Intelligente Softorthese stärkt den Rücken

Die intelligente Softorthese ErgoJack soll dazu animieren, belastende Bewegungsabläufe ergonomisch auszuführen. (Foto: Fraunhofer IPK)


Schweres Heben und andere körperlich belastende Bewegungsabläufe gehören in der Pflege und in anderen Branchen zum Berufsalltag. Mit ErgoJack bieten Fraunhofer-Forscher eine intelligente Softorthese, die Arbeitskräfte mit einer Echtzeit-Bewegungserkennung unterstützt und Erkrankungen des Rückens entgegenwirkt. 

In vielen Berufen sind Rückenbeschwerden vorprogrammiert. So müssen beispielsweise Pflegekräfte über Jahre hinweg schwer heben. Auch in anderen Berufen etwa in der Industrie kann es erforderlich sein, dass der Mitarbeiter täglich stundenlang gebückt über einem Anlagenbauteil steht. Mit ErgoJack haben Forscher der Berliner Fraunhofer-Institute für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM eine intelligente Softorthese entwickelt. Sie soll den Rücken entlasten und Arbeitende animieren, belastende Bewegungsabläufe ergonomisch auszuführen. Mit dem modularen Wearable-Soft-Robotics-System wollen die Forscherteams dem Ausfallrisiko von Arbeitskräften entgegenwirken.

Echtzeit-Bewegungsanalyse

Die Bewegungsanalyse der Orthese erkennt ergonomische und unergonomische Bewegungen. Sobald der Träger Haltungen einnimmt oder Bewegungen ausführt, die gesundheitsschädlich sind, wird er per Vibrationsalarm gewarnt. „Alleinstellungsmerkmal unserer softrobotischen Oberkörperorthese ist eine Echtzeit-Bewegungsanalyse. Eigens entwickelte Algorithmen, die auf Machine Learning und KI basieren, ermöglichen die Ergonomieanalyse. Dadurch unterscheidet sich die Orthese von handelsüblichen Exoskeletten, also Stützrobotern, die prinzipbedingt alle – auch unergonomische Bewegungen – einfach nur kraftunterstützen und lediglich die Belastungskräfte des Trägers aus überlasteten in weniger belastete Körperareale umleiten“, sagt Dipl.-Ing. Henning Schmidt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPK

Sensoren erfassen Bewegungen

Für das Warnsystem integriert die Weste inertiale Bewegungssensoren (IMU, kurz für Inertial Measurement Unit). Sie gleichen vorgelernte Bewegungsmuster mit der tatsächlich ausgeführten Bewegung ab und werten sie in Echtzeit aus. Der Vorgang dauert nur wenige hundert Millisekunden. Die miniaturisierten Bewegungssensoren befinden sich an den Schultern, dem Rücken und den Oberschenkeln.

Neben den Bewegungssensoren verfügt die Orthese über robuste, miniaturisierte Elektronik inklusive Embedded Controller sowie ein Vibrationsmodul und ein Akku. Die miniaturisierten elektronischen Bauteile wurden am Fraunhofer IZM entwickelt. Das Design des Systemlayouts, der Mensch-System-Schnittstelle, der Mechanik, der Elektronik und Software einschließlich des Echtzeitalgorithmus mit maschinellem Lernen und Künstlicher Intelligenz stammen vom Fraunhofer IPK. Die Datenverarbeitung läuft direkt auf der Weste. „Die Echtzeitalgorithmik erfordert aufwendige Berechnungen und eine sehr hohe Robustheit, dennoch kommt der Anlernprozess der Arbeitskräfte mit einem sehr kleinen Bewegungstrainingsdatensatz aus“, beschreibt Schmidt eine weitere Besonderheit des Systems. Nun arbeiten die Forschenden daran, die Elektronik und die Sensorik der Textilversion der Orthese so zu verkapseln, dass sie waschbar sind und nicht aus der Weste entnommen werden müssen.

Verschiedene Ausführungen für alle Konfektionsgrößen

Anwender können zwischen einer sensorischen Textilweste und einer Variante mit Kraftunterstützung wählen. Eine weitere aktuelle Systemvariante mit Rücken- und Hüftunterstützung wurde den Wissenschaftlern zufolge mit einer minimal nötigen Orthesenbügel-Auflagefläche am Körper konzipiert. Durch ein arretierbares seitliches Hüftgelenk an der Weste lässt sich die Kraftübertragung vom Rücken in die Beine ein- und ausschalten. Dieser Mechanismus soll wechselnde Tätigkeiten im Stehen und Sitzen ermöglichen.