Exoskelette im Garten- und Landschaftsbau

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Einführung und Unterweisung zum korrekten Anlegen des Laevo Exoskeletts bei der Firma gardeco. Foto: Oliver Dietrich

Exoskelette sind am Körper getragene technische Unterstützungssysteme für häufig gleichförmig wiederkehrende, häufig einseitig belastende körperliche Arbeiten. Sie finden in unterschiedlichsten Einsatzszenarien Verwendung, von industriellen, über militärische, bis hin zu landwirtschaftlichen Anwendungen. Im GaLaBau könnten sie dazu beitragen, schwere Tätigkeiten zu erleichtern und die Gesundheit der Mitarbeiter zu schützen. Dabei gilt es einige grundlegende Aspekte zu beachten.

Eine Bachelorarbeit an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) hat die Praxistauglichkeit und die Akzeptanz von Exoskeletten im Garten- und Landschaftsbau untersucht.

Der Einfluss des Exoskeletts auf Nebentätigkeiten wurde ebenfalls untersucht. Foto: Oliver Dietrich

Das verwendete Exoskelett unterstützt auch ... Foto: Oliver Dietrich

... das Heben aus den Beinen mit geradem Rücken. Foto: Oliver Dietrich

Europaweit beschreiben 60 Prozent der Arbeitnehmer arbeitsbedingte Muskel-Skelett-Erkrankungen als ihr größtes gesundheitliches Problem (Del Ferraro et al. 2020:2). Der neuralgische Punkt ist häufig der untere Rückenbereich, die sogenannten Lendenwirbel. 47 Prozent der Bevölkerung geben an, innerhalb der letzten zwölf Monate in diesem Bereich von Schmerzen betroffen gewesen zu sein. Einen verstärkenden Einfluss haben der demografische Wandel, also das durchschnittliche Älterwerden der Bevölkerung und vielfach Belastungsfaktoren aus der Berufswelt. Dabei sind besonders produzierende Gewerbe, private Dienstleister (z. B. Paketdienste) und das Baugewerbe betroffen.

Der Garten-, Landschafts- und Sportplatzbau umfasst eine Vielzahl von Tätigkeiten, die in hohem Maße körperlich belastend wirken und potentiell chronische Muskel-Skelett-Erkrankungen verursachen können. Ärzte vergleichen die Tätigkeit eines Landschaftsgärtners mit Leistungssport, ablesbar beispielsweise an der vergleichbaren Ausprägung des Herzmuskels oder der extremen körperlichen Beanspruchung von Muskulatur und Skelett. Anhand des folgenden Beispiels wird klar, warum das so ist.

Eine moderne großformatige Betonpflasterplatte mit den Maßen 60 x 30 x 8 cm wiegt ca. 31 kg. Für die Pflasterung einer durchschnittlichen Einfamilienhaus-Pkw-Zufahrt werden rund 300 solcher Steine verbaut. Das bedeutet, die mit dieser Arbeit betrauten Mitarbeiter bewegen am Arbeitstag der Verlegung etwa 10 t Material in Einheiten zu rund 31 kg und in teilweise äußerst ungünstigen, häufig gebückten oder verdrehten Körperhaltungen. Prozessbedingt, beispielsweise beim Zuschnitt, muss ein Teil der Steine mehrfach bewegt werden. Gerade aber diese gleichförmigen, ungünstigen und hochbelastenden Bewegungen bei teilweise ungünstigen klimatischen Bedingungen bringen vor allem für vordisponierte und/oder ältere Mitarbeiter vielfach Probleme mit sich und können auf Dauer zu ernsthaften und chronischen Erkrankungen führen.

Das Beispiel ist so gewählt, dass die laut "Hettinger Tabelle" (Vgl. Lasthandhabungsverordnung) für häufiges Lasten-Heben am Arbeitsplatz bei Männern maximal zulässige Last von 30 kg knapp überschritten wird und somit gemäß Arbeitsschutzgesetz Maßnahmen eingeleitet werden müssen.

An dieser Stelle sind eine Vielzahl technischer Hilfsmittel vorstellbar, wie beispielsweise (Vakuum-) Handverlegegeräte. Allerdings erweist es sich in der Praxis, dass diese bei bestimmten Arbeiten von den Mitarbeitern als umständlich (Stromkabel, Betreten der Planie bzw. der zuletzt gesetzten Steinreihe, ungünstiger Transportweg von der Palette zum Einbauort etc.) und somit als wenig praktikabel eingestuft werden.

