Passive und aktive Exoskelette unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art der Energiequelle. Daraus ergeben sich passende Anwendungsmöglichkeiten, bei denen die Vorteile der jeweiligen Variante optimal ausgenutzt werden können. Wichtig ist deshalb eine genaue Analyse der gewünschten Wirkung, individueller Umstände der Arbeitsstätte und der Anforderungen für den jeweiligen Einsatzweck. Um eine fundierte Einschätzung treffen zu können, findet sich unten eine detaillierte Gegenüberstellung der Varianten.
Ein passives Exoskelett erhält seine Energie über die Vorspannung einer Federmechanik oder eines Gummizugs, die über die eigene Muskelkraft nach jeder Kraftunterstützung in der entgegengesetzten Richtung in das Exoskelett zurückgeführt werden muss. Die Spannkraft muss also jeweils überwunden werden. In der Folge wird die Kraft umverteilt und steht für die nächste Lastbewegung wieder zur Verfügung. Dadurch wird die Belastung besser auf natürliche Bewegungsabläufe des menschlichen Körpers angepasst. Zur Veranschaulichung ein Beispiel:
Das Exoskelett steuert beim Überkopf-Hebevorgang Kraft hinzu und stützt den Bewegungsapparat um Schultern und Arme. In der Abwärtsbewegung wird die Aktuatorik für den nächsten Hebevorgang durch den Nutzer wieder „gespannt“.
Die verfügbare Unterstützungsleistung des passiven Exoskeletts ist damit durch die von den Anwendern aufzubringende Kraft zur Vorspannung des Systems begrenzt. Für höhere Unterstützungsleistungen, bspw. beim Bewegen von schweren Lasten, müssten auch höhere Vorspannungen generiert werden. Das bietet nicht für alle Arbeitsvorgänge eine optimale Lösung, vor allem, wenn repetitive Bewegungen ein häufiges Vorspannen der Systeme erfordern. Hierbei könnten durch die Häufigkeit des Spannvorganges eigenständige Ermüdungserscheinungen in der Muskulatur auftreten, durch die die körperliche Entlastung geringer ausfällt als erhofft
Am besten lässt sich ein passives System einsetzen, wenn beispielsweise Werkzeug auf einer gewissen Höhe länger gehalten werden muss. Das Exoskelett kann so eingestellt werden, dass es der zu hebenden Gewichtskraft des Werkzeugs ein Äquivalent entgegensetzt und diese neutralisiert. Da der Spannvorgang dadurch nicht so häufig durchgeführt werden muss, ergibt sich eine effektive Kraftersparnis.
Aktive Exoskelette setzen dagegen auf eine eigene Energiequelle. Diese kann bspw. aus elektrischen Akkus oder Drucklufttanks bestehen, die Elektromotoren oder Pneumatik-Zylinder (andere Formen der Aktuatorik sind auch denkbar) mit Energie versorgen. Geregelt wird das über eine Steuerung und entsprechende Bedienelemente. Durch die zusätzlichen Bauteile haben aktive Exoskelette im Vergleich zur passiven Variante ein etwas höheres Eigengewicht. Je nach Zweck und Einsatzort kann das aber auch durch die Wahl von kabel- oder schlauchangebunden Energiequellen deutlich reduziert werden, zum Beispiel durch das reguläre Stromnetz oder ein Hallendruckluftsystem. Hierdurch sinkt zwar die freie Mobilität, die aber nicht immer ein relevantes Kriterium sein muss.
Es zeigt sich: Die Entscheidung für ein passives oder aktives Exoskelett wird durch die Rahmenbedingungen der Arbeitsstätte und die individuell benötigten Tätigkeiten bedingt.
Passive Systeme sind auf einen festgelegten Kraftverlauf ausgelegt, da die Federkennlinie des Exoskeletts Winkel und Kraftwirkung bestimmt. Die Unterstützungscharakteristik wird dann durch die Kombination des kinematischen Aufbaus von Anlenkung und Hebelarmen bestimmt.
Häufig ist die Vorspannung variabel und kann anhand von Rändelmuttern oder Werkzeugen in Bezug auf Kraftniveau und maximale Federkraft individuell eingestellt werden.
Das erlaubt zwar eine Anpassung der Unterstützungscharakteristik, allerdings nicht während des Arbeitsprozesses. Je nach Aufbau und Systemgestalt muss das passive Exoskelett dafür abgenommen und teilweise umgebaut werden, was zeitintensiv und häufig nicht praktikabel ist. Eine variable Gestaltung der Kraftfreigabe über den Bewegungsverlauf entfällt, weshalb sich solche Systeme besonders für gleichbleibende, aber weniger für Arbeitsprozesse mit hoher Varianz eignen.
Wie bei den passiven Varianten, weisen auch aktive Exoskelette systemspezifische Arten und Richtungen der Kraftentfaltung auf. Sie werden durch die verwendeten Aktoren und den kinematischen Aufbau bedingt. Die Steuerung erlaubt innerhalb der Systemgrenzen dennoch eine Anpassung während des Arbeitsprozesses. Sowohl die Unterstützungsleistung als auch die Kraft in Abhängigkeit zum Gelenkwinkel können zu jedem Zeitpunkt angepasst werden. Zudem ist kein extra Kraftaufwand für die Vorspannung von Federmechanik, Gummizug oder Expander nötig – lediglich für das Verlassen der Halteposition müssen Benutzende noch einen Gegendruck erzeugen. Intelligente Systeme können auch anhand der Bewegungen der Nutzer erkennen, ob eine Unterstützung gewünscht wird – und die Unterstützungsleistung daran anpassen, wodurch bspw. der notwendige Gegendruck noch weiter reduziert werden kann. Gegenüber passiven Systemen sind aktive Exoskelette schwerer – abhängig vom Einsatzzweck kann das jedoch vernachlässigbar sein oder durch stationäre Energieversorgung ausgeglichen werden.
Im direkten Vergleich aktiver vs. passiver Exoskelette zeigen sich für beide Systemlösungen optimale Einsatzgebiete. Eine Analyse des Arbeitsplatzes zeigt häufig sehr schnell auf, welche Systemlösung für eine ergonomische Verbesserung geeignet ist.
