Экзоскелет «Норникеля»: ну, что там? Посмотрим

Всем привет! Меня зовут Владислав Давыдов, я - главный менеджер управления инноваций и искусственного интеллекта компании «Норникель Спутник».

Возможно, из прошлых двух публикаций [ первая, вторая ] вы узнали, что «Норникель» ведет разработку промышленного экзоскелета. Уже закончил. Не прошло и пяти лет. Или прошло?

Не пошло? Каков наш взгляд на текущие обстоятельства? Каким представляем будущее?

Людьми не обрастаем

Уверен, что о проблеме дефицита кадров многие из вас слышали/читали. За время работы над экзоскелетом, об этой проблеме я говорил множество раз и при различных обстоятельствах. В большинстве случаев собеседники соглашались с нашим пониманием ситуации, но не раз встречались те, кто упорно утверждал, что проблема раздута и никакого дефицита рабочих рук нет, аргументируя свою позицию регулярным наблюдением картины безделья ИТР (Инженерно-технический работник), занимающихся пересаживанием цветов у себя в кабинете, просмотром хоккейного матча, обсуждением своих брендовых обновок и т.д. Что ж… пойдем по принципу «Чайника Рассела».

Согласно «Мониторингу предприятий» ЦБ РФ, дефицит кадров во втором квартале 2024 года обновил максимум за всю историю наблюдений. Ряд предприятий вынужден либо ограничивать рост объемов производства продукции, либо мотивировать персонал работать сверхурочно за дополнительную плату. Также многие предприятия в начале текущего года повысили зарплаты отдельным категориям работников, другие готовы привлекать персонал, не обладающий всеми нужными компетенциями, в том числе студентов, пенсионеров, мигрантов, или удерживать опытных специалистов старшего возраста. В целом компании предпринимают меры по повышению производительности труда и оптимизации производственных процессов.

Посмотрим на хронологию проблемы при помощи официальных данных Росстата.

В России доля вакантных мест относительно среднегодовой численности работников за период с 2017 г. по 2023 г. выросла в 2,8 раза. В 2017 году требовалось, приблизительно 731 000 человек, а в 2023 году - 2 110 000 человек (два населения Воронежа целиком или 92% населения Воронежской области).

В добывающей отрасли доля вакантных мест относительно среднегодовой численности работников за аналогичный период выросла в 4 раза. В 2017 году требовалось приблизительно 13 000 человек, а в 2023 году - 49 000 человек.

Потребность в профессиональных группах, для которых предназначены отечественные промышленные экзоскелеты, составляет 9,8% от общей потребности в России, в добывающей отрасли такая потребность составляет 51,8%. Действительно…тяжелая промышленность.

Удельный вес численности работников под воздействием тяжести трудового процесса в России –  19,4% (≈6 415 000 человек), в добывающей отрасли – 35,4% (≈ 423 000 человек). Физические перегрузки и функциональное перенапряжение отдельных органов и систем - причина 20,7% случаев возникновения профессиональной патологии от воздействующих факторов физического труда. Болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани составляют 12,1% от причин временной нетрудоспособности.

Посмотрели на ситуацию поближе. Похоже, что применение промышленных экзоскелетов является одной из необходимых мер по противодействию проблеме дефицита квалифицированного персонала рабочих профессий. Хорошо бы ещё признать промышленные экзоскелеты дежурными СИЗ опорно-двигательного аппарата (СИЗ ОДА) на уровне государства.

С самим понятием СИЗ ОДА вопрос решен - ГОСТ Р 12.4.306-2023 уже действует. О нем шла речь и тут. После признания пром. экзоскелетов дежурными СИЗ, нормативная база будет достаточной, чтобы предприятия могли систематизированно их использовать.

Постоянное наличие в офисе пары наших экзоскелетов повлекло за собой своеобразную инфляцию моего образа жизни.

Однажды я неудачно снял ящик с экзоскелетом (60х60х60 см, 36 кг) с тележки, потом поясница долго напоминала об этой ошибке. У меня и до этого была мысль использовать экзоскелет для погрузки ящика с другим экзоскелетом на тележку, а второй пустой ящик нести на себе. Сразу два ящика на тележку не помещались. В зоне погрузки снять полный ящик с тележки, а в пустой сложить тот экзо, что на мне. Именно из-за необходимости обратно упаковывать экзоскелет, такой фокус ни разу не был реализован.

Откуда такая мысль появилась?

В результате многочисленных тестов и демонстраций, где мне приходилось носить и удерживать до 40 мин различные грузы весом от 20 кг до 45 кг. У меня нет привычки к переносу тяжестей, однако, способность экзоскелета принимать на себя вертикальную нагрузку (вес груза) спасает межпозвоночные диски от перегрузки, избавляя меня от болевых ощущений или значительного дискомфорта после активной демонстрации и подробных ответов на вопросы.

