Когда мы слышим слово экзоскелет перед глазами неизменно встаёт образ Роберта Дауни Мл., облачённого в пурпурно-золотую броню Железного человека, взмывающего в облака и разбрасывающего врагов человечества направо и налево. Существующие и разрабатываемые сегодня экзоскелеты пока не способны поднимать многотонные грузы, летать в стратосфере и развивать сверхзвуковые скорости, однако может быть этого от них и не требуется?..

Как мы писали ранее, одним из приоритетных направлений работ нашей лаборатории являются промышленные экзоскелеты.

Что такое экзоскелет?

Международный стандарт ISO 13482:2014(en) Robots and robotic devices — Safety requirements for personal care robots относит экзоскелеты к категории роботов-помощников, закрепляемых на теле человека во время использования, которые в более широкой трактовке чаще именуются одеваемыми роботами. Национальная исследовательская лаборатория сухопутных войск США проводила опрос среди разработчиков и эксплуатантов робототехники на предмет того, что же такое «одеваемая робототехника», в ходе которого все респонденты сошлись в следующем:

• Это носимые робототехнические средства, элементы которых закрепляются непосредственно на человеке-операторе;
• Это робототехнические средства, которые физически разгружают оператора, обеспечивают ему физическую поддержку, увеличивают его физические способности.

Таким образом, экзоскелет – это носимое (надеваемое на человека) механическое устройство или программно-мехатронный комплекс с элементами антропоморфных структур, конструктивно предназначенный для преумножения физических возможностей человека путём синхронного дублирования и поддержки двигательной активности последнего. Говоря о преумножении физических способностей, мы подразумеваем не только олимпийское «Быстрее! Выше! Сильнее!», но и здоровее, выносливее, эффективнее, технически правильнее. Экзоскелет призван помочь человеку преодолеть некоторые из его существующих физиологических барьеров, объединив таким образом интеллектуальность, творческое начало, адаптивность и обучаемость работника-человека с силой, выносливостью, и точностью работника-робота. В этом разрезе экзоскелет – тоже своеобразная разновидность коллаборативной робототехники.

История и эволюция экзоскелетов

Прародителем экзоскелета можно считать эластипед. Эластипед— устройство, предназначенное для облегчения ходьбы, бега и прыжков предназначался для военного применения. Автором этого изобретения является русский изобретатель Николай Александрович Ягн (1849 — 1905). В конце XIX века он разработал и запатентовал несколько модификаций пассивного экзоскелета «Эластипед».

Первая попытка разработки силового экзоскелета была предпринята специалистами компании General Electric в начале 60-х годов 20-го века. Проект под названием «Hardiman» был реализован по заказу министерства обороны США. В ходе проекта была разработана двупедипуляторная платформа и манипулятор с электрогидравлической трансмиссией, конструкция которой должна была обеспечивать возможность подъёма груза общей массой до 680 кг.

Эластипед Н. А. Ягна, эскиз Существенным недостатком конструкции экзоскелета являлись возникавшие в процессе функционирования вибрации, ставшие причиной неоднократного опрокидывания устройства во время испытаний. Испытаний с привлечением оператора не проводилось.

В итоге исследования были сосредоточены на разработке одного из манипуляторов экзоскелета. Несмотря на то, что разработчикам удалось добиться целевого показателя грузоподъёмности в 750 фунтов (340 кг), масса самого устройства составляла почти три четверти тонны, что более чем в два раза превышало массу поднимаемой полезной нагрузки.

Преодолеть конструктивные недостатки устройства не удалось, в результате в 1971 году проект «Hardiman» был закрыт из-за отсутствия перспектив его дальнейшего развития [https://en.wikipedia.org/wiki/Hardiman].

Справа — прототип экзоскелета «Hardiman»

В 1970-х годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал прототип экзоскелета с пневматическим приводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. В 80-х годах Вукобратович подарил свой экзоскелет СССР. Российские и европейские ученые впоследствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так, в начале 1980-х годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова. Интересно, что известный российский проект ЭкзоАтлет делается учеными, которые как раз изучали проект Вукобратовича в МГУ.

Экзоскелет Миомира Вукобратовича

Отсутствие компактных и безопасных источников энергии, нехватка эффективных силовых компонентов и средств управления значительно тормозили развитие экзоскелетов.

Лишь к середине 2000-х годов идея создания «силового костюма» начала претворятся в жизнь. Так, Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США (DARPA) инициировало разработку экзоскелетов в 2001 году в рамках программы Exoskeletons for Human Performance Augmentation. Агентство финансировало 50 млн долларов различным участникам в рамках пятилетней программы. В рамках программы была разработана система Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) от Sarcos Research из Солт-Лейк-Сити, штат Юта, в результате дальнейшей доработки и модернизации которой был создан полноразмерный силовой экзоскелет XOS2, представленный оборонным гигантом Raytheon (выкупившим Sarcos Research в 2007 году) в сентябре 2010 года.