Eine weitere mögliche Maßnahme die Mitarbeiter unterhalb und im Grenzbereich der zulässigen Lastenhandhabung zu entlasten und zu unterstützen sind Exoskelette.

Was sind Exoskelette?

Am Markt verfügbare und bezahlbare Exoskelette sind in der Regel vergleichsweise einfach aufgebaute technische Hilfsmittel, die am Körper getragen werden und die Körperfunktionen des Trägers unterstützen und/oder Körperregionen durch Ihre Stützfunktion entlasten können. Im beruflichen Kontext dienen sie somit der Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei bestimmten Tätigkeiten und gleichzeitig der Minimierung der körperlichen Beanspruchung der Mitarbeiter (Steinhilber et al.2020:11, Hensel, Keil 2018:1). Wesentlich dabei ist, dass bestimmte Körperbewegungen und -haltungen möglich gemacht werden, ohne dass andere beeinträchtigt werden. Insgesamt soll das Tragen keine Schädigungen oder Verletzungen, möglichst auch im Dauereinsatz, hervorrufen (Schick 2018:8).

Grundsätzlich lassen sich aktive und passive Assistenzsysteme unterscheiden. Bei den komplexer aufgebauten aktiven Systemen unterstützen aktiv angesteuerte Antriebselemente (Aktuatoren) die menschlichen Bewegungen. Dies können Elektromotoren oder pneumatische beziehungsweise hydraulische Antriebe sein, die durch eine aufladbare, elektrische Batterie (Akku) angetrieben werden. Die in der Regel einfacher aufgebauten, passiven Exoskelette erzeugen die benötigte Energie aus der Bewegung des Trägers heraus und speichern sie in mechanischen oder pneumatischen Federelementen, die anschließend durch ihre Entspannungskraft die Gegenbewegung unterstützen. Die verwendeten Systeme lassen sich zusätzlich auch nach der Körperregion unterscheiden, für die sie konzipiert sind (Dietrich 2021:11ff).

Das Führen von Maschinen ... Foto: Oliver Dietrich

... sowie die Natursteinbearbeitung zählten ebenfalls zu anfallenden Nebentätigkeiten. Foto: Oliver Dietrich

Welche Exoskelette sind für den GaLaBau geeignet?

  • SoftExo der Fa. Hunic
  • PLAD (Personal Lifting Assitive Device) der Fa. PeakWorks
  • Laevo V2.57 der Fa Laevo
  • backX der Fa. suitX
  • Paexo Back und Paexo Shoulder der Fa. Ottobock
  • Cray X der Fa. German Bionic
  • Fortis der Fa. Lockheed Martin

Aufgrund des spezifischen Einsatzes sind im GaLaBau vor allem passive Assistenzsysteme gut geeignet, da sie einfach aufgebaut, bezahlbar und hinreichend robust sind. Unter Beachtung der in Bauberufen häufig zu beobachtenden Belastung des unteren Rückens in Verbindung mit stehender Haltung beziehungsweise Arbeiten in Zwangshaltungen sind vor allem Exoskelette, die den unteren Rückenbereich unterstützen als geeignet anzusehen. Für diesen Verwendungszweck sind aktuell ca. 15 Geräte vom Fraunhofer Institut zugelassen, von denen acht passiv und sieben aktiv wirken. In der an der HSWT durchgeführten Studie wurden anhand eigens entwickelter Auswahlkriterien für den GaLaBau sieben prinzipiell taugliche Produkte im Hinblick auf ihre Eignung geprüft (Dietrich 2021:18ff). Diese sind:

Auf Grundlage von Expertenbefragungen, ersten Kurzerprobungen und aufgrund spezifischer Eigenschaften, wie beispielsweise der Zulassung oder Förderung einer korrekten Hebehaltung aus den Knien heraus, wurde das Laevo Exoskelett mit Unterstützung des Bundesverbands Garten-, Landschafts- und Sportplatzbau (BGL), der Sozialversicherung für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau (SVLFG) sowie der Gemeinnützigen Haftpflichtanstalt Kassel (HAVA Kassel)/GHV Versicherung in drei Exemplaren erworben und im Rahmen einer Bachelorarbeit bei zehn Betrieben unter Einbeziehung von über 30 Mitarbeitern in der Praxis getestet.