Если бы я держал груз просто в руках, наклонился с ним, присел раз 10, стоял в наклоне, а потом еще минут 20-30 стоя с грузом в руках отвечал на вопросы, то не уверен, что это обошлось бы без последствий для здоровья, не говоря уже о возможности что-то нормально рассказать.

Именно после такого опыта возникает желание использовать экзоскелет, порой, даже в домашних, бытовых делах. Грузом проще манипулировать, будто стало больше рук.

Опыт с другими

За время работы над нашим экзоскелетом удалось опробовать и другие экзоскелеты разных производителей и зарубежных тоже. Среди них наибольший спрос в «Норникеле» получили экзоскелеты двух типов: для поддержки рук и спины.

Для себя мы определили совокупности факторов тяжести труда, классифицирующие экзоскелеты по защищаемой анатомической области человека. И в настоящее время настроены строго против применения нынешних мягких «экзоскелетов», у которых нет каркаса – только жесткие вставки в определенных зонах.

Да, они компактные, лёгкие, не стесняют движений. Простота и, иногда, невысокая стоимость делает эти «экзоскелеты» привлекательными для потребителя.

Но! Какой принцип работы в них заложен?

Рассмотрим простейший рисунок.

Подобные мягкие «экзоскелеты» представляют из себя цепочку: жилет - эластичные элементы - манжеты ног.

Эластичные элементы прикреплены к жилету в районе спины и к манжетам ног.

В некоторых конструкциях жилет может опираться на пояс, что уже лучше, чем опора на плечи.

Принцип работы прост: человек наклоняется или приседает, эластичные элементы растягиваются, создавая усилие в месте крепления к жилету и манжетам (красные стрелки), что создает момент вращения, туловища человека, относительно его ног (зеленая стрелка). Это позволяет сгладить пиковые нагрузки на определенные группы мышц в той зоне, для которой этот «экзоскелет» предназначен.

Так в чем проблема?

Как раз в усилии, которое создают растянутые эластичные элементы, стремясь принять свою исходную форму. Это усилие через жилет и манжеты воздействует на опорно-двигательный аппарат человека, сдавливая тазобедренный сустав и позвоночник от плеч до поясницы. Или сдавливая тазобедренный сустав, если жилет опирается на пояс.

Помимо того, что человек своим опорно-двигательным аппаратом удерживает груз, нагружая суставы, так ещё и мягкий «экзоскелет» добавляет. А суставы страдают сильнее всего при регулярном тяжелом физическом труде.

И это во имя частичной разгрузки небольшой группы мышц.

Такое мнение можно парировать результатами медико-технических исследований. Но их стоит пропускать через призму методик, по которым эти исследования проводились, чтобы понимать, как результат был достигнут и что именно характеризует.

С точки зрения распределения усилий каркасные экзоскелеты не имеют подобных коллизий.

Посмотрим на каркасный экзоскелет, аналогичный по предназначению с рассмотренными выше.

Тут момент, стремящийся вращать туловище человека относительно ног, располагается в плоскости оси вращения тазобедренного шарнира (белая стрелка), т.е. в сагиттальной плоскости.

Формируется момент механизмом, расположенным на каркасе экзоскелета, что не подразумевает никаких сдавливающих сил, в отличие от происходящего при растяжении эластичных элементов мягких «экзоскелетов».

Стоит отметить, что каркасные экзоскелеты, сравнительно с мягкими, могут быть более тяжелыми, но не критично, могут немного стеснять движения, менее компактны и конструктивно более сложны. Некоторые каркасные экзо имеют функционал настройки усилия и преднатяга.

С одним образцом каркасного экзоскелета для поясницы, обладающего функционалом настройки усилия и преднатяга удалось познакомиться. Производится он в Китае.

В целом, там всё хорошо, кроме системы крепления на человеке. Текстильные элементы там слишком тонкие и мягкие, сминаются и начинают неприятно давить.

Функционал с регулировками по усилию позволяет лучше подстроить экзоскелет под себя. Что положительно сказывается на комфорте эксплуатации.

У этого производителя есть целая линейка разных экзоскелетов, в том числе и мягких.

Кому интересно название производителя. Вот фото шильдика крупным планом.

Какие еще могут быть интересные аспекты?

1. Комфорт надевания и снятия экзоскелета;

2. Комфорт посадки во время работы;

3. Общие впечатления от работоспособности основной функции экзоскелета.

Механизмы, каркас и активная часть с системой управления могут быть прекрасно реализованы, но неудачная система крепления экзоскелета на человеке нивелирует все достоинства. В данном случае нельзя пренебрегать разными по комплекции испытателями и испытаниями на износ.

При разработке системы крепления важно учитывать предназначение экзоскелета и потенциальные нагрузки. Казалось бы, банальное утверждение, но эта задача находится в числе латентно-каверзных.

