Perspektiven für den Einsatz von Exoskeletten in den Anlagen der OOO „ZARUBEZHNEFT-Dobycha Kharyaga“

Gegenwärtig entwickelt sich die Exoskelett-Thematik zu einem der dynamischsten Bereiche der Servicerobotik, was auch die Entwicklung eigener Exoskelett-Komplexe, unter anderem in Russland, einschließt.

Eine Analyse der weltweiten Erfahrungen lässt den Schluss zu, dass es derzeit drei Hauptanwendungsbereiche für Exoskelett-Module und darauf basierende Komplexe gibt:

• militärische Exoskelette;
• Rehabilitations-Exoskelette und Exoskelette zum Ausgleich von Mobilitätsdefiziten bei Menschen mit Behinderungen;
• Exoskelette für den industriellen Einsatz.

Das größte Interesse weckt heute aus mehreren Gründen der Bereich der Industrie-Exoskelette:

• tragbare Robotiksysteme für den Einsatz in industriellen Produktionsumgebungen entwickeln sich zum am schnellsten wachsenden Bereich der kommerziellen Nutzung von Exoskelett-Technologien;
• Exoskelette für Arbeit und Industrie können auf Baustellen, in Docks, Fabriken und Lagern eingesetzt werden;
• Fachkräfte in der Produktion müssen ständig auf Handarbeit zurückgreifen, wodurch sie schädlichen Faktoren ausgesetzt sind, die das Verletzungsrisiko erhöhen – in erster Linie die Entwicklung von Muskel-Skelett-Erkrankungen, die in der Europäischen Union nach wie vor zu den häufigsten Berufskrankheiten zählen. Dies führt wiederum zu steigenden Kosten für die Lohnfortzahlung während der Arbeitsunfähigkeit und zu einer geringeren Arbeitsproduktivität im gesamten Unternehmen;
• industrielle Exosuits sind weniger anfällig für technologische Einschränkungen, die für die Exoskelett-Branche typisch sind;
• die Anforderungen an das Steuerungssystem eines industriellen Exoskeletts sind deutlich geringer als bei vergleichbaren Lösungen für medizinische oder militärische Anwendungen.

Konstruktiv werden Industrie-Exoskelette in Exoskelette für den Ober- oder Unterkörper sowie in Ganzkörpermodelle unterteilt.

Nach der Art der Krafteinwirkung werden sie in passive (ohne Antriebe – Unterstützung und Entlastung erfolgen hier durch Dämpfer, Federn, Gegengewichte usw.) und aktive Exoskelette unterteilt. Letztere gliedern sich je nach Art der verwendeten Antriebe in weitere Untergruppen (elektromechanisch, hydraulisch, pneumatisch, kombiniert).

Derzeit liegt der Fokus in den Anlagen der OOO „ZARUBEZHNEFT-Dobycha Kharyaga“ auf der Tätigkeit der Lagerarbeiter und der Schwere ihres Arbeitsprozesses, bedingt durch:

• die Wiederholung von Routinevorgängen;
• schwere körperliche Belastung während der Schicht, hauptsächlich für Rücken und Beine;
• die fehlende Möglichkeit oder Zweckmäßigkeit des Einsatzes von Hebezeugen für Lasten bis zu 25 kg.

Diese Faktoren verursachen Ermüdung und Schmerzen im Bewegungsapparat, was zu Berufskrankheiten oder Verletzungen führen kann.

Als Lösung zum Schutz der Mitarbeiter vor schweren körperlichen Belastungen zieht das Unternehmen den Einsatz von Industrie-Exoskeletten als Hilfsmittel bei der Durchführung von Arbeitsvorgängen in Betracht. Der Einsatz solcher Geräte trägt dazu bei, die Belastung der Lendenwirbelsäule und der Rückenmuskulatur der Lagerarbeiter zu verringern.

Nach den Ergebnissen eines Benchmarkings von Tests und dem Einsatz von Exoskeletten in russischen Unternehmen steht dieser Bereich erst am Anfang seiner Entwicklung.

Die Schwerindustrie, insbesondere die Metallurgie, befindet sich auf einem Höhepunkt der Entwicklung. Moderne Technologien verändern und beschleunigen viele Prozesse. Nornickel ist einer der Vorreiter bei der Einführung solcher Innovationen. In den Betrieben des Unternehmens werden Industrie-Exoskelette verschiedener einheimischer Hersteller eingesetzt. Im Kupferwerk wird beispielsweise das passive Exoskelett X-Soft des Herstellers Exorise verwendet.