Für den Einsatz im Garten- und Landschaftsbau wurden dabei vor allem folgende Aspekte als Auswahlkriterien definiert:

  • Robust und leicht zu reinigen
  • Wetterfest
  • Schnell und ohne Umstände anlegbar
  • Spürbar nachvollziehbare Wirkung
  • Nur geringe Vergrößerung der Silhouette des Trägers, geringe Vergrößerung der Abmessungen, um die Gefahr des Hängenbleibens zu minimieren
  • Maschinenbedienung sollte auch mit Exoskelett möglich sein
  • Erschwingliche Preisgestaltung

 

Verlegen von 80x40x4 cm großen Betonplatten mithilfe von Exoskeletten. Foto: Oliver Dietrich

Auch beim Zuschneiden der Platten ... Foto: Oliver Dietrich

... wurde das Exoskelett getragen. Foto: Oliver Dietrich

Praxiserprobung

Um die Ergebnisse der Praxiserprobung in den verschiedenen Betrieben erfassen zu können, wurde im Vorfeld ein Leitfaden erarbeitet, der die strukturierte Befragung der Probanden erlaubte und somit die Ergebnisse miteinander vergleichbar macht. Die Befragung wurde jeweils vor der Erprobung und danach durchgeführt. Aus dem Vergleich der Einschätzung der Probanden bezüglich der Wirkung des Exoskeletts vor und nach der Erprobung konnten Aussagen zur Einschätzung der Eignung und zur Akzeptanz nach den absolvierten Praxistests abgeleitet werden.

Den ausgewählten Betrieben standen die Erprobungsmodelle jeweils zwischen einer Woche und drei Monaten zur Verfügung. Teilweise wurden zwei Exoskelette parallel erprobt. Die tatsächlichen Einsatzzeiten waren naturgemäß geringer und beliefen sich auf Zeiträume zwischen einem Tag und vier Wochen. Dabei wurden die Assistenzsysteme bei ganz unterschiedlichen Arbeiten eingesetzt. Beispiele für die von den Betrieben ausgewählten landschaftsbautypischen Einsatzszenarios sind:

  • Platten legen
  • Hecken schneiden
  • Mauern aufsetzen
  • Einbau von Blockstufen oder Tiefborden
  • Unkraut jäten

Alle Betrieb führten (auf Veranlassung des Verfassers der Studie) eine (gesetzlich vorgeschriebene) Gefährdungsbeurteilung für den erstmaligen Einsatz des neuen Arbeitsmittels durch. Dabei wurde vor allem die Gefahr des Hängenbleibens herausgearbeitet, was beim Arbeiten mit Leitern oder Maschinen als gefährdend eingestuft und somit von der erlaubten Nutzung in einem Betrieb ausgeschlossen wurde.

Im Rahmen der Befragung sollten die Tester jeweils vor und nach dem Einsatz die Einsatztauglichkeit beurteilen, nachdem ihnen das System vorgestellt worden war sowie anschließend ein zweites Mal nachdem der Einsatztest erfolgt war. Anhand eines Zehn-Punkte-Systems sollte weiterhin beurteilt werden, um wieviel sich die erforderliche körperliche Anstrengung prognostiziert mindern würde (Vor dem Einsatz) beziehungsweise sich tatsächlich subjektiv für den Testenden gemindert hat (nach dem Einsatz). Vor dem Einsatz fand eine ausführliche Einweisung entsprechend den Herstellervorgaben und eine entsprechende Anpassung der Einstellungen des Geräts an den Probanden statt.

Einige Studien legen nahe, dass Einführung und Anpassung besonders entscheidend für die Akzeptanz sein können. Hinzu kam eine Unterrichtung in Bezug auf eine korrekte Hebe- und Absetzhaltung. Im Weiteren soll erwähnt werden, dass das Laevo Exoskelett über eine Abschaltfunktion verfügt (Unterstützungswirkung kann während der Nutzung ein- und ausgeschaltet werden) und aufgrund des einfachen Aufbaus leicht an- und abgelegt werden kann.