Источник — Army Technology

На текущий момент экзоскелетная тематика становится одним из наиболее динамично развивающихся направлений сервисной робототехники, разработкой собственных экзоскелетных комплексов занимаются десятки научных организаций и промышленных предприятий в ряде стран мира, в том числе США, Япония, Израиль, Германия, Китай, Франция, Новая Зеландия, Норвегия, Великобритания, Южная Корея, Италия и Россия.

Почему именно промышленные экзоскелеты?

Анализ мирового опыта позволяет сделать вывод о том, что в настоящий момент существует три ключевых сферы применения экзоскелетных модулей и комплексов на их основе:

• экзоскелеты военного назначения;
• реабилитационные экзоскелеты и экзоскелеты для компенсации недостатка подвижности лиц с ограниченными возможностями;
• экзоскелеты для применения в промышленности.

Наибольший интерес на сегодняшний день вызывает именно направление промышленных экзоскелетов, и тому есть несколько причин.

Причина №1: рыночный аспект

Носимые робототехнические средства, предназначенные для применения в условиях промышленных производств, становятся наиболее быстро растущей областью коммерческого использования экзоскелетных технологий.

Динамика мирового рынка экзоскелетов в период с 2015 по 2017 год с прогнозом на 2018–2020 гг. по версии IFR

Посегментный прогноз развития рынка экзоскелетов к 2023–2024 гг. составленный на основе данных исследований Global Markets Insight и Markets&Markets.

Экзоскелеты для работы и промышленности могут использоваться на строительных площадках, в сухих доках, на фабриках, складах и даже в хирургических кабинетах. Внедрение таких устройств обеспечивает решение трёх важнейших бизнес-задач:

1. повышение производительности труда и снижение трудоёмкости выполнения производственных операций, выполняемых вручную;
2. сокращение объёма социальных и компенсационных выплат, связанных с возникновением производственных травм и профессиональных заболеваний работников производственных подразделений;
3. обеспечение дополнительной мотивации сотрудников, достигаемой за счёт создания более комфортных условий труда.

В самой последней презентации Ассоциации Wearable Robotics д-р Джозеф Хитт описал экзоскелеты для производства и строительства как «низко висящие фрукты» рынка экзоскелетных решений, что вполне справедливо, ведь по сравнению с реабилитационными или же военными экзоскелетами, такое направление как промышленные силовые костюмы имеет ряд существенных преимуществ:

1. круг потребителей крайне широк и не ограничен конкретной специфической группой потенциальных покупателей, кроме того, целевая аудитория включает в себя множество крупнейших производственных корпораций с высоким уровнем платёжеспособности, которые в будущем смогут покупать миллионы единиц промышленных экзоскелетов для своих рабочих;
2. на сегодняшний день в этой нише пока ещё нет явных лидеров и общепризнанных авторитетов;
3. отсутствуют административные и законодательные барьеры для выхода на рынок;
4. более мягкие требования к эксплуатационным характеристикам (в сравнении, например, с аналогичными решениями военного применения), отсутствие ограничений, связанных с используемой компонентной базой, как следствие более низкая стоимость как разработки, так и изготовления.

Причина №2: социальный аспект

Даже на современных высокотехнологичных предприятиях обрабатывающей промышленности в рамках произодственных процессов остаётся множество операций, автоматизировать которые достаточно затруднительно. По данным European Foundation for the Improvement of Living and Working Conditions до 64% высококвалифицированных работников тратят почти три четверти своего рабочего времени на операции по подъёму и переноске различных грузов. Специалистам на производстве постоянно приходится прибегать к использованию ручного труда, в результате чего они подвергаются воздействию вредных факторов, которые увеличивают вероятность получения травм, в первую очередь развитие различного рода скелетно-мышечных нарушений, которые остаются в числе наиболее распространенных профессиональных заболеваний в Европейском союзе. Это в свою очередь ведёт к росту затрат на содержание работников в периоды их нетрудоспособности и снижению производительности труда на предприятии в целом. По оценкам Work Foundation на сегодняшний день около 44 миллионов работников ЕС страдают от скелетно-мышечных отклонений, что суммарно приносит европейской экономике убытки, оцениваемые более чем в 240 миллиардов евро. И это только страны ЕС. [ Van der Vorm, Johan; O`Sullivan, Leonard; Nugent, Rachel; de Looze, Michiel. Considerations for developing safety standards for industrial exoskeletons ].

Причина №3: технологический аспект

Промышленные экзокостюмы в гораздо меньшей степени чувствительны к технологическим ограничениям характерным для всей отрасли экзоскелетов.

