wesentlich von der anthropometrischen Passform ab. So schlossen Mitarbeitende Exoskelette, die sich nicht ausreichend auf ihre Körpermaße einstellen ließen, nach der einwöchigen Eingewöhnungsphase aus. Zum anderen wurde deutlich, dass auch eine Anpassung des Arbeitsablaufs den effektiven Einsatz von Exoskeletten fördern kann, wenn das System keine ausreichende Adaptivität bietet. Obwohl die Nutzer:innen das gewählte Exoskelett überwiegend als unterstützend und entlastend einschätzten, nahm die Nutzung gegen Ende der Testphase ab. Ursachen hierfür waren unter anderem Änderungen im Arbeitsprozess, die längere Tragezeiten ermöglichen sollten, sich jedoch als praktisch nicht umsetzbar erwiesen, sowie eine höhere Variabilität von Nebentätigkeiten. Für die Haupttätigkeit zeigte sich der Einsatz von Schulterexoskeletten als geeignet, für einen fortdauernden Einsatz müsste der Zeitanteil sowie die Dauer dieser Tätigkeit jedoch höher sein.

Bild 3

Ergebnisse der Nutzer:innenanalyse im Praxisfall 2: Feedback und gemittelte Nutzungsdauer der Exoskelette über die Testphase

Übergeordnete Erkenntnisse für Unternehmen

Aus den beiden Praxisfällen lassen sich übergeordnete Erkenntnisse für Unternehmen ableiten. Sie zeigen, dass ein strukturiertes Vorgehen Unternehmen eine wichtige Hilfestellung bei der Auswahl und Erprobung von Exoskeletten sowie somit eine relevante Grundlage für deren mögliche anschließende Einführung bieten kann. Bestehende Unsicherheiten können so reduziert und verschiedene Interessensgruppen wie Führungskräfte und potenzielle Nutzer:innen systematisch in den Prozess einbezogen werden.

Das Vorgehen ist branchen- und tätigkeitsübergreifend anwendbar, da die aufeinanderfolgenden Phasen allgemein relevant sind. Die Ergebnisse aus den Praxisfällen verdeutlichen jedoch, dass die Auswahl und Erprobung von Exoskeletten stets kontextspezifisch zugeschnitten und ausgeführt werden muss. Sowohl individuelle Charakteristika der Haupt- und Nebentätigkeiten, organisatorische Rahmenbedingungen, Nutzer:innen als auch Prozessabläufe beeinflussen, ob und wie Exoskelette sinnvoll genutzt werden können. Entscheidend sind die anfängliche Bedarfsanalyse und die sorgfältige Auswahl der Tätigkeiten, da diese den Ausgangspunkt auf dem Weg zu einer erfolgreichen Einführung von Exoskeletten bilden. Arbeitsplätze sollten detailliert analysiert werden, um Potenziale und Grenzen eines Einsatzes von Exoskeletten frühzeitig zu erkennen. Auf diese Weise lassen sich personelle wie finanzielle Ressourcen effizient einsetzen und Fehlinvestitionen vermeiden.

Bei der Auswahl und Erprobung ist die Berücksichtigung verschiedener Exoskelettmodelle von großer Relevanz, da kein einzelnes System universell für alle Kontexte und Nutzer:innen geeignet ist. Allerdings kann die Adaptivität von Systemen oder Arbeitsprozessen einen zweckmäßigen und unterstützenden Einsatz von Exoskeletten begünstigen. Dieser muss stets im Rahmen der Arbeitsschutzrichtlinien bewertet und im Falle der Nutzung zwingend in der Gefährdungsbeurteilung des jeweiligen Arbeitsplatzes berücksichtigt werden. Dabei ist die Einbeziehung von Prozessexpert:innen, Sicherheitsfachkräften und Arbeitsmediziner:innen elementar.

Auch zeigen die Praxisfälle, dass kurze Tests mit Exoskeletten nicht genügen. Erst bei längerer Anwendung über mehrere aufeinanderfolgende Wochen werden Nutzungs- und Routinisierungseffekte, Prozesseinflüsse oder Akzeptanzprobleme sichtbar. Für eine realistische Einschätzung des Nutzens sind daher längere Erprobungen notwendig. Wichtig ist es dabei, neben Daten aus quantitativen Messungen vor allem auch Rückmeldungen von Nutzer:innen, beispielsweise in Bezug auf Aspekte wie Tragekomfort, Bewegungsfreiheit oder subjektive Belastungen, zu berücksichtigen.

Zusammenfassung

Die aus den Praxisfällen abgeleiteten Erkenntnisse bieten Unternehmen eine Orientierung, um Exoskelette gezielt auszuwählen, systematisch zu erproben und erfolgreich einzuführen. Entscheidend ist dabei ein strukturiertes Vorgehen, das sowohl den betrieblichen Kontext als auch die individuellen Anforderungen der Nutzer:innen berücksichtigt. Zentral bleibt die aktive Einbindung aller involvierten Akteure, vor allem der Beschäftigten, um den langfristigen Nutzen sicherzustellen.