Seit 2023 nutzt das KAMAZ-Werk ein Montage-Exoskelett mit Armverstärkung, das ein Gewicht von bis zu 15 kg pro Arm kompensiert und das Handgelenk beim Anziehen von Schrauben fixiert, sowie das von Nornickel eingesetzte passive Exoskelett der Firma Exorise.

Im Jahr 2025 wird im Logistikzentrum von KAMAZ ein Projekt zur Einführung eines passiven Lenden-Exoskeletts umgesetzt – ein Gürtel mit Metalleinsätzen, der den Lendenbereich stützt. Es ist geplant, 68 passive Exoskelette anzuschaffen. Es liegen bereits positive Rückmeldungen der Mitarbeiter des Zentrums vor, die die Leichtigkeit und Wirksamkeit des Exoskeletts hervorheben.

An den Produktionsstandorten von Gazpromneft wird das passive Exoskelett ExoHeaver 3Hander des Herstellers Exomed eingesetzt. Das Gerät ermöglicht die Befestigung von Elektro- oder Druckluftwerkzeugen mit einem Gewicht von bis zu 15 kg, erleichtert die Arbeit damit und schützt die Handgelenke vor Vibrationen.

Derzeit hat die OOO „ZARUBEZHNEFT-Dobycha Kharyaga“ aus folgenden Gründen ihr Augenmerk auf passive Exoskelette gerichtet:

1. Einfache Konstruktion: Passive Exoskelette sind einfacher aufgebaut, was ihre Herstellung und Wartung erleichtert.

2. Niedrige Kosten: Aufgrund ihrer Einfachheit und der geringen Anzahl komplexer Komponenten sind passive Exoskelette in der Herstellung und Anschaffung günstiger.

3. Geringeres Gewicht: Passive Exoskelette sind in der Regel leichter als aktive, was die Belastung für den Benutzer verringert und sie für längeres Tragen bequemer macht.

4. Unabhängigkeit von Energiequellen: Sie benötigen keine Batterien oder andere Stromquellen, was sie in Umgebungen mit eingeschränktem Zugang zu Elektrizität zuverlässiger macht.

5. Einfache Bedienung: Sie erfordern keine aufwendige Schulung zur Steuerung und sind für ein breites Publikum zugänglich.

6. Stabilität und Zuverlässigkeit: Da keine Elektronik und komplexen Mechanismen vorhanden sind, sind sie weniger anfällig für Störungen und Ausfälle.

7. Unterstützung natürlicher Bewegungen: Sie können so konstruiert werden, dass sie die natürlichen Bewegungen des Benutzers unterstützen und das Verletzungsrisiko senken.

8. Breites Anwendungsspektrum: Sie eignen sich für die Rehabilitation, schwere körperliche Arbeit und den Sport.

Laut einer Umfrage der OOO „ZARUBEZHNEFT-Dobycha Kharyaga“ tragen die Lagerarbeiter manuell Kisten mit einem Gewicht von 15 – 25 kg, heben Lasten mit gebeugtem oder halbgebeugtem Rücken und verharren oft lange in einer Position. Passive Exoskelette sind leicht und ermöglichen das Heben von Lasten mit einem Gewicht von bis zu 30 – 50 kg.

Moderne aktive Exoskelette sind bisher noch nicht ergonomisch und komfortabel genug: Sie sind klobig, schränken die Beweglichkeit ein und längeres Tragen kann für die Mitarbeiter unbequem sein. Kontinuierliche Forschung und die Entwicklung neuer Materialien wie Kohlefaser und adaptive Verbundwerkstoffe versprechen jedoch, diese Eigenschaften zu verbessern. Dann wird man auf die Prüfung der Einsatzmöglichkeiten aktiver Exoskelette zurückkommen können.

Bei ZNDKh wurde eine Kurzanalyse passiver Exoskelette russischer Hersteller durchgeführt.

Drei Modelle stammen von der Firma ProExo (Wladimir). Eines davon, das kostengünstigste Modell Ultra, hilft zwar nicht beim Heben schwerer Lasten, reduziert aber die Belastung der Rückenmuskulatur, unterstützt eine korrekte Körperhaltung und verringert die Kompression der Wirbelsäule. Dieser Exoskelett-Typ eignet sich für Lagerarbeiterinnen, die keine schweren Lasten heben.

