Развитие эргоскелетов в складском хозяйстве

Эргоскелеты (они же, экзоскелеты) – стали прикладной сферой биомеханики из области научной фантастики. Их развитие в складском хозяйстве стало возможным благодаря ранним проектам восстановительной (реабилитационной) медицины и военным разработкам с целью повышения мобильности тактических групп и подразделений.

В основе конструкции экзоскелета лежит идея компенсации чрезмерных физических нагрузок, путём перераспределения их на другие незагруженные органы, что повышает общую выносливость. Другое дело, что в бою чрезмерная забота о компенсации усилий может стать даже помехой. Попробуйте в таком громоздком и тяжёлом обмундировании с кевларовым бронежилетом ловко увернуться от пули, не сломав себе шею! А вот в медицине и промышленности экзоскелеты явно ожидает большое будущее. Мировая индустрия комиксов и кино подарила нам ещё один ранее фантастический девайс, которым раньше можно было лишь поражать воображение читателей и зрителей.

Машинизация со времён Хеопса

То, что мы сейчас знаем под названием «эргоскелет», уже имело своих предшественников. Например, они были у носильщиков в доисторическую эпоху, начиная со времён строительства великих пирамид в Гизе. Тогда их строителями использовались индивидуальные носимые или коллективные приспособления, увеличивающие производительность или выносливость. Самые простое – коромысло (по древнерусски – перевясло) для ношения грузов на плечах, станки коза (в просторечии – козелки) для переноски тарно-штучных тяжёлых грузов (стройматериалы и металлические слитки). От них и ведут свой род солдатские ранцы, которые начали применять с XVIII века. Туристам и альпинистам простейшие примеры прото-эргоскелетов известны в виде станковых рюкзаков (в СССР 1980-х выпускали алюминиевый «Ермак»), которые вкупе с привязными лыжными палками к ногам, облегчали длительную ходьбу. Но тяжесть в этих случаях снимается лишь со спинных и грудных мышц, но нагрузка на мускулатуру рук и ног снижается незначительно.

В середине ХХ века человечеству потребовался более актуальный и технологичный подход – через создание машинизированного экзоскелета.

В те времена, когда киборги ещё не стали неотъемлемой частью массового сознания, но уже воцарились в фантастических книгах, комиксах и фильмах, инженеры-реалисты сосредоточились на системах «накачки человека» – предполагалось, что от человека будут взяты мозги, а от машины – мускулы.

Разработка беспилотных автомобилей в конце 1950-х только лишь стартовала и в процессе создания эффективного интерфейса «человек-машина» оказалось, что авиационные «автопилоты» совершенно не годятся на роль искусственного интеллекта. Так концерн General Electric (GE) увидел скорое решение проблемы в объединении стали и плоти вокруг человека.

Срастить сталь и плоть

Проект Hardiman (Человек-сила) по созданию экзоскелета с сервоприводом стартовал в 1965 году как совместный для армии и флота. Он ставил своей целью усиление человеческой силы в 25 раз (!), так что подъем максимального веса в 1500 фунтов (681 кг) будет ощущаться оператором как подъем веса лишь в 60 фунтов (27,2 кг). Спонсоры проекта ожидали появления человекоуправляемого «разнорабочего», который мог бы перемещать грузы или оборудование на складах, палубе или в бою. Экзоскелет массой 681 кг, на самом деле состоял из двух костюмов – внутреннего управляющего скелета, прикрепленного к оператору и внешнего несущего каркаса, непосредственно перемещающего предметы. Реальная грузоподъёмность Hardiman составила 110 кг (которые ощущались как 4,5 кг).

Задача исследователей заключалась в том, чтобы выяснить, как люди-операторы смогут с помощью механизма обратной связи по силовой отдаче почувствовать объекты, которых касается Hardiman. Руководитель проекта GE инженер Ральф С. Мошер хотел, при этом, избежать создания машины, которая уничтожала бы всё, к чему прикасалась. Так, чрезмерно сильный робот или экзоскелет, одетый «в человека», скорее всего, сорвёт дверь со своих петель, чем почувствует сопротивление ручки и просто распахнет ее – пояснял он свои комиксы непонятливым.

Робот, «если ему нужно будет перенести стул, может разломать его на части из-за неспособности ощущать или интерпретировать структуру стула при его касании своим манипулятором», – делился опасениями Мошер. Он продолжал иронизировать: – «Точно так же, если бы он попытался вставить стержень в трубку с немного превышающим его диаметром, то он, вероятно, вставил бы его слишком сильно и под неправильным углом и тем самым смял бы стержень».

Таким образом, оказалось, что Hardiman будет нуждаться в кинестетической силовой обратной связи, чтобы оператор мог ощущать реальную окружающую среду. «Он должен быть способен обнаруживать большие или малые изменения силы и положения предметов и точно передавать эту информацию оператору-человеку», – тревожился Мошер в своём отчёте Пентагону.

