Экзоскелеты медленно идут в цеха

Это специальная пластиковая или металлическая конструкция, которая надевается на человека, повторяет его биомеханику и принимает на себя часть нагрузки. Такие экзоскелеты называют пассивными, а бывают еще конструкции активно-пассивные и активные — в них присутствуют элементы, инициирующие движение: гидравлика, электромоторы, — и для их функционирования необходим источник энергии, рассказывает Игорь Фалин, разработчик экзоскелетов и эксперт в этой области. Активный экзоскелет — почти робот, в нем человек находится как в капсуле, лишь управляя движениями, которые за него совершают приводы этого мощного устройства.

Отрасль экзоскелетостроения в мире начинала развиваться с двух направлений — экзоскелетов для военного и медицинского назначения (для реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата). В России разработчики добились неплохих результатов в области медицинских экзоскелетов (в 2013 году была создана компания «Экзоатлет»).

По словам Игоря Фалина, в США государство и частные инвесторы много вкладывали в разработки скелетов для медицинского применения, однако до широкого использования экзоскелетов в медицине дело не дошло, в том числе из-за несовершенства технологии. В результате некоторые компании-разработчики, например американская Ekso Bionics, изначально занимавшаяся медицинскими экзоскелетами, переключились на экзоскелеты для промышленности. Пока тяжелым трудом вынужден заниматься человек, а повсеместная роботизация еще задерживается в пути, не исчезает потребность в облегчении этого труда. Сохраняется большое количество рабочих мест, которые трудно автоматизируются: где-то это до сих пор невозможно технически, где-то неоправданно экономически. При этом как в США, так и в Европе, средний возраст рабочих увеличивается. «И вот здесь относительно дешевый аппарат — экзоскелет — позволяет выполнять работу по подъему тяжестей и их переносу значительно проще», — говорит Сергей Яцун,заведующий кафедрой теоретической механики и мехатроники Юго-Западного государственного университета (Курск), где разработано несколько прототипов экзоскелетов.

Экзоскелеты для применения в промышленности можно разделить на несколько категорий: «жилеты» для рук и плеч, поддержка спины, поддержка ног и бедер — так называемые экзостулья, и «перчатки» для удержания тяжелого инструмента. В производстве, особенно в автомобилестроении, тяжелом машиностроении, металлургии, такие конструкции могут снизить количество травм и повысить производительность труда.

По данным американской исследовательской компании Grand View Research, рынок экзоскелетов к 2025 году достигнет 3,3 млрд долларов, а сегмент экзоскелетов для промышленности будет расти в ближайшие семь лет в среднем почти на 60% в год. За последние несколько лет на мировом рынке появилось примерно 60 компаний, предлагающих свои решения в области экзоскелетов. Активнее всего разработки ведутся в США, Европе, Японии и Южной Корее.

Наиболее энергично испытания экзоскелетов проводят автомобильные компании. В гонку включились Audi, BMW и General Motors. Так, Audi в конце прошлого года сообщила, что испытала экзоскелеты весом около трех килограммов для верхней части тела и бедер, разгружающие спину. BMW в марте 2017 года объявила, что хочет в три раза увеличить количество экзоскелетов на своих производствах. Речь идет об опорных конструкциях для локтевого сустава и плеча EksoWorks и о «стуле» от швейцарской компании Noonee. Всего на заводах BMW будет использоваться 68 пассивных экзоскелетов приблизительной стоимостью пять тысяч долларов каждый.

В других отраслях экзоскелеты тоже могут быть востребованы. Один из первых пассивных экзоскелетов для удержания инструмента - Fortis, разработанный Lockheed Martin совместно с Ekso Bionics, - костюм для работников судостроительных верфей, а именно для операций шлифовки и клепки корабельных корпусов. Он может существенно помочь рабочему, который с огромными гидравлическими ножницами весом более десяти килограммов передвигается вдоль дна судна, обрабатывая его. «Lockheed Martin называла невероятные цифры: производительность труда в этом случае вырастает на тысячи процентов», - говорит Игорь Фалин.

