Framework for qualifying exoskeletons as adaptive support technology

Abstract

The fifth industrial revolution and the accompanying influences of digitalization are presenting enterprises with significant challenges. Regardless of the trend, however, humans will remain a central resource in future factories and will continue to be required to perform manual tasks. Against the backdrop of, e.g., societal and demographic changes and skills shortage, future-oriented support technologies such as exoskeletons represent a promising opportunity to support workers. Accordingly, the increasing interconnection of human operators, devices, and the environment, especially in human-centered work processes, requires improved human-machine interaction and further qualification of support systems to smart devices. In order to meet these requirements and enable exoskeletons as a future-proof technology, this article presents a framework for the future-oriented qualification of exoskeletons, which reveals potential in terms of user-individual and context-dependent adaptivity of support systems. In this context, a framework has been developed, allowing different support situations to be classified based on elementary functions. Using these support function dependencies and characteristics, it becomes possible to describe adaptive system behavior for human-centered support systems such as exoskeletons as a central aspect. For practical illustration, it is shown for an exemplary active exoskeleton using the example of user-individuality and context-specificity how the support characteristics of exoskeletons in the form of different support characteristics can bring about a purposeful and needs-based application for users and can contribute valuably to design future workplaces.

Exoskelett-Adaptivität durch Zustandsautomaten/Adaptation of the support of an industrial exoskeleton based on the workflow – Finite-State-Machine based exoskeleton adaptivity

“…Die verwendete Aktorik zur Bereitstellung des Unterstützungsmoments wird hinsichtlich des energetischen Eintrags in passiv, semi-aktiv und aktiv unterteilt und definiert die zu erreichende Höhe und Form der Unterstützung [9]. Während passive Antriebe (zum Beispiel Federzüge, Dämpfer) die Energie aus der Bewegung speichern, dissipieren oder verlagern, nutzen semi-ak- [8]. Der Eingriff der Regelung kann aber ebenfalls auch adaptiv durch das Über-oder Unterschreiten eines gemessenen Wertes (messwertbasiert), durch das Registrieren eines definierten Ereignisses (eventbasiert), wie dem Wechsel des Arbeitsplatzes oder Werkzeugs, oder auf Basis von Modellen (modellbasiert) erfolgen [7].…”

“…Adaptive Systeme hingegen zeichnen sich dadurch aus, dass die Anpassung autonom, also ohne Eingriff der Nutzer:in [7], erfolgt. Trotz der Notwendigkeit für eine sinnvolle und nicht störende Nutzung [8], ist die Implementierung eines adaptiven Systemverhaltens mit einem entsprechend hohen Aufwand verbunden.…”

“…Zusammenfassung und DiskussionExoskelette mit adaptivem Systemverhalten können ein Ansatz sein, um kontext-spezifisch zu unterstützen. Auch wenn ein hohes Maß an Adaptivität erstrebenswert sein kann[8], ist die Implementierung mit entsprechend hohem Aufwand verbunden. Ein Konzept zur Umsetzung wurde im Beitrag vorgestellt.…”