«Человек и машина могут быть объединены в единое симбиотическое устройство, которое будет работать, по сути, как одна объединенная система», – восторгался Мошер уже в кругу Общества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers) о «Хардимане», датируемой 1968 годом.

Конец разнорабочего Hardiman

Сложность экзоскелетной системы «разнорабочего» Hardiman аж с 30 (!) суставами привела к тому, что исследователям пришлось разработать совершенно новые системы управления и обратной связи. Однако, несмотря на инженерные достижения проекта, сам экзоскелет так и не вышел даже на стадию прототипа из-за своего огромного веса, отсутствия стабилизации и проблем с энергопитанием. Некоторые необъяснимые ошибки, такие, как указанные в отчете о проекте от 1971 года, описывали «насильственное и неконтролируемое движение машины», когда внезапно были активированы обе «ноги» машины, что означало, откровенную сырость проекта, который ещё был весьма далёк от развертывания в практичную конструкцию и никогда так и не испытывался с человеком внутри. Работы по проекту «Хардиман» были свёрнуты в августе 1971 года. Максимальная скорость ходьбы «Хардимана» на заключительных испытаниях не превысила 3,2 км/ч.

Тогда же были свёрнуты работы проекта шагохода Walking Truck, который оказался чудовищно громоздким, неэффективным и никому не нужным.

Утопии ради будущего

Были ещё проекты по созданию искусственной руки, которая должна была поднимать до 340 кг, но сама при этом весила 750 кг, что в два раза превышало ее подъёмную силу.

Не стоял позади в этом деле и СССР, где, как минимум, три головных института небезуспешно вели аналогичные разработки, причем, в содружестве с Югославией в разных сферах, касающихся восстановительной медицины, точной механики и опасных производств.

Между тем исследователи уже поставили вопрос о тактильности: как человеческая кожа может ощущать то, чего она не касается напрямую? На рынке, кстати, несколько лет назад появилась перчатка, которая позволяет людям «чувствовать» объекты, созданные в виртуальной реальности. Но тогда в 1960-1970-х об этом не могло идти и речи о том, что владелец такой «перчатки» случайно может сорвать дверь с петель: на волне футуризма конструкторы были опьянены гигантоманией и совершенно забыли о лёгкости конструкций.

Наиболее современная и полная классификация экзоскелетов была предложена в 2015 году профессором А. А. Воробьёвым с соавторами.

В основу предлагаемой классификации он собрал все известные различия таких систем:

I. По источнику энергии и принципу работы привода: пассивные экзоскелеты (эргоскелеты); активные экзоскелеты.

II. По точке приложения (локализации): экзоскелет верхних конечностей; экзоскелет нижних конечностей; экзоскелет-костюм.

III. По стоимости (условно): низкой стоимости (доступные): $1000–10 000; средней ценовой категории: $10 000–50 000; высокой стоимости – более $50 000.

IV. По области применения: военный; медицинский; промышленный; космический.

V. По весу конструкции: лёгкие  – до 5 кг; средней весовой категории – от 5 до 30 кг; тяжёлые – более 30 кг.

VI. По количеству функций: простого назначения; двойного назначения; с расширенными функциями.

VII. По мобильности пациента: мобильные; фиксированные (стационарные).

Реальное же воплощение экзоскелета мир впервые увидел… на киноэкранах! В фантастическом триллере «Чужой» 1986 года дебютировал Caterpillar P-5000 Power Loader с оператором Рипли (в исполнении Сигурни Уивер). Для привода этой машины перед кинокамерой потребовалась задействовать мощную гидростанцию, вспомогательные пневмоприводы и бригаду инженеров, которые на самом деле и управляли машиной. Сигурни Уивер должна была лишь картинно сыграть свою роль.

Нынешним пользователям сейчас требуется минимизация и удобство, сопоставимое с современным смартфоном, где есть всё – от видеокамеры до интернета. Так на первый план для массового экзоскелета и стала выходить именно простота и эргономика.

Возврат к истокам

В наши дни существуют разработки экзоскелетов для силовых органов и служб МЧС, но роль их применения остаётся крайне туманной. Не понятно: кому и зачем они сейчас нужны?

В 2013 году Управление перспективных исследовательских проектов Пентагона (DARPA) и Армия США провели испытания 27,6-килограммового костюма Warrior Web, предназначенного для компенсации нагрузки на военнослужащих при переносе тяжестей весом до 90 кг. Буквально следом Ekso Bionics представили экзоскелет Human Universal Load Carrier (HULC) со специальным подъёмным механизмом, который позволяет бегать с грузом в 90 кг веса на скорости до 16 км/ч! В армии США не нашлось таких задач на поле боя даже рядом с гаубицей!

Однако эта же компания в 2017 году на гранты DARPA изготовила коммерческие прототипы Ekso Vest для работы на конвейере завода BMW. Интересно, что Ekso Bionics ранее занималась протезами для реабилитационных центров Пентагона!