В Японии разработали и начали внедрять экзоскелеты для грузчиков, работающих в аэропорту, а также устройства для поддержки поясничной зоны банковских сотрудников предпенсионного возраста, задача которых - перемещать мешки с деньгами.

Стержень для рабочего человека

Изучение мирового опыта подвигло многие российские промышленные компании заинтересоваться экзоскелетами. А следом появились и соответствующие разработки, которых, правда, пока совсем немного.

Одни из наиболее заметных - компания ExoRise, представившая «препрототип» экзоскелета Stakhanov для работы с тяжелым ручным инструментом, и компания «Полезные роботы», организованная учеными из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша. В «Полезных роботах» создали экзоскелет для нижней части тела, который позволяет долгое время работать в полуприседе, «стул, который всегда с тобой». Кроме того, несколько прототипов экзоскелетов - активных, пассивных и смешанных - сделали на кафедре механики, мехатроники и робототехники Юго-Западного государственного университета под руководством Сергея Яцуна.

Игорь Фалин - один из авторов Stakhanov - заинтересовался «скелетными» технологиями в 2014 году. Внимательно рассмотрев экзоскелет Fortis, прошедший испытания на судостроительной верфи, он пришел к выводу, что это довольно простая конструкция и ее можно повторить. Вместе с сотрудниками Пермского национального исследовательского политехнического университета он собрал модельную конструкцию. Это пассивный экзоскелет, предназначенный для повышения производительности и снижения травмоопасности при работе с тяжелым ручным инструментом, который, по мнению разработчиков, можно быстрее всего коммерциализировать, так как он проще в изготовлении и дешевле. Но промышленного заказчика не появилось, а без этого двигаться дальше создания некоей лабораторной модели было невозможно. «История с грантами и инвестициями не совсем для этого проекта, - поясняет Игорь Фалин. - Такая «дорожная карта» подходит для айтишных стартапов, которые могут достаточно быстро сделать продукт и показать его в работе. А нам необходим якорный заказчик, и дело даже не в инвестициях, а в возможности много экспериментировать с людьми и делать новые итерации прототипа, имея постоянный доступ к производственной площадке».

Разработчики из «Полезных роботов» начинали с попытки создания медицинского экзоскелета, рассказывает руководитель компании Игорь Орлов, выпускник механико-математического факультета МГУ, а теперь научный сотрудник Института прикладной математики им. М. В. Келдыша, где и стартовал проект в области численного моделирования механики экзоскелетов и биомеханики человека. На одной из выставок «Сколково Роботикс» в 2015 году Альберт Ефимов, тогда руководитель центра робототехники «Сколково», переориентировал начинающих инноваторов на разработку экзоскелетов для промышленности. Вскоре ученые подали заявку в «Сколково» по конкретной теме - экзоскелет нижней части тела для длительной работы в статичных позах, который назвали ExoChair.

В чем-то эта разработка похожа на швейцарский стул-экзоскелет Noonee, признают стартаперы, но речь не идет о полном копировании. Швейцарские исследователи начали работу над своим решением лишь на год раньше российских. На данный момент их проект прошел больше итераций на пути к внедрению на производстве. Более того, швейцарцы начали продавать свой продукт.

В конце 2017 года компания провела испытания и ExoChair. Испытывали металлическую конструкцию весом 7,8 кг. По словам Игоря Орлова, ее испытали на заводе «Волгабас» и в центре учета наличного денежного оборота Сбербанка. В Сбербанке экзоскелет предназначался для сотрудника, задача которого - перекладывать мешочки с монетами. В свою очередь руководитель «Волгабаса» хотел решить проблему быстрой утомляемости работников сборочного производства. Остов автобуса висит на уровне от полутора до двух метров над землей, а сборщики шасси весь день проводят, передвигаясь под ним с тележками с инструментом. Они постоянно или стоят, или работают в полуприседе.

