Содержание
как их тестируют и внедряют в российское производство
Экзоскелеты появляются в новостях нечасто и кажутся вещью из будущего – наравне с летающими такси и роботами-андроидами. Однако такие решения сегодня не только разрабатываются, но уже внедряются в реальное производство. Ученые из курского юго-западного государственного университета (юзгу) создали экзоскелет для тяжелых работ, и на каждом этапе им помогали испытатели, проверявшие систему в самых суровых условиях. Редакция TechInsider пообщалась с Виктором Диконенко, главным инженером «Норильсктрансремонта», который лично тестировал эти экзоскелеты – на себе и своих коллегах.
Роман Фишман
ЭКЗОСКЕЛЕТ
Масса конструкции: до 24 кг
Грузоподъемность: до 65 кг
Оператор: рост 165–195 см, вес 60–100 кг
Зачем нужны экзоскелеты на тяжелом производстве?
Мы живем при капитализме, поэтому от каждого человека требуется максимальная отдача.
Те задачи, на которые прежде не обращалось никакого внимания, теперь приходится оптимизировать, чтобы решать их быстрее или меньшими ресурсами. Для этого мы очень активно используем инструменты механизации и вспомогательное оборудование – все, что экономит время и увеличивает возможности сотрудников. То же самое с экзоскелетом: по сути, это расширение потенциала человека для более эффективной работы. Допустим, необходимо поменять 60-килограммовую задвижку на линии тепловода снабжения на высоте 1,3 м, причем в стесненных условиях. Сегодня для этого нужны три человека: два держат задвижку, один меняет болтовые соединения; на все уходит минимум 3 мин. 28 с. С экзоскелетом для такой работы достаточно одного сотрудника, хотя он потратит на 20 с больше. Освободившиеся люди в это время могут работать где-то еще, ведь любому дорогостоящему оборудованию ремонт требуется постоянно.
С чего начались испытания?
В 2017 году мы приняли участие в одном из инновационных проектов «норникеля» – внедрении экзоскелетов на промышленном производстве.
Ученым с кафедры механики, мехатроники и робототехники ЮЗГУ в Курске было передано техническое задание, и через некоторое время нам отправили первый опытный образец. Тогда компания провела отбор специалистов для проведения испытаний системы – людей, которые, как говорится, «ходят по земле». В эту команду попал и я – думаю, что не зря. Большинство коллег, увидев присланный образец, решили, что это ужас: к нему даже приближаться страшно, не то что на себя надевать. Я же сразу заинтересовался темой: да, агрегат пока неудобный и опасный, но давайте доведем его до ума. Вы, ученые, теоретики, – и мы, практики, инженеры, рабочие. Ну и пошло-поехало. На сегодняшний день существует уже семь версий экзоскелета, и каждая из них – это определенный этап разработки, которая длилась почти четыре года. В итоге ученые создали уникальную систему, простую и надежную, а наша команда в «Норильсктрансремонте» проводила испытания.
Почему именно в Норильске?
Создатели экзоскелета не в состоянии учесть все негативные факторы, с которыми можно столкнуться на реальном производстве, тем более на крайнем севере.
Это и экстремально низкие температуры, и движение по сложной неустойчивой поверхности, и стесненные условия, в которых часто приходится работать. Именно поэтому Норильск, я думаю, подходит для испытаний такого оборудования лучше любого другого места.
Приведу пример из жизни. В экзоскелете есть дополнительная лебедка, которая приводится в действие электродвигателем. Поначалу разработчики не учли электромагнитные воздействия, и, когда мы начали тестирование рядом с электропечами, микросхемы, конечно, не выдержали. То же касается воды. Все эти проблемы мы выявили, решили и на выходе получили стопроцентно эффективный агрегат с защитой от электромагнитных полей и влаги. Вся система (не считая лебедки) механизирована, в самом экзоскелете нет ни одного электропривода.
Или другой пример: при изготовлении набедренных элементов, которые поддерживают спину, в экзоскелете сначала использовали пневматику, накачивая ее сжатым воздухом.
Но когда попробовали работать при экстремально низких температурах, до –40 °С, образовался конденсат – и сегмент конструкции пришел в негодность. Если бы это были не испытания, а реальная задача, то человек в экзоскелете получил бы травму. В итоге в проект внесли изменения.
Как проходили испытания экзоскелета?
Сначала нам предложили просто «немножко поработать» в нем.
Но ученые не представляют, что это значит на практике. Как мы должны работать? Что именно следует делать в экзоскелете? При создании нового оборудования нужно ясно понимать, где и каким образом оно будет использоваться. Поэтому мы сами придумали набор тестов – действий и операций, которые постоянно встречаются на производстве: статическое удержание и перемещение грузов, проведение ремонта с заменой агрегатов и деталей и т.д., причем в разных условиях.
Доводилось ли вам пробовать аналогичные зарубежные системы?