Надо отметить, что в период 1990–2000 гг. значительного прогресса добились только «медики». Зачем плодить сущности, когда проще не заменять мышцы скелетом, а лишь упрощать координацию движения и снимать нагрузки? Так было дано новое направление развитию эргономичных (бионических) экзоскелетов.

Бионические эргоскелеты не отягощают организм избыточной работой и массой. Они вполне успешно используются хирургами и ортопедами для реабилитации патологий, травмированных или прооперированных пациентов на протяжении последних 60 лет!

Так исследователи взвалили на себя новую задачу отладки взаимодействия человека и машины в «носимой робототехнике», создав современные экзоскелеты. Разработка ReWalk Robotics помогает парализованным людям снова начать ходить. Система состоит из рюкзака весом в 2,3 кг, в котором размещаются батарея и компьютер, а также опорно-двигательной системы весом 21 кг.

Другие производители сосредотачиваются на так называемой «мягкой робототехнике», в которой используются современные материалы для искусственных движущихся конечностей.

Эргоскелет здесь и сейчас!

По данным органа страхового надзора в сфере здравоохранения Франции (Assurance Maladie), одна из трёх производственных травм, а также 3 из 4 зарегистрированных случаев заболевания костно-мышечной системы во Франции связаны именно с подъёмом тяжестей на рабочем месте.

Обработка тяжёлых грузов на складах вручную включает подъём, перенос, укладку коробов и единиц продукции в течение всего дня, что несёт в себе потенциальный риск травмы на рабочем месте, если от сотрудника требуется обрабатывать тяжелые грузы систематически, или же ему приходится работать в неподходящей позе.

Перед созданием чертежей проекта 3PL-оператор FM Logistic и Технологический университет Компьена (Франция) оцифровали движения и позы сборщиков заказов на складе при помощи технологии захвата движения. Более 20 сотрудников-добровольцев носили на себе датчики движения и акселерометры для измерения воздействия на человеческое тело. Результаты были дополнены показаниями с 18 синхронизированных камер.

Компания FM Logistic представила во Франции в ноябре 2019 года систему Ergoskel – эргоскелет для помощи сотрудникам складов при подъеме тяжестей за счёт сокращения физической нагрузки.

Сейчас Ergoskel помогает сотрудникам обрабатывать грузы весом до 25 кг. Он надевается как рюкзак, регулируется по размеру, а весит всего 2,8 кг. Это устройство наподобие жилета включает в себя раму и элементы для верхней части тела, поясницы, верхней части бедра, а также кабели с ручными зажимами. Поддерживающий механизм запускается при помещении сборщиком руки под грузом. Для надевания и регулировки Ergoskel работнику требуется менее 90 секунд и всего 30 секунд для его снятия.

Около 85% испытателей утверждали, что устройство никак не ограничивает свободу движений. Первые тесты показали, что Ergoskel сокращает нагрузку на спину и мышцы верхней части тела на 70%.

Вслед за лабораторными тестами началась отработка 10 устройств Ergoskel на пяти складах во Франции. Устройство также опробовала контрольная группа, включающая 25 сотрудников разного возраста. Следующим шагом станет доработка устройства, после чего можно будет говорить о широком внедрении.

Система Ergoskel стала одним из нескольких эргономичных устройств, предложенных или испытываемых FM Logistic для собственных операционных нужд, в числе которых умные куртки, отслеживающие состояние здоровья, производства Mulliez-Flory & Altran, а также VIZO – биомеханическое устройство, помогающее предотвратить боли в шее.

Здоровье дороже

Среди новинок рынка – модель SoftExo компании Hunic, которая даже рассмешила своей простотой экспертов. Лёгкий мягкий эргоскелет построен на полужёсткой раме, усиленной лишь упругими элементами. В его основе лежит правильный алгоритм подъёма груза, о котором знают профессиональные такелажники и носильщики: следует поднимать груз вставая с ног, а не прямого положения расправляя спину! На презентации новинки посетители, опробовавшие SoftExo, впервые услышали об этом бесхитростном правиле и узнали, что сила двух ног превышает силу пресса и спинных мышц!

Правильные действия грузчиков требуют привыкания после небольшого инструктажа. Поднимая вес в 20 кг на полувытянутых руках хрупкие девушки на выставке поражались найденному эффекту. Потом им предлагалось выполнить тоже действие также привычно или профессионально, но без эргоскелета. Они могли взять с пола ту же корзину с 20 бутылками шампанского лишь «на пузо». Потом успешно пробовали ещё раз сделать ту же процедуру ещё раз с эргоскелетом уже на полувытянутых руках. Разница в результате их поражала! В зависимости от конституции тела, эргоскелет давал несоизмеримую выгоду в прилагаемой силе, позволяя перераспределить вес на жёсткую раму при приседании к грузу. Это позволило расширить диапазон использования эргоскелета и приспособить его к любым профессиональным нуждам или хозяйственным задачам. Сейчас его используют волонтёры в хосписах и интернатах для переноски неходячих пациентов. Стоит ли ждать, когда у складского работника проявится грыжа и ему тоже понадобится больничная койка?