Maßgeschneiderte Antriebstechnik für innovative Exoskelette

Innovative Projekte lassen sich nur selten mit Standardprodukten realisieren. Gefragt sind vielmehr maßgeschneiderte Lösungen, die exakt auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sind. Neben der Entwicklung individueller Produkte spielt dabei auch die Skalierbarkeit der eingesetzten Komponenten eine entscheidende Rolle. So werden beispielsweise Antriebe, die in unterschiedlichsten innovativen Anwendungen zum Einsatz kommen, häufig in hohen Stückzahlen benötigt. Beides gilt auch für moderne Exoskelette, deren Leistungsfähigkeit und Nutzerkomfort maßgeblich von einer präzise abgestimmten Antriebstechnik abhängen.

Schwere Lasten und monotone Zwangshaltungen prägen den Alltag in Logistik und Produktion. Um die Gesundheit von Mitarbeitenden zu erhalten, setzen Unternehmen zunehmend auf Exoskelette, um die Arbeit ergonomischer zu gestalten und körperliche Belastungen zu minimieren. Dabei sollen diese leicht und angenehm zu tragen sein, um nicht als zusätzliche Last empfunden zu werden. Zudem war gefordert, dass sie sich flexibel an die Statur ihrer Träger anpassen und zuverlässig über Stunden hinweg funktionieren. Auch sollten sie nicht unnötig auftragen, damit Benutzer in engen Gängen nicht mit den Exoskeletten an Regalen oder Maschinen hängen bleiben.

Adaptive Intelligenz, leichtes Design, Einsatz in dynamischen Arbeitsumgebungen

Ein solches sehr kompaktes, leichtes und batteriebetriebenes Rücken-Exoskelett ist das IX BACK VOLTON von SUITX (Bild 1 a-c). Es eignet sich ideal zum Heben, Bücken und für Pick-and-Place-Aufgaben in der Logistik und Produktion (Bild 2a-c). Das Exoskelett passt sich nahtlos und in Echtzeit an individuelle Bewegungen seiner Nutzer an und bietet die Unterstützung genau dann, wenn sie benötigt wird; egal ob beim Heben schwerer Gegenstände oder beim Erledigen ermüdender Aufgaben. Es kombiniert innovative Robotik und adaptive Intelligenz mit industrieller Batterietechnologie zu einem leichten System, das den Rücken bei körperlicher Arbeit spürbar entlastet.

Die ISO 13482:2014 (Robotik und robotische Geräte – Sicherheitsanforderungen für Roboter zur Personenbetreuung oder engl. Personal Care Robots) legt für solche Anwendungsfälle Sicherheitsanforderungen fest, also für Roboter, die direkt mit Menschen interagieren und diese im Alltag unterstützen. Sie galt es in der Entwicklung ebenso zu berücksichtigen wie die Forderung, dass die Unterstützung jederzeit der Bewegungsabsicht des Trägers folgen soll. Das IX BACK VOLTON entlastet den Träger im Hüftbereich durch ein gezielt erzeugtes Drehmoment. Dazu wirkt es mit einer zusätzlichen Kraft im Bereich des Hüftgelenks, die den Oberkörper beim Aufrichten aus einer vorgebeugten Haltung unterstützt. Dadurch muss die Rückenmuskulatur weniger Arbeit leisten, was die Belastung der Wirbelsäule reduziert und das Risiko von Überlastungen und Verletzungen senken kann. Da das Exoskelett direkt am menschlichen Körper getragen wird, muss es zugleich hohen Anforderungen an Komfort, Bewegungsfreiheit, Sicherheit und intuitive Bedienbarkeit gerecht werden (Bild 3 a-c). Pascal Schwedhelm, Head of Global SUITX Operations and R&D, erklärt: „Das IX BACK VOLTON wurde aus dem Anspruch heraus entwickelt, unseren Kunden mehr zu bieten: eine motorisierte Lösung, die ihre Bedürfnisse über das hinaus erfüllt, was mit einem rein passiven Exoskelett möglich ist. Wir wollten ein intelligenteres Device entwickeln – optimiert für dynamische Tätigkeiten, mit minimalem Widerstand beim Beugen und klarer Unterstützung beim Aufrichten.“

Entlastung von bis zu 17 kg je Hebevorgang

Das Ergebnis ist ein Exoskelett, das für aktive Entlastung der Wirbelsäule sorgt und sich dabei nahtlos in natürliche Bewegungsabläufe einfügt. Mit seinem schlanken, ergonomischen und optimal ausbalancierten Design bleibt das System dezent am Körper – und dennoch leistungsstark. Bei einem Gesamtgewicht von nur 5,7 Kilogramm inklusive Batterie unterstützt das IX BACK VOLTON den Rücken mit bis zu 17 Kilogramm pro Hebevorgang und verringert so nicht nur das Verletzungsrisiko von Mitarbeitern, sondern trägt zudem messbar zur Effizienzsteigerung bei. Ein wesentlicher Faktor ist die Rahmenkonstruktion am Rücken: Sie bietet viel Bewegungsfreiheit und hohen Tragekomfort. Gleichzeitig ermöglicht dieses Design, Pakete und Lasten nah am Oberkörper zu führen – ein entscheidender Vorteil bei häufigem Heben, Tragen und Umsetzen. Damit eignet sich das Exoskelett ideal für schnelllebige Logistikumgebungen mit wechselnden Aufgaben, engen Zeitfenstern und einer vielfältigen Belegschaft.