Почему?

Мой рост 190 см, вес 100 кг. На мне почти все наши экзоскелеты сидели хорошо.

А как они будут сидеть на человеке ростом 170 см и весом 70кг? Или крепком слесаре-ремонтнике ростом 180 см и весом 90 кг? Как при холостой работе? Как при рабочей нагрузке?

Как изменится посадка после отработанных 10 условных смен? А после 100 условных смен?

Как будет вести себя система крепления в реальных условиях с реальными пользователями? Будет ли самопроизвольно расстегиваться пояс во время приседания человека, у которого совсем не плоский живот?

Насколько жарко будет человеку в экзоскелете?

Есть ли доступные карманы, в которые работник может сложить мобильник, пропуск и иные принадлежности?

Как выполнить очистку элементов системы крепления или их замену?

Решение подобных вопросов – путь к достижению УГТ8.

А с учетом реального пользовательского опыта – УГТ9.

Что еще?

Экзоскелеты, которые предназначены для поддержки одного определенного участка тела, не требующего больше двух степеней свободы (например, колени или локти), могут плотно прилегать к этому участку.

Экзоскелет ONYX, Lockheed Martin

В такой концепции, геометрических и кинематических конфликтов тела человека с конструкцией экзоскелета достаточно легко избежать и это будет работать.

Если задача экзоскелета принимать на себя часть нагрузки от переносимого груза или поддерживать участки тела, требующие больше двух степеней свободы, то плотно прилегающая конструкция работать не будет.

Проблемы появятся, начиная с реализации регулировок и заканчивая постоянными кинематическими конфликтами тела человека с конструкцией экзоскелета. Тело человека будет упираться в конструкцию, которая начнет «заклинивать». По этой причине необходимо дистанцировать несущий каркас. Важно не сделать лишних точек крепления, т.к. они избыточно фиксируют экзоскелет, что тоже приводит к заклиниванию. Должен сохраняться необходимый люфт экзоскелета, относительно тела человека.

Обратите внимание на общие черты: крепление в стопе, бедре или голени; пояс и пятиточечник (не везде, т.к. он выполняет роль седла и улучшает контроль над экзоскелетом); жилет или лямки, как у рюкзака.

На нашем экзоскелете манжета расположена на бедре, т.к. тесты показали большую эргономичность и управляемость, сравнительно с расположением на голени.

Грация, функции и перспективы

Мы наконец-то дошли до установки на экзоскелет карманов от пояса монтажника. Добавили на жилет отрывные магнитные держатели для рожковых ключей, болтов, гаек и т.д.

Показал свою состоятельность режим работы по усилию на тросах. Можно подойти к грузу и в «автоматическом» режиме просто потянуть за карабины, наклониться или присесть, зафиксировать груз и встать. Потом можно поднимать груз из положения стоя.

Можно поднимать груз и из наклона или приседа, как удобно и требует ситуация. Основная задумка в том, чтобы избавиться от лишних манипуляций и нажатий кнопок. Просто возьми в руки пульты или карабины, зафиксируй груз и поднимай его «рокером» по системе dead man's switch (Переключатель мертвеца).

Дополнительно в экзоскелете предусмотрен функционал записи данных с датчиков, состав которых опционален и может быть выбран заказчиком под задачу. Остается проработать функционал удобного переноса данных во всем привычный Excel, в том числе без провода. Эта задача уже ложится на компанию «Лоуд Ассист». Заказчик может использовать данные в собственных целях, синхронизируя с постоянной видеозаписью рабочего процесса, которая тоже хранится в памяти экзоскелета.

Было бы не разумно воспользоваться модульностью несущего каркаса экзоскелета и не развить на его основе линейку экзоскелетов.

 

Это тоже задача «Лоуд Ассист».

А наша - протестировать в этом году первую серийную партию экзоскелетов на собственных предприятиях, что не ограничено сугубо работой в цехе. Проверку на прочность пройдет правовая и нормативная подготовка, а также способы хранения и сервисного обслуживания. Все это нужно для полноценного внедрения экзоскелетов в свои технологические процессы, начиная с 2025 года.

Да, у нас был план внедрить первую сотню до конца 2024 года, и мы его придерживались. Внедрение большой серии экзоскелетов с сырой конструкцией и нормативкой несет серьезные риски. Это тот случай, когда сжатые сроки стоит разменять на высокое качество.

Итого

За пять лет мы прошли жизненный цикл от идеи до коммерциализации с запуском серии. И цикл этот с ощутимыми дополнениями, состоящими из групповой работы заинтересованных организаций над определением экзоскелетов в качестве формализованного вида продукции.

Выражаю большую надежду увидеть, как промышленные экзоскелеты станут неотъемлемой частью нашей культуры труда и производства. До тех пор, пока не исчезнет тяжелый физический труд, в результате стремления человечества повысить эффективность промышленности.