1. В отличие от военных экзоскелетов, предназначенных для полевого и маршевого использования в условиях полной энергетической автономности, промышленные экзоскелеты в большинстве своём предполагается использовать в условиях цехов, складов, производственных линий и т.д. Благодаря этому снижаются требования к автономным источникам энергии, питающим активные приводные узлы экзокостюмов, более того, благодаря доступности электросетей необходимость в разного рода аккумуляторах и системах генерации под час вовсе пропадает. Особенно это актуально для экзоскелетов с гидравлическим приводом, т.к. позволяет избежать необходимости размещения непосредственно на корпусе экзоскелета мобильных маслостанций, что в свою очередь снимает целый ряд сопутствующих трудностей.
2. Уровень требований к системе управления промышленным экзоскелетом значительно ниже, нежели к аналогичному решению медицинского или военного применения. С одной стороны, оператор экзоскелета – трудоспособный человек, а значит он может использовать в работе технические средства с «традиционными» органами и интерфейсами управления, такими как джойстики, тачпады, голосовой интерфейс и другие, как следствие ему не требуются сложные в освоении, дорогие и наукоёмкие интерфейсные решения, такие, к примеру, как нейрокомпьютерный интерфейс. С другой, скорость и точность реакций на управляющее воздействие в промышленном экзоскелете не является столь критически важной, как в экзоскелете военном, ведь в условиях боевых действий две-три десятых доли секунды задержки в обратной связи могут попросту стоить оператору жизни. Условия применения промышленных экзоскелетов чаще всего не столь критичны.

Следует отметить, что предыдущие тезисы не должны вводить вас в заблуждение: проблемы энергетики, эффективного эргономичного управления и безопасного использования являются краеугольными камнями для всей экзоскелетной отрасли, и промышленные экзоскелеты ни в коем случае не являются исключением, мы лишь говорим о том, что уровень требований к этим технологическим аспектам в данном конкретном случае может быть существенно ниже, что конечно же зависит в том числе и от условий и специфики применения.

Классификация промышленных экзоскелетов

По своей конструкции промышленные экзоскелеты можно разделить на экзоскелеты верхней либо нижней части тела, а также полноразмерные экзоскелеты.

По характеру силового воздействия на пассивные (не оснащённые приводными решениями, поддержка и разгрузка в таких случаях осуществляется через применение различного рода демпферов, пружин, противовесов и т.д.) и активные, которые в свою очередь можно разделить на подгруппы в зависимости от типа используемых приводных решений (электромеханические, гидравлические, пневматические, комбинированные).

В зависимости от структуры системы энергопитания активные экзоскелеты можно также подразделить на автономные и неавтономные.

В зависимости от их назначения экзоскелетные комплексы для работы и промышленности можно разделить на 6 категорий:

• Экзоскелеты для удержания инструмента: эти экзоскелеты состоят из подпружиненного плеча, механического рычага, на который устанавливается рабочий инструмент. Рычаг соединен с экзоскелетным модулем нижней части тела и системой противовесов, при этом вес инструмента переносится на землю. В большинстве своём экзоскелеты такого типа пассивны, однако есть подобные решения с приводами в нижней части.

Экзоскелет «Fortis», Lockheed Martin, США

• Стулья без стула: это легкие экзоскелеты, которые могут быть зафиксированы в наиболее удобном для оператора положении, что позволяет снизить усталость и утомляемость работника при продолжительном выполнении работ в вертикальном или просто статичном положении (например, в положении полуприседа).
• Экзоскелеты для поддержки спины: эти экзоскелеты могут поддерживать правильную осанку и снизить нагрузку на мышцы спины и позвоночник при выполнении наклонов и подъёмов.

Экзоскелет BackX, ExoBionicks, США

• Экзоперчатки: механизированные перчатки, которые могут помочь работникам крепко удерживать тяжёлый ручной инструмент. Существуют также устройства с обратным действием, помогающие работникам, у которых есть физиологические проблемы с естественным раскрытием ладони, разжать свои пальцы с помощью экзоскелетной перчатки.

• Полноразмерные экзокостюмы: несколько лет назад считалось, что для решения производственных задач будут использоваться в основном тяжёлые полноразмерные экзокостюмы. Сейчас же большинство разработчиков переключились на более компактные узкоспециализированные решения, однако проекты тяжёлых полноразмерных экзоскелетов продолжают развиваться и сейчас.

Полноразмерный экзоскелет Sarcos Guardium XO, Sarcos Corp., США

• Дополняющие человека роботизированные модули: экзоскелетные модули, которые обеспечивают работнику вторую пару рук. Два или более закрепляемых на теле робототехнических манипулятора, контролируемые оператором, используются для удержания инструментов или рабочих заготовок на месте.

Концепт Supernumerary Robotics Limbs, MIT

Кто сегодня уже разрабатывает или производит промышленные экзоскелеты?

Южная Корея

• Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering
• Hyundai Motor Company

США

• Sarcos / Raytheon
• Lockheed Martin
• US Bionicks
• Ekso Bionics Holdings, Inc.

Япония

• Panasonic – Activelink
• Cyberdine
• Honda
• Mitsubishi Heavy Industries

Франция

• Gobio Robot

Новая Зеландия

• Laevo

Швейцария

• Noonee AG

Израиль

• Rotbot Systems

Россия

• ExoChair

Текст подготовили Альберт Ефимов и Игорь Орлов из Лаборатории робототехники Cбербанка.