Entwicklungskooperation für Innovation

Die Regelung des Exoskeletts ist äußerst komplex, da sie ideal mit den Bewegungen seines Trägers abgestimmt werden soll. Um die Steuerungsanforderungen in kürzester Zeit zuverlässig und präzise in Bewegung umsetzen zu können, werden geeignete (Antriebs-)Komponenten benötigt. Es ist daher kein Zufall, dass das Exoskelett in interdisziplinärer Zusammenarbeit entstanden ist. Das Entwicklungsteam umfasste Experten aus der mechanischen, elektrischen, softwaretechnischen sowie biomechanischen Entwicklung. Deren Ziel war es, eine motorisierte Unterstützung zu schaffen, die sich natürlich anfühlt, leistungsstark ist und den hohen Anforderungen des industriellen Alltags gerecht wird.

Auch die enge Zusammenarbeit mit dem Engineering Team von FAULHABER spielte bei der Entwicklung eine wesentliche Rolle. Gemeinsam wurde eine kundenspezifische Motorlösung entwickelt, die genau die Eigenschaften vereint, die für ein Exoskelett entscheidend sind: hohe Leistungsfähigkeit, erstklassige Fertigungsqualität und die notwendige Skalierbarkeit für den späteren Serieneinsatz. Sowohl für die exakte Regelung der Kräfte als auch für die ideale Ausnutzung des eingesetzten Akkus war Antriebs-Know-how gefragt. Schwedhelm berichtet: „Wir haben uns für FAULHABER als Entwicklungspartner entschieden, da es unserer Ansicht nach keinen Motor am Markt gab, der unseren hohen Ansprüchen gerecht wurde. FAULHABER war dabei aufgrund der Expertise und der bekannt hohen Qualitätsstandards von Beginn an unser präferierter Partner.“ In enger Abstimmung entstand so eine Antriebslösung, die nicht nur technisch überzeugt, sondern sich nahtlos in das Gesamtsystem integriert.

Grundlage der Entwicklung sind Motoren der BXI-Serie (Bild 4). Diese Serie wurde speziell für die hohen Anforderungen an Gelenke in aktuellen und zukünftigen Robotik-Anwendungen entwickelt.  Das hochintegrierte System kombiniert Motor, Stufenplanetengetriebe und Encoder auf kleinstem Raum und überzeugt durch hohe Präzision, Kraft und Dynamik. Dank seiner intelligenten Steuerung für anspruchsvolle koordinierte Bewegungen lassen sich einfach präzise Bewegungen realisieren. Auch die Integration in die Gesamtsteuerung des Exoskeletts lässt sich dank Schnittstellen einfach bewerkstelligen. Die entstandene Lösung erfüllt die Vorgaben nach geringem Gewicht und flacher Bauweise. Sie wurde zudem intensiv auf den eingesetzten Bosch AMPShare 18V-Akku mit 4,0 Ah abgestimmt, für einen geringen Energieverbrauch und lange Tragezeit bis zum nächsten Aufladen. Das gemeinsame Projekt zwischen SUITX und FAULHABER zeigt, wie partnerschaftliche Entwicklung auf Augenhöhe komplexe Herausforderungen löst und aus einer Idee ein marktreifes Produkt entstehen lässt. 

Eine Zukunft mit neuen Möglichkeiten 

Mit der Weiterentwicklung der Antriebs- und Motortechnologie stehen zunehmend Lösungen zur Verfügung, die speziell für den Einsatz in Exoskeletten geeignet sind. Dadurch entstehen neue Möglichkeiten: Systeme werden leichter, sicherer und qualitativ hochwertiger als je zuvor. Diese Entwicklung bildet die Grundlage dafür, künftig nicht nur den Rücken, sondern weitere Körpergelenke gezielt zu unterstützen und Exoskelette für neue Industrien und Märkte nutzbar zu machen. Was heute vor allem in Logistik und Fertigungsumgebungen oder auch in der Rehabilitation eingesetzt wird, wird sich in naher Zukunft weiter etablieren. Exoskelette werden Menschen zunehmend nicht nur bei körperlich anspruchsvoller Arbeit oder bei der Genesung unterstützen, sondern auch im alltäglichen Leben. 

Quelle: www.faulhaber.com

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