Exoskelette in der Großturbinenfertigung: Konzept zur Bewertung von ergonomischer und wirtschaftlicher Eignung bei Schleifarbeiten

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit untersucht den Einsatz von Schulter-Exoskeletten bei manuellen Schleifarbeiten in der Großturbinenfertigung und entwickelt ein praxisorientiertes Konzept zur Bewertung ihrer ergonomischen, technischen, akzeptanzbezogenen und wirtschaftlichen Eignung. Ausgangspunkt der Arbeit ist die hohe körperliche Belastung der Beschäftigten, die insbesondere durch Zwangshaltungen, Arbeiten mit erhobenen Armen, schwere Schleifwerkzeuge, beengte Arbeitsräume sowie das Tragen persönlicher Schutzausrüstung entsteht. Ziel war es, geeignete Exoskelettsysteme zu identifizieren, ihre praktische Einsetzbarkeit unter realen Industriebedingungen zu bewerten und Anforderungen für eine erfolgreiche betriebliche Implementierung abzuleiten. Methodisch wurde ein mehrstufiges Vorgehen gewählt. Zunächst wurden typische Arbeitshaltungen mittels RULA analysiert, um den ergonomischen Handlungsbedarf systematisch zu erfassen. Anschließend wurden 7 marktverfügbare Exoskelette anhand gewichteter Kriterien verglichen. Auf dieser Grundlage wurden ausgewählte Systeme in einem Praxistest erprobt. Die weitere Validierung erfolgte anhand strukturierter Beobachtungen sowie durch die Erfassung der wahrgenommenen Arbeitsbelastung mit dem NASA-TLX. Ergänzend wurden akzeptanzrelevante Einflussfaktoren auf Basis der Theory of Planned Behavior betrachtet und eine Kostenanalyse zur wirtschaftlichen Bewertung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen ergonomischen Handlungsbedarf am untersuchten Arbeitsplatz. 10 der 11 analysierten Arbeitshaltungen erreichten den maximalen RULA-Score von 7. In der systematischen Auswahl erwiesen sich passive Schulter-Exoskelette aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer robusten Bauweise und ihrer einfachen Handhabung als besonders geeignet. Die praktische Erprobung zeigte jedoch, dass der Einsatz stark von der jeweiligen Arbeitssituation abhängt. 8 Positionen mussten aufgrund räumlicher Einschränkungen ausgeschlossen werden. In den verbleibenden 12 Positionen wurden teilweise ein eingeschränkter Greifradius, zusätzlicher Handhabungsaufwand und Nachjustierungen während der Arbeit beobachtet. Die Auswertung des NASA-TLX ergab keinen statistisch signifikanten Nachweis für eine Reduktion der subjektiv wahrgenommenen Gesamtbelastung. Der mittlere RTLX-Wert lag ohne Exoskelett bei 41,94 und mit Exoskelett bei 45,56. Der gepaarte t-Test zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen beiden Bedingungen. Gleichzeitig zeigten Arbeitssituationen mit einer Armhaltung von mehr als 90° Hinweise auf einen aufgabenspezifischen Nutzen. Die Ergebnisse verdeutlichen daher, dass Schulter-Exoskelette keine universelle Lösung für alle Belastungssituationen darstellen, jedoch bei geeigneten Überkopf- und Schulterbelastungen eine Unterstützung bieten können.

This thesis investigates the use of shoulder-support exoskeletons in manual grinding tasks in large-scale turbine manufacturing and develops a practice-oriented concept for assessing their ergonomic, technical, acceptance-related, and economic suitability. The study is motivated by the high physical strain placed on workers, which results from constrained postures, work with elevated arms, heavy grinding tools, confined workspaces, and the use of personal protective equipment. The aim was to identify suitable exoskeleton systems, evaluate their applicability under real industrial conditions, and derive requirements for successful implementation in an operational setting. A multi-stage methodological approach was applied. First, typical working postures were assessed using the Rapid Upper Limb Assessment method in order to determine the ergonomic need for intervention. Subsequently, seven commercially available exoskeleton systems were systematically compared using weighted evaluation criteria. Based on this assessment, selected systems were tested in practice at Voith Hydro. The further evaluation combined structured workplace observation with the assessment of perceived workload using the NASA-TLX. In addition, acceptance-related factors were examined on the basis of the Theory of Planned Behavior, and a cost analysis was conducted to evaluate economic feasibility. The results indicate a substantial ergonomic need for intervention at the investigated workplace. 10 of the 11 analyzed working postures reached the maximum RULA score of 7. The systematic comparison showed that passive shoulder exoskeletons were particularly suitable for the application context due to their low weight, robust mechanical design, and ease of use. However, the field tests revealed that the suitability of the exoskeleton strongly depends on the specific working situation. 8 positions had to be excluded due to spatial restrictions. In the remaining 12 positions, restricted reach, additional handling effort, and adjustments during work were observed in several cases. The NASA-TLX results did not provide statistically significant evidence for a reduction in overall perceived workload. The mean RTLX score was 41.94 without the exoskeleton and 45.56 with the exoskeleton. The paired t-test showed no significant difference between the two conditions. Nevertheless, working situations involving arm elevations above 90° indicated task-specific benefits of the exoskeleton. The findings therefore suggest that shoulder-support exoskeletons should not be regarded as a universal solution for all physically demanding tasks, but may provide useful support in selected overhead or shoulder-intensive work situations.