Ein dritter Arm für Handwerker

Körperlich anstrengende Arbeiten einfacher zu machen, ist ein Ziel. Dem Handwerker zusätzliche Informationen über anstehende Arbeiten zu geben, ein weiteres. Der "dritte Arm" für Handwerker macht's möglich.

Dieser Artikel gehört zum Themen-Special Roboter für jedermann

"Technik zum Menschen bringen." – Unter diesem Titel startete im Jahre 2014 ein vom Bundesforschungsministerium unterstütztes Forschungsprojekt zur Entwicklung eines sogenannten "dritten Armes" mit adaptiver Mensch-Maschine-Interaktion für handwerkliches Arbeiten. Drei Funktionen sollte dieser "dritte Arm" bei körperlich anstrengenden Arbeiten erfüllen: die Lasten und damit die Ermüdung verringern, die verschiedenen Positionen in Echtzeit erfassen und daraus relevante Informationen generieren sowie eine intuitive Nutzung und die adaptive Anpassung an verschiedene Nutzer und Arbeitsumgebungen ermöglichen.

Eine Augmentierungsfunktion, angelehnt an Augmented Reality Systeme, sollte dem Handwerker via Einblendungen Informationen über zu verrichtende Arbeiten liefern. "Im Bereich Montage, Bau und Handwerk sind Arbeitsabläufe wenig standardisiert, was eine besondere Herausforderung für die Entwicklung technischer Assistenzsysteme darstellt", beschreibt Dr. Jan Kostelnik, Elektrotechnikingenieur mit einem Schwerpunkt auf Feinwerkmechanik und Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Würth Elektronik Circuit Board Technology (CBT), der das Projekt federführend leitete, die Anforderungen.

Prototyp aus dem Hause Würth

Neben dem Verbundkoordinator Würth Elektronik Circuit Board Technology (CBT) waren das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Mechatronik-Zentrum Hannover (MZH), die Robert Bosch GmbH in Renningen sowie Handwerker aus verschiedenen Gewerken beteiligt. "Die Würth Elektronik CBT entwickelte verschiedene Systeme mit Winkel-, Druck und Beschleunigungssensoren, die die Bewegungsabläufe und die Kräfte des arbeitenden Menschen erfassen können", erläutert Jan Kostelnik. "Über Software werden mit diesen Daten die Mikromotoren geregelt, die die Bewegung des ,dritten Arms‘ steuern sollen." Außerdem erstellten die Würth-Forscher einen Prototyp. "Die Bewegungsabläufe und Kräfte detailgenau zu erfassen, gelang uns mit sogenannten flexiblen Twinflex-Leiterplatten. Die Biegung der Sensorfolie und die einwirkenden Kräfte werden dafür miteinander in Bezug gesetzt", verdeutlicht Kostelnik.

Die Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren, die an verschiedenen Positionen des "dritten Armes" Messdaten sammeln und weitergeben, machte es notwendig, ein besonderes Kommunikationsbus-System zu entwerfen", so Kostelnik. Der Clou: Über ein einziges Kabel werden die Daten transportiert und die Stromversorgung sichergestellt. Dafür wurden die USB-Kabel und Steckverbindungen USB 3.1 Typ C durch Würth Elektronik das erste Mal weltweit in einem Robotik-Projekt eingesetzt. Sie könnten einen wegbereitenden neuen Standard für die Robotik und andere Systeme darstellen.

Neuer Standard für die Robotik

Für die Versorgung der Antriebe mit Strom haben Kostelnik und seine Mitstreiter eine Elektronik für hohe Leistungen entworfen und produziert. Ein Minicomputer, der zusammen mit Bosch realisiert wurde, enthält sämtliche Schnittstellen, die Sensoren und Antriebe brauchen. Um den "dritten Arm" autonom zu machen, wurde ein 36-Volt-Akku integriert. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt war ein Batteriemanagementsystem, das über Temperatur, Spannung und Strom wacht, um vor Überlastung und Zerstörung zu schützen.

Die ergonomische Untersuchung des Demonstrators übernahm das ifab-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie. "In der praktischen Anwendung gingen wir von drei Arbeitsfeldern aus: Überkopfarbeiten mit Elektrowerkzeug, Meißelarbeiten mit schwerem Elektrowerkzeug und repetitive Arbeiten mit einem Langhalsschleifer im Trockenbau", skizziert Kostelnik den Bezug zur Handwerkerpraxis. Es gab große Herausforderungen bei diesem Projekt, "insbesondere die Arbeiten an der Augmentierungsfunktion, also das Erfassen von Raumdaten über eine Kamera und die sich anpassende Projektion von Arbeitsplänen wie zum Beispiel Bohrlöchern, waren schwierig", urteilt Jan Kostelnik. "Natürlich sind wir mit unserem ,dritten Arm‘ noch nicht am Ziel einer Serienproduktion, aber die gewonnenen Erkenntnisse können bereits jetzt in neue Forschungsprojekte einfließen." So wollen die Wissenschaftler aufbauend auf ihr neues System, das bisher den Arm unterstützt, auch eines entwickeln, das Hände entlastet.

Hintergrund: Die alternde Gesellschaft bedingt eine zunehmende Lebensarbeitszeit, die gepaart mit stetig steigenden Anforderungen an Arbeitsqualität und -effizienz, neue technische Lösungen erfordert. In den Domänen Handwerk und Montage erscheinen Assistenz­systeme zweckmäßig, etwa zur Kraftunterstützung, Augmentierung und Steigerung der Sicherheit. ­Häufig ­führen körperlich anstrengende ­Arbeiten zu Verschleißerscheinungen gefolgt von Gesundheitsproblemen. Durch ein Assistenzsystem lassen sich die Arbeitsfähigkeit langfristig erhalten und berufsbedingten Folge­schäden vorbeugen, vor allem ­Muskel-Skelett-Erkrankungen.