Durchgeführte Haupttätigkeit: Schalungssteine für einen Pool ... Foto: Oliver Dietrich

... mithilfe des Exoskeletts gesetzt. Foto: Oliver Dietrich

Auch beim Hantieren mit schweren Geräten sieht der Verfasser der Thesis den Einsatz von Exoskeletten als sinnvoll an. Foto: Oliver Dietrich

Durch die Verbreiterung der Körperproportionen muss mehr Rücksicht beim Einsteigen in Maschinen genommen werden, um nicht hängen zu bleiben. Foto: Oliver Dietrich

Ergebnis

Das Ergebnis der Studie zeigt ein erstaunlich einheitliches und positives Bild. Alle Probanden empfanden und bestätigten bei den getesteten Haupttätigkeiten, wie beispielsweise Platten legen, eine deutliche Minderung der Anstrengung zwischen zwei und sechs Punkten im Rahmen der bereits vorgestellten Zehn-Punkte-Skala. Die durchschnittliche Minderung der Anstrengung beträgt 2,9 Punkte, also fast ein Drittel. Positiv und übereinstimmend (neun von zehn Testpersonen) hervor gehoben wurde die Unterstützung einer rückenschonenden Körperhaltung beim Aufnehmen und Absetzen von Lasten. Weitere Arbeiten, bei den ebenfalls eine wahrnehmbare Minderung der Anstrengung bescheinigt wurden sind Mauerbau mit großformatigen Steinen (Natursteinmauer aus gesägten Steinen, Schwimmteichmauer), Heckenschnitt und Unkraut jäten.

Mit zwei Ausnahmen schätzten alle Probanden das Exoskelett nach dem Einsatz vorteilhafter ein als vor dem Test (acht von zehn Betrieben). Ein Betrieb vergab schon im Vorfeld die positive Einschätzung und behielt diese nach dem Test bei. Bei einem Betrieb verschlechterte sich die Beurteilung nach dem Test.

Insgesamt veränderte sich die Einschätzung auf einer fünfstufigen Skala (1 = sehr gut, 5 = sehr schlecht) im Durchschnitt von anfänglich 2,6 auf 1,8 nach der Erprobung. Alle Probanden gaben an, dass Sie sich vorstellen können auch weiterhin mit dem Exoskelett zu arbeiten.

Eine negative Einschätzung wurde bei bestimmten Nebentätigkeiten erzielt. So wurde das Exoskelett als hinderlich bei den folgenden Tätigkeiten beurteilt:

  • Schieben einer Schubkarre
  • Arbeiten mit einer Schaufel (Unterstützender Einsatz des Oberschenkels nicht möglich)
  • Arbeiten auf Leitern
  • Bedienung von Maschinen
  • Erreichbarkeit von Hosentaschen

In Bezug auf störende Einflüsse durch die Auflagepads beispielsweise durch Druck gaben 70 Prozent ein störendes Empfinden im Bereich der Brust und 40 Prozent im Bereich der Oberschenkel an. Die positiv unterstützende Wirkung im unteren Rücken wurde zu 100 Prozent bestätigt.

Auch die thermische Belastung, unter anderem durch verstärktes Schwitzen im Bereich der Auflagepads, wurde von 40 Prozent der Befragten bestätigt. Dabei wurde jedoch der positive Nutzen als überwiegend herausgestellt. Nur 20 Prozent der Befragten gaben an, aufgrund thermischer Belastung bei sommerlichen Temperaturen ihr Trageverhalten beziehungsweise die Tragedauer geändert zu haben.

Hervorzuheben ist, dass sieben von zehn Betrieben den Einsatzbereich "Platten legen" testeten. Hier kam es zu der schon erwähnten gefühlten Entlastung von durchschnittlich 2,8 Punkten. Die höchsten Werte wurden jedoch im Bereich von besonders schweren Arbeiten, die nur von einzelnen Betrieben erbracht wurden erzielt. Das betrifft das Versetzen von Blockstufen mit einer Entlastung von sechs Punkten (Reduktion von neun auf drei) sowie den Einbau von Tiefborden mit einer Entlastung von fünf Punkten (Reduktion von sechs bis sieben auf eins bis zwei).

Ein weiterer Betrieb bescheinigte bei der Tätigkeit "Unkraut jäten" eine Entlastung von vier Punkten (Reduktion von acht auf vier).

