DigitalExonomics: Digitale Arbeitsgestaltung und Ergonomiebewertung für die Anwendung von Exoskeletten

In den letzten Jahren hat die Verwendung von Exoskeletten in der Industrie zugenommen. Diese Geräte werden direkt am Körper getragen und sollen Mitarbeiter in körperlich belastenden Tätigkeiten wie z.B. Überkopfarbeit oder dem Heben schwerer Lasten unterstützen. Gerade im Zuge des stetig steigenden Durchschnittsalters der Erwerbsbevölkerung sowie der weiterhin zunehmenden Arbeitsausfalltage, haben flexibel einsetzbare Exoskelette als Ergänzung zu klassischen ergonomischen Hilfsmitteln ein großes Potential zur Reduktion von arbeitsbedingten Beschwerden. Allerdings sind die genauen Auswirkungen auf das Muskel-Skelett-System noch unklar, trotz einiger Labor- und Feldstudien, die in den letzten Jahren durchgeführt worden sind.

Das Forschungsvorhaben „DigitalExonomics“ hat zum Ziel, eine innovative Methodik zur Untersuchung und Bewertung ergonomischer Auswirkungen des Tragens von Exoskeletten in industriellen Anwendungen auf körperliche Belastungen mit Hilfe von markerloser Bewegungserfassung und 3D-Menschmodellen (ema und AnyBody) zu entwickeln und die neuen Analysemöglichkeiten in eine Software zur virtuellen Planung von manuellen Arbeitsprozessen (ema Work Designer) zu integrieren.

Biomechanische Wirksamkeiten von Exoskeletten werden in repräsentativen industriellen Anwendungen ergonomisch analysiert und bilden die Grundlage für den Aufbau einer digitalen Bewertungsmethodik. Kern des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Evaluation von Softwareprototypen sowie die Validierung der modellbasierten Methodik mittels Labor- und Feldstudien durch die Forschungspartner in Abstimmung mit einem Gremium assoziierter Partner, bestehend aus Exoskelett-Herstellern und –Anwendern, sowie Arbeitsmedizinern und Orthopäden.

Figure: Prof. Dr. Lars Fritzsche, imk automotive GmbH

Durch die Integration in die digitale Planungssoftware „ema Work Designer“ des Projektkoordinators IMK wird der gezielte Einsatz von industriellen Exoskeletten unter Berücksichtigung von Verwendungsdauer/–häufigkeit sowie resultierender ergonomischer Belastung prädiktiv für neue und bestehende Arbeitsplätze ermöglicht. Von den erweiterten Methoden der Wirksamkeitsuntersuchung von Exoskeletten mittels biomechanischer Simulation werden sowohl Hersteller als auch Anwender profitieren, indem die Geräte möglichst nutzergerecht und für den Anwendungsfall passend gestaltet werden können. Die Verwertung der Projektergebnisse wird in erster Linie durch die beteiligten KMU in Form von neuen Softwaremodulen (IMK), einem speziell konfigurierten markerlosen System zur Bewegungserfassung (Captury) und den begleitenden Dienstleistungen (Schulungen etc.) erfolgen.

DigitalExonomics: digital workplace design and ergonimcs assessment for the application of industrial exoskeletons

Image: Lukas Reinker

Complaints in the musculoskeletal system and especially back pain are a widespread problem, especially in activities with high physical strain. This is one of the reasons why the use of exoskeletons in industry and care has increased significantly in recent years. These ergonomic tools are worn directly on the body and are intended to support employees during physically demanding activities. Exoskeletons that can be used flexibly as a supplement to classic ergonomic aids have great potential for reducing complaints and preventing the development of problems.

A new research project has been launched to develop a new comprehensive methodology for investigating and evaluating the ergonomic effects of wearing exoskeletons in industrial applications. It aims to assess the effects on the physical strain with the help of markerless motion capture and 3D human models and to integrate the new analysis options into software for the virtual planning of manual work processes. The research institutions OTH Regensburg, Fraunhofer IPA, as well as the motion capturing specialists from The Captury and the ergonomics experts from imk automotive GmbH are working together on the joint project “DigitalExonomics: Digital workplace design and ergonomics evaluation for the application of industrial exoskeletons”. The project is funded by the Federal Ministry of Education and Research. On the part of the OTH Regensburg, the Laboratory for Biomechanics (LBM) is represented in the project under the direction of Prof. Dr. Sebastian Dendorfer.

The Laboratory of Biomechanics is contributing its expertise in motion capturing and digital human modelling in the AnyBody Modelling System to this project. Interfaces between different software solutions are to be created in order to calculate internal and external loads on the human body, such as joint, muscle or ground reaction forces with markerless motion data and digital human models. The data from the various applications will be used for the early evaluation of design and functionalities of exoskeletons and the optimisation of workplaces and logistics processes.