Die Exoskelette „Lite“ und „Boost“ desselben Herstellers ermöglichen das Tragen von Lasten bis zu 50 kg sowie das Heben und Senken von Lasten auf Hüfthöhe. Sie entlasten die Arm- und Rückenmuskulatur, verringern die Kompression der Wirbelsäule und sorgen für eine korrekte Rückenhaltung bei der Arbeit.

Das Exoskelett-Modell „Boost“ verfügt über Oberschenkelmanschetten und Gewichtskompensatoren für die Beine, wodurch die Belastung vom Rücken auf die Oberschenkel verteilt werden kann.

Laut Untersuchungen des Herstellers aus dem Jahr 2023 zeigte die „Boost“-Ausstattung gute Ergebnisse mit einer Entlastung der Arme um bis zu 49 %, einer Entlastung der Rückenmuskulatur um bis zu 55 % und einer Verringerung der lateralen Asymmetrie um bis zu 30 % (wobei die linke und rechte Seite in etwa gleichmäßig arbeiten, da eine Person beim Tragen einer Last oft eine Seite stärker belastet und unerwartet die Belastung der vorderen Oberschenkelmuskulatur verringert).

Darüber hinaus verringert das Exoskelett in der „Boost“-Ausstattung neben der Muskelentlastung auch das Verletzungsrisiko für die oberen Extremitäten, den Schultergürtel und den Rücken. Es beugt der Entwicklung skoliotischer Deformationen vor, senkt das Risiko einer Verschlimmerung orthopädischer Probleme, reduziert den Energieaufwand um bis zu 25 % und verringert das Atemminutenvolumen signifikant um bis zu 12 %. 65 % der Probanden stellten eine geringere Auswirkung der körperlichen Belastung auf die Rückenmuskulatur fest.

Das passive Exoskelett „AUXILIUM MODEL M“ der St. Petersburger Marke „AUXILIUM“ ging in diesem Jahr in die industrielle Serienproduktion. Dieses Produkt ermöglicht, wie die beiden vorherigen, das Arbeiten mit „Lasten“ von bis zu 50 kg, das Tragen der „Last“ über Entfernungen, das Heben und Senken der „Last“ auf Hüfthöhe sowie langes Arbeiten im Stehen bei geneigtem Oberkörper mit der „Last“. Es wird in verschiedenen Modifikationen und aus zwei Materialien – Aluminium und Titan – gefertigt, wovon der Preis des Endprodukts abhängt.

Das passive Exoskelett „LOWEBACKER“ der Kursker Marke „Exomed“ ist für die Entlastung der Lendenwirbelsäule beim Heben und Tragen von Lasten mit einem Maximalgewicht von 30 kg aus einer Höhe von 0 bis 1 m konzipiert.

Dieses Produkt hilft, die Lendenwirbelsäule zu entlasten, Verletzungen und Berufskrankheiten zu reduzieren sowie die Ausdauer des Bedieners je nach Art der Arbeit um bis zu 40 % zu steigern.

Es ist anzumerken, dass das Gewicht aller betrachteten Exoskelette 3 kg nicht überschreitet.

Als Ergebnis des Einsatzes passiver Exoskelette bei der Arbeit von Lagermitarbeitern wird Folgendes erwartet:

1. Verringerung des Risikos von Berufskrankheiten.
2. Senkung der Unfallquote am Arbeitsplatz.
3. Steigerung der Arbeitsproduktivität.
4. Zeitersparnis bei Aufgaben ohne körperliche Belastung (so ermöglicht ein passives Exoskelett im Gegensatz zu einem aktiven einen schnellen Wechsel zum Ausfüllen von Dokumenten, da das Gerät nicht abgelegt werden muss).
5. Reputationsgewinn – als eines der ersten Unternehmen der Branche, das Exoskelette einsetzt.

Darüber hinaus erfolgt gemäß den Anforderungen des Arbeitsgesetzbuches der Russischen Föderation die Finanzierung jährlicher Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen und von HSE durch die Arbeitgeber in Höhe von mindestens 0,2 Prozent der Produktionskosten. Die Einführung innovativer Technologien ist eine wirksame Maßnahme zur Senkung von Arbeitsunfällen und gibt den Mitarbeitern die Gewissheit, dass der Arbeitgeber an der Verbesserung ihrer Arbeitsbedingungen und der Verringerung beruflicher Risiken interessiert ist.