Fazit und Ausblick

Die Verwendung von Rücken unterstützenden Exoskeletten im Garten-, Landschafts- und Sportplatzbau lässt sich anhand der Studie an der Hochschule Weihenstephan Triesdorf überwiegend positiv einschätzen. Trotz negativer Aspekte bezüglich Nebentätigkeiten, thermischer Belastung und gegebenenfalls negativer Kommentare von Kunden und Mitarbeitern überwiegt die positive Einschätzung der Probanden. Alle Testbetriebe können sich vorstellen dieses Hilfsmittel weiter zu verwenden. Vor allem im Hinblick auf körperlich extrem belastende Tätigkeiten, wie das Hantieren mit Tiefborden oder Blockstufen, werden sehr hohe Entlastungswerte empfunden. Einsatzszenarios, die einen gleichförmigen Bewegungsablauf und das Heben von Lasten aus niedrigen Positionen erfordern, sind für die Verwendung von Exoskeletten in besonderem Maße geeignet. Aber auch für den Einsatz bei Pflegetätigkeiten wie Hecke schneiden oder Unkraut jäten erfolgte eine durchgängig positive Rückmeldung der Testpersonen.

Wichtig für die Akzeptanz bei den Mitarbeitern sind die sorgfältige Anpassung und die detaillierte Beschreibung der Handhabung vor dem Ersteinsatz. Die Studie legt nahe, den Einsatz stufenweise zunächst mit kurzen Einsatzzeiten zu beginnen, um eine Überlastung (Druckstellen, unangenehmes Empfinden) auszuschließen. Bei einem Preis von annähernd 2900 Euro für das getestete Laevo Exoskelett, wird dennoch in vielen Betrieben eine Abwägung im Hinblick auf andere Hilfsmittel stattfinden (z. B. Vakuumheber am Minibagger). Dennoch zeigen inzwischen auch sehr namhafte Hersteller ein Interesse an Exoskeletten und bieten eigene Produkte an (Hilti EXO-01).

Insofern ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Verbreitung und Verfügbarkeit auch die Akzeptanz und die Verwendung wachsen werden. Eine gezielte Förderung, beispielsweise durch Berufsgenossenschaften und Unfallversicherer, erscheint sinnvoll. Der Verfasser der Studie wird die Exoskelette im eigenen Betrieb in Zukunft weiterverwenden. Generell ist anzumerken, dass der Einsatz eines Exoskeletts den Einsatz eines Vakuumhebers keinesfalls ausschließt! Dies kann auch sehr gut kombiniert werden und wird in der Firma des Verfassers auch so gehandhabt, wie auf den Videos unter folgendem Link zu sehen ist: 1drv.ms/u/s!AmEBxAXBx7kOgshEQ9-OjheD8JxLNw.

Literatur:

  • Del Ferraro, S.; Falcone, T.; Ranavolo, A.; Molinaro, V.; 2020: The Effects of Upper-Body Exoskelettons on Human Metabolic Cost and Termal Response during Work Tasks-A Systematic Review, in: International Journal of Environmental Research and Public Health 17,20, 1-25.
  • Dietrich, Oliver; 2021: Praktikabilität am Körper getragener Assistenzsysteme im Landschaftsbau, Bachelorarbeit an der Hochschule Weihenstephan Triesdorf.
  • Hensel, R.; Keil, M.; 2018: Subjektive Evaluation industrieller Exoskelette im Rahmen von Feldstudien an ausgewählten Arbeitsplätzen, in: Zeitschrift für Arbeitswissenschaft 72,4, 252-263.
  • Schick, R.; 2018: Mechanische Assistenzsysteme. Einsatz von Exoskeletten an gewerblichen Arbeitsplätzen, in DGUV Forum 1-2, 8-11.
  • Steinhilber, B.; Luger, T.; Schwenkreis, P.; Middeldorf, S.; Bork, H.; Mann, B.; Glinski, A. v.; Schildhauer, T. A.; Weiler, S.; Schmauderer, M.; Heinrich, K.; Winter, G.; Schnalke, G.; Frener, P.; Schick, R.; Wischniewski, S.; Jäger, M.; 2020: Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext zur Primär-, Sekundär-, und Tertiärprävention von arbeitsassoziierten muskulos-skelttalen Beschwerden. S2k-Leitlinie der deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e. V. (Hg.)

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe NEUE LANDSCHAFT 06/2021 .

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