Экзоскелеты, или Чем могут помочь гости из будущего?

Что такое экзоскелет?

Экзоскелет – специально разработанная внешняя конструкция, которая способна принять на себя чрезмерную нагрузку при выполнении тяжелых работ, сделать человека более сильным и выносливым, а также помочь ему сохранить здоровье опорно-двигательного аппарата. Он открывает для работников и работодателей новые возможности и повышает производительность и эффективность труда.

Как появился первый экзоскелет?

Первым изобретателем экзоскелета считается русский инженер Николай Ягн – гениальный изобретатель-самоучка, который не имел специального технического образования.

Работая на чугунно-литейном заводе в Симбирской губернии, Ягн применял свои технические знания, которые получал самостоятельно, и стремился облегчить и обезопасить труд работников этого предприятия. Однажды на заводе произошел несчастный случай, который и подтолкнул его к изобретению «друга кочегара» — приспособления для автоматического наполнения парового котла и поддержания в нем воды на определенном уровне.

За свое изобретение Ягн получил золотую медаль на выставке в Филадельфии. После этого он переехал в США, где получил свои основные патенты на изобретения.​ Так, в 1890-х годах он запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Их он планировал направить в помощь военным.

Однако мы должны понимать, что созданный Николаем Ягном механизм был лишь прототипом современного экзоскелета, да и широкого распространения в промышленности он не получил. Но мысль захватила умы многих ученых и корпораций, поэтому работы по созданию промышленных экзоскелетов стали проводиться постоянно.

Первый такой экзоскелет был разработан совместно General Electric и ВС США в 60-х годах прошлого века (Источник изображения: https://habr.com/ru/post/394801/).

Он назывался Hardiman и мог поднимать 110 кг с усилием, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако из-за большого веса (680 килограмм) он был непрактичным. Но именно с этого момента берет свое начало создание промышленных экзоскелетов.

Сегодня экзоскелеты применяют в различных областях: 

• они облегчают реабилитацию больных после травм (позволяют восстанавливать утраченные функции организма, такие как ходьба);
• с их помощью спасатели и пожарные эвакуируют и переносят людей с места происшествия, поднимают тяжелое оборудование по лестничным пролетам;
• дайверы получают возможность работать на больших глубинах и т.д.

Экзоскелеты также высоко востребованы в промышленности, особенно на производствах, где работа сопряжена с трудоемкими процессами, связанными с поднятием тяжестей, работой в неудобных положениях.

Нагрузки на производстве иногда доходят до критических. Использование экзоскелетов позволяет их снизить, сберечь здоровье работников, занимающихся тяжелым физическим трудом, снизить утомляемость, избежать производственных травм и развития профзаболеваний. В результате применения данной технологии производительность труда работника повышается до 80%.

Три причины использовать экзоскелет

­­­Есть множество причин, которые подтверждают целесообразность применения экзоскелетов на предприятиях. Мы рассмотрим три основные.

1. Увеличение производительности труда сотрудников и эффективности всего производства в целом. Устройство позволяет человеку выполнять сложные технологические операции быстрее, при этом затрачивать меньше усилий. Приведем простой пример: обычно установкой на трубопровод задвижки весом 52 кг на высоте 1,2 – 1,3 метра занимаются три человека. Выполнение данной операции занимает у них 3 мин 24 с. Один работник в экзоскелете способен сделать ту же работу за 3 мин 48 сек (почти то же время). Следовательно, остальные два человека в этот момент могут выполнять другую работу. Это наглядно показывает, что использование экзоскелетов помогает высвобождать человеческие ресурсы, повышать эффективность и производительность работников.
2. Снижение количества травм на производстве. Неожиданная судорога, усталость – все это может привести к тому, что работник уронит тяжелый предмет и получит травму. Экзоскелет помогает избежать подобных ситуаций.
3. Снижение риска возникновения профессиональных заболеваний. Из-за постоянных физических нагрузок на производстве (в том числе переноса тяжелых предметов, постоянной работы с поднятыми руками и т.п.) у работника могут развиться серьезные заболевания опорно-двигательного аппарата (межпозвоночная грыжа, ревматоидный артрит и т.п.). Благодаря экзоскелету уровень нагрузки на тело человека при выполнении указанных манипуляций значительно снижается, что позволяет свести к минимуму вероятность возникновения  профессиональных заболеваний.

 Немного статистики

Все приведенные выше факты подтверждают важность данных устройств на современных предприятиях. Становится понятно, что давно назрела необходимость их повсеместного ввода в эксплуатацию на производствах для облегчения тяжелого труда людей, уменьшения количества травм и повышения эффективности работы (как всего производства, так и отдельных сотрудников).

