Intelligente „zweite Haut“ zur Kraftverstärkung

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Im Forschungsprojekt PowerGrasp wurde eine intelligente Arm-Hand-Orthese entwickelt. Basis hierfür sind unter anderem flexible und dehnbare Leiterplatten.
Im Forschungsprojekt PowerGrasp wurde eine intelligente Arm-Hand-Orthese entwickelt. Basis hierfür sind unter anderem flexible und dehnbare Leiterplatten. (Bild: PowerGrasp)

Im Rahmen des Forschungsprojekts PowerGraps wurde eine softrobotische Arm-Hand-Orthese entwickelt, die Arbeitskräfte bei händischen, muskoskelettalen und belastenden Tätigkeiten unterstützt.

Rückenerkrankungen, Beschwerden aufgrund von eingeklemmten Nerven (z.B. das Karpaltunnelsyndrom) sowie der „Tennisarm“ (Epikondylitis des Ellenbogens) sind in Deutschland häufige Gründe für eine Arbeitsunfähigkeit. Hauptursache für diese Leiden sind sich immer wiederholende Bewegungen und daraus resultierender Verschleiß und Überbelastung.

Um die Belastung auf den Arbeitenden zu reduzieren, werden beispielsweise bei der Autoproduktion Industrieroboter und Fertigungsstraßen eingesetzt. Anders ist dies in Handwerk, der Logistik oder der Altenpflege: Hier sind die Arbeitsabläufe so individuell, dass die Technik dem Menschen die körperliche Belastung nur schwer abnehmen kann, wodurch der Körper durch Schwerstarbeit stark belastet wird.

Auch wenn Exoskelette bereits als Kraftverstärker beim Heben und Tragen oder als entlastende Stütze bei langem Stehen zunehmend Arbeitende bei verschiedenen Tätigkeiten unterstützen können, eint sämtliche verfügbare Modelle aber ein Problem: Naturgemäß unterstützen sie alle Bewegungen des Trägers – auch nicht ergonomische.

Handwerkern, Transportmitarbeiter oder Pflegekräften soll nun eine intelligente „zweite Haut“ für zusätzliche Kraft sorgen. Ein entlastendes Unterstützungssystem in Form einer Orthese verstärkt die Kraft des Trägers und macht so die Arbeit leichter und weniger gesundheitsgefährdend.

Ziel des Projekts PowerGrasp (geförderte vom Bundesforschungsministerium für Bildung und Forschung, Kennziffer 16SV7131K) war es, „eine aktive Orthese mit weicher Mechanik für Arm und Hand zu entwickeln, um die Unterstützung von Arbeitskräften jeden Alters bei händischen, muskoskelettalen und belastenden Tätigkeiten zu erreichen“, erläutert Dr. Jan Kostelnik, Leiter von Forschung und Entwicklung bei Würth Elektronik Circuit Board Technology CBT.

„Soft-Sensorik“ basiert auf TWINflex-Stretch-Leiterplatten

TWINflex-Stretch Leiterplatte: Die biegeschlaffen, biokompatiblen Leiterplatten passen sich der Körperform an und lassen sich in Textilien integrieren.
TWINflex-Stretch Leiterplatte: Die biegeschlaffen, biokompatiblen Leiterplatten passen sich der Körperform an und lassen sich in Textilien integrieren. (Bild: Würth Elektronik CBT)

Für eine Interaktion mit dem Menschen benötigen Exoskelette oder Assistenzroboter eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Sensoren ermöglichen den Einsatz von aktiven, geregelten Unterstützungsmechanismen. Für körpernahe Unterstützungssysteme und in der Soft-Robotik sind daher „Soft-Sensorik“-Systeme erforderlich. Möglich werden diese Systeme mit dehnbaren, biokompatiblen Leiterplatten, den TWINflex-Stretch von Würth Elektronik CBT. Diese können in Textilen integriert werden und passen sich der Körperform an.

Im Projekt PowerGrasp wurde ein Netzwerk aus Sensoren mit TWINflex-Stretch-Leiterplatten betrieben. Die SmartSensX-Sensorknoten erfassen beispielsweise die Position des Menschen mit MEMS-Inertialsensoren und stellen die Daten über drahtlose oder kabelgebundene Schnittstellen zur Verfügung. Das System aus Sensoren und Auswerteeinheit heißt bei Würth Elektronik CBT Q.mod. Das Ergebnis ist eine softrobotische Orthese zum Anziehen.

Weitere Arbeiten beschäftigten sich mit smarten Materialien beispielsweise zur Erfassung der Muskelaktivität. Mithilfe von Algorithmen kann Muskelermüdung erkannt und bei Bedarf die Unterstützung angepasst werden.

„Durch die Arbeiten im Projekt PowerGrasp sind wir wesentliche Schritte vorangekommen. Neben der Erforschung und Umsetzung eines mobilen softrobotischen Hand-Arm-Schulter-Unterstützungssystems für Überkopfarbeiten, konnten wir die Miniaturisierung der Elektronik und Pneumatik durch den Einsatz von den flexiblen und dehnbaren Leiterplatten TWINflex-Stretch ermöglichen“, fasst Dr. Jan Kostelnik von Würth Elektronik CBT, die für die technische Umsetzung der Sensorik sowie die Entwicklung und Herstellung von Elektronik verantwortlich war, zusammen.

Unterstützung auch für den Alltag möglich

Grundsätzlich wird die Technik auch Ältere und Menschen mit Behinderung im Alltag unterstützen können. Langfristig arbeiten die Projektpartner daraufhin ein Ganzkörper-Exoskelett bzw. Suit, also einen Anzug zur Kraftunterstützung aller Bewegungen, zu entwickeln.

Im Laufe des Jahres werden die Demonstratoren der Öffentlichkeit auf verschiedenen Messen und Konferenzen vorgestellt. Viele der im Projekt entwickelten Einzelkomponenten können zu neuen Anwendungen in den Bereichen Robotik, Sensorik, tragbarer Elektronik und der Mensch-Maschine-Interaktion sowie in weiteren Gebieten der Sensor- und Elektronik-gestützten Applikationen führen.

Projektpartner des Forschungsprojektes PowerGrasp:
Verbundkoordinator waren Würth Elektronik CBT und das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK. Partner waren die Evangelische Hochschule Nürnberg, Schunk, das Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland (TITV), die Universität der Künste Berlin (UdK), warmX, das Reha-Zentrum Lübben und Volkswagen (assoziierter Partner) sowie weitere Beteiligte aus Industrie und Handwerk.

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