Pneumatisches weiches Exoskelett unterstützt Armmuskulatur bei schweren Arbeiten

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Ein Forschungsteam der University of Texas Arlington (UTA) hat ein weiches Exoskelett entwickelt, das Arbeiter bei schweren Arbeiten wie Heben und dem Ausführen sich wiederholender mechanischer Tätigkeiten mit den Armen entlastet. Das Exoskelett mit der Bezeichnung "Pneumatically Actuated Soft Elbow Exoskeleton" (PASE) arbeitet mit Luftdruck und wird an den Arm geschnallt.

PASE wurde entwickelt, um dauerhafte Belastungen von Arm und Ellbogen zu minimieren, schreiben die Wissenschaftler der UTA in der Studie "Design, development, and evaluation of a pneumatically actuated soft wearable robotic elbow exoskeleton for reducing muscle activity and perceived workload", die im Journal of Rehabilitation and Assistive Technologies Engineering erschienen ist. Das Ziel: Arbeiter sollen bei schweren Arbeiten entlastet werden, um Muskel- und Skeletterkrankungen vorzubeugen.

Leichtes Exoskelett aus weichem Material

Der Roboter für den Arm besteht im Kern aus einem leichten Aktuator aus weichem Silikon. Der Aktuator ist auf einer Karbonfaser-Onyx-Grundplatte befestigt, die mit einer weichen Neoprenhülle ummantelt ist. Dadurch kann das Exoskelett mit drei Riemen am Arm befestigt werden, ohne dass harte Bauteile mit dem Arm in Berührung kommen und seinen Nutzer beeinträchtigen. Außerdem reduziert das Silikon in Kombination mit der leichten Karbonfaserplatte das Gewicht des Exoskeletts im Vergleich zu herkömmlichen Roboterhilfen für die Arme. Das Gesamtgewicht beträgt inklusive Befestigungsriemen 638 g. Das Tragen soll dadurch komfortabel sein.

Der Aktuator umfasst mehrere Luftkammern, in die Luft über einen einzelnen Schlauch über ein Ventil eingeblasen wird. Der Aktuator krümmt sich je nach Druck von bis zu 50 PSI (knapp 3,5 bar) so, dass die natürliche Krümmung des Ellbogens unterstützt wird. Die überschüssige Luft entweicht bei einer Entspannung des Arms wieder über ein gesteuertes Ventil. Als Sensor dient eine einfache Inertial Measurement Unit (IMU), die Beschleunigung und Drehbewegungen misst und die Position des Arms im Raum bestimmt.

Um die Funktionsfähigkeit und Wirksamkeit des PASE zu testen, führten die Forscher eine Studie mit 19 Probanden im Alter von 18 bis 45 Jahren durch. Diese mussten drei Aufgaben durchführen: manuelles Anheben verschiedener Gewichte, das Durchführen einfacher Montagearbeiten sowie das Bohren von Löchern mit einer Bohrmaschine. Die Wissenschaftler stellten dabei fest, dass die Muskelaktivität im Bizeps und Trizeps mit dem Einsatz des Exoskeletts um bis zu 22 Prozent sank. Die Teilnehmer gaben an, dass sie die Arbeitsbelastung deutlich niedriger empfanden als ohne Exoskelett.

Die Wissenschaftler wollen, angespornt durch diese Ergebnisse, ihre Forschung ausweiten und haben einen Antrag bei der National Science Foundation eingereicht. Sie soll ein Projekt fördern, bei dem ein Exoskelett entwickelt wird, das den oberen Gliedmaßen in ihren Bewegungen komplett assistieren kann. Neben den Ellenbogen sollen so auch die Handgelenke und Finger unterstützt werden.

(olb)