Виды экзоскелетов

Если говорить о видах промышленных экзоскелетов, то лучшим вариантом является их классификация по принципу работы. Исходя из нее, можно выделить:

• Экзоскелеты с автономным источником питания, или активные. Это механизмы, использующие электрический кабель подключения для запуска датчиков и активаторов.
• Статические экзоскелеты. Это механизмы, которые имеют статичный каркас, к которому подключено основное устройство, которое использует человек, и кабели питания. Такие экзоскелеты используются в медицине для восстановления опорно-двигательного аппарата.
• Динамические экзоскелеты. Механизм действует по принципу автономного экзоскелета, с тем отличием, что его энергоснабжение организовано через кабель, который крепится на стационарной раме или рельсе, это  территориально ограничивает область его применения в то время, когда он подключен к питанию. Когда экзоскелет полностью заряжен, область его применения ничем не огранивается.
• Пассивные экзоскелеты. Они не имеют электрического источника питания. Могут быть использованы для перераспределения веса, аккумулировании энергии (например, улучшения эффективности ходьбы), амортизации. Работают на гидравлических приводах или других схожих механизмах. При их использовании оператор преодолевает постоянное незначительное сопротивление, но в заданных положениях конструкция раскрывает свой потенциал и берёт на себя почти всю нагрузку.
• Псевдопассивные экзоскелеты. Эти механизмы имеют батареи, датчики и другую электронику, но используют ее лишь для обеспечения вспомогательных функций: работы фонаря или устройства связи. В остальном экзоскелет работает по принципу пассивного устройства.
• Гибридные экзоскелеты. Это устройства, которые имеют все контроллеры и датчики активного экзоскелета, но используют FES (функциональная электрическая стимуляция) мышц в качестве активатора.

Самыми распространенными моделями экзоскелетов, которые сегодня можно встретить на предприятиях, считаются активные и пассивные. Разберемся, чем они отличаются друг от друга. 

Активные и пассивные экзоскелеты: в чем разница?

Активные тяжелые экзоскелеты – это механизмы, оснащенные электроприводами.

Экзоскелеты с автономным источником питания отличаются высокой мобильностью, поэтому их используют военные, где от выносливости и грузоподъёмности солдата зависит его эффективность на поле боя. Примером такого экзоскелета является HULC (США). Это активный экзо-костюм, который позволяет солдату быстро перемещаться с грузом по пересеченной местности. Также подобные модели применяются в реабилитационной медицине, поскольку позволяют человеку компенсировать утраченные двигательные функции.

Что же касается промышленности, то здесь активные экзоскелеты помогают значительно увеличить силу человека, что, безусловно, важно при поднятии и переносе тяжелых грузов. Стоимость активных экзоскелетов высока: в среднем цена подобных устройств может доходить до 10-15 млн. руб. Поэтому не каждое предприятие способно их приобрести, и на большинстве производств сегодня можно встретить наиболее распространенные и доступные по цене пассивные экзоскелеты (Источник фотографии: spectrum.ieee.org, активный экзоскелет грузчика). 

Пассивный экзоскелет – это внешнее механическое устройство без активных частей, сервоприводов, пневматики гидравлики или электрики, которое служит для перераспределения нагрузки, поддержки мышц и защиты опорно-двигательного аппарата человека. Это легкая конструкция, которая может применяться на всех видах производств, расширяя физические возможности оператора и защищая его от травм спины.

Наиболее известны в России пассивные экзоскелеты  EXORISE. Устройства этой торговой марки учитывают антропометрические и биомеханические данные человека и позволяют разгружать мышцы спины, рук и ног работника, снижать вероятность травм и развития профессиональных заболеваний. Все модели прошли испытания в российских компаниях из списка ТОП-30.

Сегодня пассивные экзоскелеты EXORISE используются на более чем 50 предприятиях разных отраслей промышленности: металлургия, нефтегазовая отрасль, машиностроение, строительство, МЧС, складское хозяйство, погрузочно-разгрузочные работы и др.

Три модели пассивных экзоскелетов EXORISE

Экзоскелет X-SOFT

Конструкция позволяет снизить нагрузку на позвоночник при работе с тяжелыми инструментами или переноске различных грузов. В общей сложности при правильном использовании экзоскелет способен компенсировать нагрузку на позвоночник до 37%. В линейке представлены мужская и женская модели.

Применение: металлургия, машиностроение, нефтегазовая отрасль, строительство, МЧС.

Экзоскелет X-RISE

Устройство, предназначенное для верхней части тела, поднимает и поддерживает руки работника, снимая нагрузку с плеч и перенося вес на бедра. Помогает в выполнении задач, связанных с подъемом и/или удержанием рук (с грузом и без) выше груди. В среднем повышает выносливость оператора до 83%.

Применение: машиностроение, конвейерное и сборочное производство, ремонтные работы, складское и жилищно-коммунальное хозяйства.

Экзоскелет X-ARM

Устройство типа  «3-я рука» для работы с ручным инструментом массой от 2 до 40 кг. Снимает нагрузку с опорно-двигательного аппарата, перераспределяя вес через конструкцию экзоскелета ног. Повышает производительность оператора до 91% в статике и до 38% в динамике.

Применение: металлургия, нефтегазовый комплекс, машиностроение, судостроение, ремонтные работы.

Факты  

Как правильно подобрать экзоскелет?

Как же правильно выбрать подходящую модель экзоскелета? Необходимо определить, какую основную задачу должен взять на себя экзоскелет, а также какие группы мышц работника он должен усилить.

Чтобы правильно выбрать экзоскелет, нужно воспользоваться помощью специалиста.

Как правильно надеть пассивный экзоскелет?

Чтобы экзоскелет максимально защитил от травм, его необходимо правильно собрать и надеть. Узнать, как сделать это без ошибок, можно из представленных видео. 

Экзоскелет – устройство, которое раньше считалось чем-то из области фантастики. Сегодня – это наша реальность. И с каждым днем она становится все обыденнее, так как руководители предприятий активно внедряют их в производственные процессы. Этим они позволяют своим сотрудникам не только увеличить производительность труда, но и сберечь здоровье, внося большой вклад в сохранение трудового ресурса страны.