Einleitung
Wenn Sie sich zum ersten Mal mit Exoskeletten befassen, werden Sie unweigerlich auf verschiedene Kategorien und Definitionen stoßen, die beschreiben, welche Art von Exoskeletten es gibt.
Kategorien wie " Hebe-Exoskelette" oder "Überkopf-Exoskelette" beschreiben, welche Art von Tätigkeit und Arbeit unterstützt wird. Kategorien wie "aktive" oder "passive" Exoskelette und " flexible" oder "starre" Exoskelette beschreiben die Technologie, mit der sie gebaut werden.
Wir haben erlebt, dass die Kategorisierung nach Technologien eine Quelle der Unklarheit sein kann, die es für interessierte Anwender erschwert zu beurteilen, welche Art von Exoskelett für sie geeignet sein könnte. In diesem Artikel werden wir den Unterschied zwischen passiven und aktiven Exoskeletten erörtern und aufzeigen, warum passive Systeme für viele Anwendungen eine ausgezeichnete Wahl sein können.
Was sind die Unterschiede zwischen aktiven und passiven Exoskeletten?
Aktive Exoskelette haben integrierte, motorisierte Aktuatoren, die den Benutzer mit der erforderlichen Kraft und dem Drehmoment unterstützen. Sie werden daher auch als motorisierte Exoskelette bezeichnet. Als Antriebe werden in der Regel Elektromotoren verwendet, es gibt aber auch pneumatische oder hydraulische Systeme. Bei passiven Systemen hingegen fehlen diese "aktiven" Aktuatoren. Stattdessen stützen sie sich auf Federn und ihr Gestell, um ihre Benutzer zu unterstützen, indem sie in gewöhnlich die Schwerkraft kompensieren.
Was sind die Vorteile von passiven Exoskeletten?
Der Hauptvorteil besteht darin, dass passive Exoskelette durch den Verzicht auf aktive Komponenten wie Motoren, Stromversorgung, Steuerungscomputer usw. in der Regel viel kleiner, leichter, weniger hinderlich, einfacher zu bedienen, wartungsärmer, ohne Aufladung der Batterien auskommen, und kostengünstiger sind.
Ein Test bei DPD, einem internationalen Paketzustelldienst, hat kürzlich gezeigt, wie wichtig ein leichtes Design ist. Dabei testete DPD aktive und passive Hebe-Exoskelette. Zum Artikel.
Ihre Ergebnisse und Rückmeldungen ergaben, dass das hohe Gewicht des aktiven Exoskeletts ein wesentliches Problem darstellte, das die Akzeptanz bei den Arbeitern minderte:
"Die Resonanz für die aktiven Exoskelette war durchzogen. Insbesondere wurde das Extragewicht über eine längere Zeit als unangenehm empfunden. Zudem wurde bei leichteren Paketen das Exoskelett eher als eine Belastung empfunden. Dadurch wurde es auch nicht so oft genutzt wie geplant."
Die passiven Exoskelette hingegen wurden vor allem wegen ihres geringeren Gewichts und ihrer besseren Flexibilität positiv aufgenommen:
“Das reduzierte Gewicht macht das Tragen der passiven Exoskelette angenehmer. Man kann es mit einer Winterjacke vergleichen. Sie sind flexibler, leichter und skalierbarer. Das Feedback der Mitarbeitenden ist stets positiv und die Tragedauer ist massiv erhöht”
Und während der Vorteil eines 1 kg schweren Exoskeletts gegenüber einem 8 kg schweren Exoskelett relativ intuitiv ist, wird auf der anderen Seite oft argumentiert, dass aktive Systeme mit ihren leistungsstarken Motoren standardmäßig mehr Unterstützung bieten können und daher die Zunahme an Größe, Masse, Komplexität und Kosten rechtfertigen.
Dies ist ein verbreiteter Trugschluss, der kürzlich durch zwei wissenschaftliche Veröffentlichungen verdeutlicht wurde, in denen das Unterstützungsniveau eines passiven, weichen Exoskeletts und eines relativ ähnlichen aktiven, flexiblen Exoskeletts untersucht wurde. Die erste Studie "Link" zeigte, dass ein passives textiles Exoskelett die Spitzenaktivität der Rückenmuskulatur beim Heben von 6 kg um 14 % bis 21 % reduziert.
Die zweite Studie "Link" testete ein aktives Textil-Exoskelett und stellte fest, dass die Spitzenbelastung der Rückenmuskulatur beim Heben einer vergleichbaren Last von 6 kg um 16 % bis 18 % reduziert wurde.
In diesem Vergleich bot das passive System die gleiche Unterstützung bei einer ähnlichen Aufgabe, war aber deutlich kleiner und leichter, benötigte keine Batterie und kostete weniger
Die Abbildungen veranschaulichen die Verringerung der maximalen Rückenmuskelaktivität beim Heben von 6 kg, während die Bauchmuskeln nicht mehr arbeiten müssen.
In der zweiten Studie wird auch der Nachteil des höheren Gewichts des aktiven Exoskeletts hervorgehoben. Das aktive Exoskelett in der Studie hatte eine Masse von 2,7 kg. Etwa 2,5 kg davon (die Antriebseinheit) befindet sich auf dem oberen Rücken des Benutzers. Dieses Gewicht drückt den Oberkörper beim Heben nach unten, was der Unterstützung durch das Exoskelett direkt entgegenwirkt. Mit anderen Worten: Das Exoskelett unterstützt beim Heben von Lasten, sorgt aber auch dafür, dass man jedes Mal 2,5 kg zusätzlich heben muss.
Ein weiterer verbreiteter Trugschluss ist, dass nur aktive Systeme echte Unterstützung bieten, während passive Systeme die Last nur umverteilen. Dieses Argument wird in der Regel von den Herstellern aktiver Exoskelette vorgebracht, lässt sich aber weder mit biomechanischen Grundsätzen begründen, noch wird es durch wissenschaftliche Erkenntnisse unterstützt. Der Grund dafür ist, dass gut konzipierte passive Exoskelette lediglich der Schwerkraft entgegenwirken und vom Benutzer keinen zusätzlichen Energieaufwand erfordern. In der erstgenannten Studie wurden die Aktivität der Bauchmuskeln und die Bewegungsabläufe beim Heben gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass das passive Exoskelett Entlastung für den Rücken schafft, während die Aktivität der Bauchmuskeln nicht erhöht und die Form des Hebens nicht negativ beeinflusst wurde.
Letztendlich braucht man für die Kompensation der Schwerkraft einfach keinen motorisierten Antrieb. Eine mechanische Feder, die sinnvoll in ein passives Exoskelett integriert ist, kann ein ähnliches Niveau an Unterstützung bieten.
Zusammenfassung
Diese Beispiele verdeutlichen einige der Vorteile, die passive Exoskelette gegenüber ihren aktiven Gegenstücken haben können, und räumen mit einigen verbreiteten Trugschlüssen über passive Exoskelette auf. Dies bedeutet nicht, dass passive Exoskelette immer die bessere Wahl sind, und es gibt Anwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich, wo aktive Exoskelette die bessere Lösung sein können. Die hier angeführten Beispiele und unsere Erfahrungen in der Praxis haben jedoch zu der Überzeugung geführt, dass die Mehrheit der beruflichen Exoskelettbenutzer am meisten von einem passiven Exoskelett profitieren können.
Letztendlich können Sie den Nutzen eines Exoskeletts am besten beurteilen, wenn Sie es eine Zeit lang in der vorgesehenen Umgebung testen. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie Fragen zu diesem Thema haben.