Испытания прошли в целом хорошо, говорит г-н Орлов, но были жалобы на тяжесть экзоскелета и вопросы к регулировкам устройства. Следующую итерацию «экзостула» «Полезные роботы» делают сейчас - она будет весить не более четырех килограммов. Вес удалось снизить за счет использования конструкционного пластика вместо сплава алюминия и оптимизации конструкции. Но это не все. «Полезные роботы» планируют автоматизировать экзоскелет, добавив к нему модуль, способный запоминать и анализировать информацию о положении человека и его физиологическом состоянии, чтобы при смене пользователя экзоскелет сам подстраивался и фиксировался в удобных для работника положениях. Второе направление развития для «Полезных роботов» - разработка экзоскелета верхней части тела для разгрузки спины и рук при переносе тяжести, в котором заинтересованы многие заказчики. Такой прототип планируется представить уже к осени.

«Полезные роботы» намерены собрать пять экзостульев и отдать их заказчикам на тестирование. Цена «стула» от сколковской компании невелика - 150-200 тысяч рублей, в зависимости от того, будет ли скелет оснащен программой для сбора информации и автоматической системой настройки. Зарубежные разработки дороже: так, экзоскелет Noonee стоит более трех тысяч евро.

С экзоскелетом - смело в бой

Пока стартапы продолжают свои доработки и исследования, промышленники уже сейчас ищут готовые продукты - или начинают делать их сами.

Экзоскелеты интересны, например, «Норникелю». В компании следят за разработками в этой области, особо отмечая как раз команду под руководством Сергея Яцуна из Юго-Западного государственного университета. Как рассказали «Эксперту» в «Норникеле», со стороны производственных подразделений поступили две заявки на разработку прототипов экзоскелетов. Планируется обеспечить этими устройствами работников плавильного цеха и цеха электролиза Медного завода в Норильске.

Отчасти, конечно, экзоскелеты выступают альтернативой роботам. Интересен пример завода «Трубодеталь» (входит в Объединенную металлургическую компанию), который выпускает соединительные детали для трубопроводов. Стальные детали - отводы, тройники - необходимо защитить от коррозии, распылив на них специальное многокомпонентное покрытие.

Традиционно маляры, работающие в защитном облачении и масках, наносят его вручную. Работа тяжелая, и на заводе решили попробовать использовать на этом участке роботов. Готовых решений для таких операций в мире нет, оборудование пришлось разрабатывать самостоятельно. Однако после серии тестов выяснилось, что робот пока не может обеспечить требуемые параметры покрытия по толщине. Начальник управления по инвестициям завода «Трубодеталь» Сергей Крючков говорит, что один из вариантов решения проблемы - использование экзоскелетов. Рабочие на линии окраски завода поддерживают идею применения на участке покраски специальных конструкций, облегчающих нагрузку на тело.

«При всей фантастичности эта идея представляется мне более реалистичной, чем идея внедрения у нас на участке окрасочных роботов, - говорит Павел Борисенко, старший мастер участка окраски и упаковки. - Роботы дороже и призваны полностью заменить людей, а экзоскелеты - умножить физические возможности человека, который, в отличие от роботов, обладает еще такими важными качествами, как интуиция, внимание, память, способность обучаться. У нас в цехе много тяжелого физического труда. Например, чистильщики металла и отливок целый день держат в руках постоянно вибрирующий шланг с дробью весом до двадцати килограммов, а маляры, которые наносят покрытие на соединительные детали трубопроводов, - окрасочный пистолет и шланг общим весом пятнадцать килограммов».

