Information für Interessierte am Projektbegleitenden Ausschuss "Exoschuh"

Das Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens (PFI) möchten einen IGF-Forschungsantrag zum Thema "Exoskelett-taugliche Sicherheitsschuhe" stellen. IGF steht für „Industrielle Gemeinschaftsforschung“ und ist ein etabliertes Innovationsförderprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) speziell für kleine und mittlere Unternehmen. Der Projektträger des Innovationsförderprogramms IGF ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Ausgangspunkt

Sicherheitsschuhe müssen eine Fülle von Eigenschaften erfüllen, um ihrer Schutz- und Komfortfunktion genügen zu können. Entsprechende Normen sind einzuhalten. Exoskelette stellen eine technische Innovation dar, die auch im Bereich der professionellen Arbeit in Industrie, Handwerk und Landwirtschaft sowohl schwere als auch monotone Arbeiten erleichtert. Es gibt passive und aktive Systeme. Passive Systeme verteilen vom Träger in Entlastungsphasen eingebrachte Leistungen durch Energiespeicher, die ihre Energie in den Belastungsphasen wieder abgeben, oder entlasten durch Stützfunktionen. Aktive Systeme erhöhen über elektrische Energiezufuhr und elektrische, pneumatische oder hydraulische Aktoren motorisch die mögliche Gesamtleistung der vom menschlichen Körper ausgeführten Arbeitsabläufe.

Exoskelett-Systeme, die Bewegungsabläufe der Beine – wie Gehen, Kniebeugen, Heben, Laufen – unterstützen, müssen die durch die Exoskelett-Komponenten zusätzlich induzierten statischen und dynamischen Kräfte auf den Boden leiten, parallel zu denen, die direkt vom menschlichen Körper kommen. Auch die Bewegungen des Oberkörpers unterstützenden Systeme erhöhen durch zusätzliches Gewicht die Bodenreaktionskräfte.
Die mechanisch generierten Kräfte und Bewegungen der Exoskelette für die unteren Extremitäten müssen in den Boden geleitet werden, bzw. sich dort abstützen. Dies kann auf vier Arten geschehen:

1. Parallel zu den Schuhen über eigene zusätzliche Stützflächen auf dem Boden – Einkopplung neben den Schuhen über eigene Stützkomponenten (Exoskelette mit eigenen Füßen / Rollen)
2. Über die menschlichen Füße durch die getragenen Schuhe – Einkopplung oberhalb des Sprunggelenks (z. B. am Oberkörper angeschnallte Exoskelette)
3. Parallel zu dem Schuh bzw. Fuß – Am Schuh vorbei, Schuh steht auf künstlichem Fuß des Exoskeletts (Exoskelett-Anzug, Exoskelett nimmt Meschen auf)
4. Parallel zu dem Fuß aber durch die Schuhsohle – Ankopplung an den bestehenden Schuh (Exoskelett mit Ankopplung an vom Menschen getragene Schuhe unterhalb des Sprunggelenks)

Aufgabe

Am Beispiel der Gleitsicherheit kann aufgezeigt werden, dass die Nutzung von Exoskeletten das sicherheitsrelevante Verhalten und Tragen von Schuhen beeinflusst. Die Ankopplung der den Gang beeinflussenden Exoskelette führt in allen der vier aufgeführten Arten zu Änderungen der Gleitsicherheit, entweder durch zusätzliche Kontaktelemente, durch erhöhte, bzw. zumindest veränderte Bodenreaktionskräfte und Druckverteilungen oder durch ein verändertes Abrollverhalten.
Das Sicherstellen der weiterhin bestehenden Rutschhemmung beim Bewegen ist eine Aufgabe, die auch beim Tragen von Exoskeletten gewährleistet sein muss, so wie es durch normative Vorgaben beim Tragen von Sicherheitsschuhen generell geregelt ist. Es ergeben sich hieraus die Fragen, wie dies sichergestellt werden kann. Nicht nur für Gleitsicherheit, sondern auch für alle anderen Schutzfunktionen und Aufgaben des Schuhwerks.
Die geringsten Änderungen des Sicherheitsverhaltens und der Ergonomie zwischen normaler Nutzung des Schuhwerks und Nutzung mit Exoskeletten scheinen sich bei der Ankopplung der Exoskelette über den Schuh (4. Art) zu ergeben. D. h. der geprüfte Schuh mit seinen bekannten sicherheitsrelevanten Eigenschaften überträgt die zusätzlichen Kräfte und Drehmomente des Exoskeletts auf den Boden. Hierzu ist eine ausreichend dimensionierte, die menschlichen physiologischen Funktionen und die Statik und Dynamik des Fußes möglichst wenig störende Einkopplung der Exoskelette in den Schuh erforderlich. Im Idealfall gibt es eine standardisierte mechanische Schnittstelle, über die sich Exoskelette und Schuhe miteinander verbinden und über die sich Kräfte, Drehmomente und Bewegungen ohne signifikante zusätzliche Belastungen – bspw. der Sprunggelenke - übertragen lassen.

Ziel

Dementsprechend ist das Ziel, für Sicherheitsschuhe eine normungsfähige mechanische Schnittstelle und einen entsprechend geeigneten Schuhaufbau zu entwickeln, welche das normale Gehen möglichst wenig beeinflussen, die zu erwartenden Belastungen durch Exoskelette über den Schaft und die Sohle der Schuhe auf den Boden übertragen können, ohne sicherheitsrelevante Parameter oder den Komfort der Schuhnutzung negativ zu beeinflussen.

