- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Как мы писали ранее [1], одним из приоритетных направлений работ нашей лаборатории являются промышленные экзоскелеты.
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?..
Международный стандарт ISO 13482:2014 [2](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 [3] среди разработчиков и эксплуатантов робототехники на предмет того, что же такое «одеваемая робототехника», в ходе которого все респонденты сошлись в следующем:
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.
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» [4].
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 [5]
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» [6]
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 [7], что известный российский проект ЭкзоАтлет делается учеными, которые как раз изучали проект Вукобратовича в МГУ.
Экзоскелет Миомира Вукобратовича [8]
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 [9], представленный оборонным гигантом Raytheon (выкупившим Sarcos Research в 2007 году) в сентябре 2010 года.
Источник — Army Technology [10]
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.
Анализ мирового опыта позволяет сделать вывод о том, что в настоящий момент существует три ключевых сферы применения экзоскелетных модулей и комплексов на их основе:
Наибольший интерес на сегодняшний день вызывает именно направление промышленных экзоскелетов, и тому есть несколько причин.
Носимые робототехнические средства, предназначенные для применения в условиях промышленных производств, становятся наиболее быстро растущей областью коммерческого использования экзоскелетных технологий.
Посегментный прогноз развития рынка экзоскелетов к 2023-2024 гг. составленный на основе данных исследований Global Markets Insight [12] и Markets&Markets [13].
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:
a) повышение производительности труда и снижение трудоёмкости выполнения производственных операций, выполняемых вручную;
b) сокращение объёма социальных и компенсационных выплат, связанных с возникновением производственных травм и профессиональных заболеваний работников производственных подразделений;
c) обеспечение дополнительной мотивации сотрудников, достигаемой за счёт создания более комфортных условий труда.
В самой последней презентации Ассоциации Wearable Robotics д-р Джозеф Хитт описал [14] 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:
a) 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;
b) на сегодняшний день в этой нише пока ещё нет явных лидеров и общепризнанных авторитетов;
c) отсутствуют административные и законодательные барьеры для выхода на рынок;
d) 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.
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 [15]].
Промышленные экзокостюмы в гораздо меньшей степени чувствительны к технологическим ограничениям характерным для всей отрасли экзоскелетов.
a) 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.
b) 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.
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 [14]:
.
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.
Автор: Abulaphia
Источник [17]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/robototehnika/285551
Ссылки в тексте:
[1] ранее: https://habr.com/company/sberbank/blog/414589/
[2] ISO 13482:2014: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:13482:ed-1:v1:en
[3] опрос : https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/2017/02/06/2a._nist_taxonomy_and_definitions_v2.pdf
[4] «Эластипед»: https://www.kommersant.ru/doc/2120000
[5] Эластипед Н. А. Ягна, эскиз: https://im8.kommersant.ru/ISSUES.PHOTO/OGONIOK/2013/005/odghg3.gif
[6] Справа — прототип экзоскелета «Hardiman»: https://i.pinimg.com/originals/a8/1a/ab/a81aabec09913d6e8affe1e5686ca68a.jpg
[7] Интересно: https://sohabr.net/habr/post/378109/?version=91876
[8] Экзоскелет Миомира Вукобратовича : https://hsto.org/files/938/65e/c58/93865ec58b634c7591b1fac9bbb186d4.png
[9] экзоскелет XOS2: https://www.army-technology.com/projects/raytheon-xos-2-exoskeleton-us/
[10] Источник — Army Technology: https://www.army-technology.com/wp-content/uploads/sites/3/2017/09/1-image-7.jpg
[11] Динамика мирового рынка экзоскелетов в период с 2015 по 2017 год с прогнозом на 2018-2020 гг. по версии IFR: https://ifr.org/downloads/press/Executive_Summary_WR_Service_Robots_2017_1.pdf
[12] Global Markets Insight: https://www.gminsights.com/industry-analysis/exoskeleton-market
[13] Markets&Markets: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/exoskeleton-market-40697797.html
[14] описал : https://exoskeletonreport.com/2016/04/exoskeletons-for-industry-and-work/
[15] Van der Vorm, Johan; O`Sullivan, Leonard; Nugent, Rachel; de Looze, Michiel. Considerations for developing safety standards for industrial exoskeletons: https://www.robo-mate.eu/uploads/7/0/9/9/70997359/robo-mate_whitepaper_safety_standards_in_exoskeletons.pdf
[16] Концепт дополняющего робототехнического модуля Supernumerary Robotics Limbs (SRL), MIT, США: https://exoskeletonreport.com/wp-content/uploads/2016/04/Supernumerary-Robotics-Limbs-SRL-Concept-MIT-1-150x150.jpg
[17] Источник: https://habr.com/post/416621/?utm_campaign=416621
Нажмите здесь для печати.