На Магнитогорском магнитном комбинате (ММК) задумались об использовании экзоскелетов в прошлом году, рассказывает Данила Целиканов, главный специалист по инновациям ММК. В компании обратили внимание на эксперимент Ford по использованию экзоскелетов Ekso Bionics на сборочных линиях. «У нас огромное количество персонала работает с повышенной нагрузкой, либо с тяжелым инструментом, либо с тяжелыми запчастями», - рассказывает г-н Целиканов. В первую очередь они решили снабдить «экзодоспехами» работника коксохимического производства - дверевого. Его работа - это поистине что-то чудовищное: человек стоит с трехметровой лопатой и убирает остатки кокса, высыпавшиеся при его загрузке в коксовую батарею. Близко подойти невозможно из-за высокой температуры, поэтому приходится использовать инструмент на длинной ручке. «Месяц такой сотрудник работает - и два проводит на больничном из-за проблем со спиной», - говорит Данила Целиканов. Для этого страдальца решено разработать пассивный экзоскелет без использования гидроили электроприводов, чтобы разгрузить поясничный и плечевой отделы.

ММК объявлял тендер на разработку подобного экзоскелета, но, по словам Данилы Целиканова, интересных предложений не поступило. Он изучил множество образцов со всего рынка - и из России, и из-за рубежа, но все они оказались слишком «сырыми». Одни неэргономичные, другие не работают в агрессивных средах и в пыли, третьи не выдерживают нагрузок, а иные людям просто нельзя надевать каждый день.

Данила Целиканов объясняет, что создать не просто модель, а изделие, готовое для серийного промышленного производства, - сложнейшая задача, так как требуются многочисленные исследования в области физиологии человека, травмоопасности, используемых материалов, сертификации. Шесть конструкторов в научно-исследовательском центре ММК занимаются разработками, а на них работает команда из 50 человек, так как необходимо собрать и анализировать огромные объемы информации, например статистику по травмам.

Целиканов оценивает потребность ММК в экзоскелетах в две тысячи штук пассивных конструкций, начиная от самых простых поясничных для поднятия тяжестей и заканчивая специальными скелетами для монтажа и демонтажа с использованием тяжелого пневмоинструмента. Что касается активных полуроботов, то их будут использовать единицы. Стоимость скелетов Целиканов оценивает от 150 тыс. рублей (простой механический экзоскелет) до 15 млн рублей за активный экзоскелет для работы с грузами до 200 кг, с электрикой и сервоприводами.

Что касается сроков, то силами собственного бюджета в ММК сделают механические экзоскелеты примерно за три года, но процесс ускорится, если подключатся инвесторы. В конце июля намечены переговоры с Дальневосточным фондом развития.

По мнению Данилы Целиканова, экзоскелеты - тема в России пока недооцененная, так как слишком трудно убеждать промышленников в целесообразности их использования: «Промышленники суровые люди, и поначалу просто усмехаются. А потом показываешь им картинки с производства в Корее или Японии, и начинается разговор по существу».

Разумеется, есть препятствия и проблемы. Прежде всего, пока отсутствует система сертификации и стандартизации экзоскелетов. По словам Целиканова, ведутся переговоры о том, чтобы профильный НИИ труда начал заниматься сертификацией экзоскелетов.

Кстати, в США не так давно был создан комитет по разработке стандартов для экзоскелетов. В числе прочего он должен будет точно определить, что же такое экзоскелеты.

Данила Целиканов предлагает посмотреть дальше: «Представьте себе, что мы одеваем на рабочего экзоскелет, и он тут же идет испытывать свои силы или бьет обидчика с утроенной силой. Мы ведь выводим человека на новый уровень возможностей. Наверняка будут инциденты, и мы готовимся к этому, уже сейчас консультируемся с психологами». Шутки шутками, но всерьез ответить на вопрос, как избежать негативных последствий от обретения людьми «сверхчеловеческой силы», разработчики пока не могут.

«Евангелист» экзоскелетов Игорь Фалин уверен, что их точно начнут использовать в России, вопрос лишь в том, будут ли это на первом этапе российские или зарубежные разработки: «Но время еще есть, и мы можем создать с нуля новый рынок. Промышленные экзоскелеты станут драйвером для развития и медицинских, и военных».