Lösungsweg

Zunächst muss untersucht werden, welche Belastungen, Kräfte, Drehmomente, kinematischen Veränderungen und Eigenschaften die diversen möglichen und existierenden Exoskelette generieren und wie diese sich auf den Gang sowie die Statik und Dynamik des Gehens auswirken. Dann müssen diese Ergebnisse auf die Nutzung des Schuhwerks übertragen werden. Welche Bewegungen können durch den Schuh übertragen werden, welche behindern das normale Gehen, etc.?
Hieraus werden Anforderungen an den Schuh abgeleitet. Welche Kräfte und Drehmomente müssen eingekoppelt und übertragen werden? Wie können diese durch die Sohle auf den Boden übertragen werden? Es werden dann geeignete Kupplungen untersucht und entwickelt, die sich in Schuhe integrieren lassen, ohne die Eigenschaften der Schuhe hinsichtlich Sicherheit und Komfort signifikant zu verschlechtern, sondern im Idealfall noch zu verbessern. Es sollen für diese konstruktive Aufgabe Simulationstechniken genutzt werden. An Schuh-Funktionsmodellen sollen die aussichtsreichsten Ansätze erprobt werden. Über Partner aus der Branche der Exoskelett-Hersteller sollen entsprechende Kupplungen auf der Seite der Exoskelette implementiert und erprobt werden. Die biomechanischen Eigenschaften beim Gehen und bei entsprechenden Arbeitsabläufen werden mit und ohne angekoppelte Exoskelette erfasst, untersucht und bewertet und entsprechende Optimierungen an Schuh und Kupplungen vorgenommen. Über die Normungsaktivität des PFI sollen die Lösungen und Ansätze in den entsprechenden Gremien vorgestellt bzw. vorgeschlagen werden.

Projektbeteiligung

IGF-geförderte Projekte werden von einem projektbegleitenden Ausschuss (PA) begleitet, dessen Mitglieder sich aus am Thema interessierten Vertretern der Industrie zusammensetzen. Der PA beobachtet das Projekt über die gesamte Laufzeit und kann es durch seinen Input aktiv beeinflussen.

Wir möchten Sie hiermit herzlich einladen, sich gemeinsam mit uns an der Entwicklung zu beteiligen.

Als Mitglied im projektbegleitenden Ausschuss nehmen Sie folgende Aufgaben wahr:

• Teilnahme an PA-Meetings:

Sie oder ein Vertreter Ihres Unternehmens nimmt etwa ein bis zweimal pro Jahr an den Zusammenkünften des PA teil. Bei diesen Treffen berichten die Forschungsstellen über den aktuellen Stand der Projektarbeit und erläutern die nächsten Schritte. So werden Sie frühzeitig und aus erster Hand über die Projektergebnisse informiert. Zudem sollen diese Treffen eine Plattform für offene Diskussionen bieten. Vor allem hier sind Ihr Input, Ihre Erfahrungen sowie Ihre Wünsche gefragt.

Außer der Teilnahme an den PA-Meetings und den dabei anfallenden Reisekosten ist kein finanzielles Engagement Ihrerseits erforderlich. Für uns ist es jedoch sehr wichtig, eine Rückmeldung von der Wirtschaft zu erhalten, inwiefern ein Interesse an den Ergebnissen des Forschungsvorhabens besteht. Dieses Interesse der Wirtschaft ist für die Durchführung des Projektes obligatorisch und wir sind verpflichtet dieses der DLR in Form von vorhabenbezogenen Aufwendungen der Wirtschaft (vAW) nachzuweisen. Dies bedeutet konkret, dass unsere Forschungsarbeit sehr davon profitiert, wenn Sie das Projekt auch über eine rein beratende Tätigkeit hinaus unterstützen würden.

Diese vAW können z. B. erfolgen durch:

• Besprechung der Anforderungen von Exoskelett- und Schuhherstellern im Rahmen einer informativen Tagung zu dem Thema
• Überlassen von verschiedenen Schuhen, für Prüfungen zum Stand der Technik oder der Erarbeitung von Ankopplungsmöglichkeiten an den Sicherheitsschuh
• Bereitstellung von Exoskeletten für Versuchsdurchführungen
• Bereiterklärung zur Kooperation mit dem PFI und Funktion als Ansprechpartner
• Teilnahme an den Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses

Wir würden uns freuen, mit unserer Idee Ihr Interesse geweckt zu haben. Ihre Rückfragen dazu beantworten wir gerne. 

Florian Dieudonne
E-Mail: florian.dieudonnepfi-germanyde
Telefon: 06331 / 2490 922                     

Haben Sie Interesse am projektbegleitenden Ausschuss mitzuwirken, so bitten wir Sie die unverbindliche Bereitschaftserklärung auszufüllen, mit Stempel und Unterschrift zu versehen, einzuscannen und an uns per E-Mail zurückzuschicken.

Ihre Teilnahme erhöht die Chancen auf eine Genehmigung des Projektes. Sie werden mit der Interessensbekundung automatisch in den Projektbegleitenden Ausschuss des Forschungsprojektes aufgenommen und profitieren von den aktuellen Ergebnissen der Forschung.