Погрузившись в тему, мы начали постепенно разбираться в том, что происходит в области экзоскелетов в мире, прежде всего в Японии и Западной Европе.
И обнаружили, что зарубежные модели похожи скорее на яркие конфетки, чем на реальное оборудование для тяжелой промышленности. Они совершенно не отвечают потребностям производства, тем более российского. Вспоминается один японский экзоскелет, напичканный электроприводами и рассчитанный на подъем 15 кг груза. Да у нас в цехе любой рабочий поднимет 25 кг, не напрягаясь. Зачем ему эта сложная и дорогая конструкция?..
Экзоскелет способен принимать на себя до 90% веса поднимаемого груза, снимая напряжение с рук, спины и поясницы.
Кроме того, наши изделия в разы дешевле. За рубежом один узел верхних или нижних конечностей может стоить пару десятков тысяч евро. Это не значит, что у нас все совсем просто и нетехнологично. Промышленные дизайнеры нашпиговали российский экзоскелет разными умными штуками. Например, если груз превышает положенные 65 кг, лебедка отключится автоматически. Газоанализатор и датчики освещенности контролируют состояние окружающей среды, в случае опасности сработает световая сигнализация.
Есть даже принудительное удаленное управление: оператор может подсоединиться к устройству со своего планшета и с помощью встроенных видеокамер посмотреть, что делает сотрудник. И если заметит экстренную ситуацию, вправе отключить экзоскелет.
А как воспринимают новинку сами рабочие?
Мы заметили интересную особенность: чем позитивнее настроен человек, тем проще ему работать в экзоскелете.
И наоборот, у сотрудника, который изначально относится к такой технологии отрицательно, ничего не получится. Они не будут «чувствовать» друг друга: человек движется в одну сторону, а вся конструкция – в другую… Этому можно научиться, но сперва нужно быть готовым к взаимодействию с машиной. Сейчас мы уже разработали программу подготовки специалистов, практическое обучение новой профессии – «оператор промышленных экзоскелетов».
Испытания конструкции проводились также в компаниях «Северсталь», «РУСАЛ» и «Газпром нефть».
Думаю, с экзоскелетом будет так же, как с аккумуляторной техникой. Когда она только появилась в Норильске, все говорили, мол, зачем это нужно, и без нее можно справиться… А сейчас такие инструменты есть у каждого. Да, наше общество достаточно консервативно, новые решения сходу обычно отвергаются, но тут главное – людей научить. Показать, что без современных решений производство быстро станет неконкурентоспособным.
Экзоскелет: будущее, которое уже наступило
- Маркус Ву
- BBC Future
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Thinkstock
Смогут ли парализованные люди когда-нибудь снова начать ходить? Корреспондент
BBC Future рассказывает о том, как его парализованный друг стал испытателем механической пары ног и теперь играет в футбол
Мы с Дэниелом Фукучи шагаем по подземному коридору вдоль бетонных стен, освещенных резким светом люминесцентных ламп.
Он немного отстает, но справедливости ради стоит заметить, что он частично парализован ниже пояса.
Обычно, опираясь на костыли, Дэниел ковыляет несколько метров и останавливается передохнуть. Но сегодня он двигается довольно резво и быстро переставляет ноги, преодолевая длинный коридор. В чем причина столь внезапного преображения? Экзоскелет.
Необычное приспособление, пристегнутое к его талии и бедрам, приводится в движение двумя моторами по бокам и по очереди выталкивает ноги вперед. На каждом шаге, совершая плавное движение, машина издает характерный звук: «Вжик… Вжик…»
Уже год Дэниел еженедельно приходит в подвал Калифорнийского университета в Беркли, где разместилась лаборатория, и испытывает экзоскелет для пациентов с параличом нижних конечностей.
«Мне показалось, что это может мне помочь, — говорит он. — Так или иначе, играть в робота довольно весело».
Автор фото, SPL
Подпись к фото,
Изначально экзоскелеты создавались для нужд армии
Разумеется, это не просто игра, а экспериментальная часть исследования ученых из Лаборатории робототехники и эргономики, работающих под руководством эксперта в области робототехники Хомайуна Казеруни.
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Первые его опыты по созданию экзоскелетов были направлены на то, чтобы солдаты на поле боя могли поднимать тяжелые предметы. Плодом этой работы стал экзоскелет HULC, лицензию на который приобрела оборонно-техническая компания Lockheed Martin. Но затем Казеруни сменил направление деятельности и вот уже несколько лет трудится над экзоскелетами, которые призваны помочь инвалидам.
В 2011 году в центре внимания общественности оказался разработанный его группой экзоскелет. С помощью этой разработки студент Калифорнийского университета Остин Уитни с параличом нижних конечностей смог самостоятельно передвигаться на церемонии вручения диплома.
«Наша цель в том, чтобы повысить самостоятельность людей с двигательными нарушениями, дав им возможность ходить», — поясняет Казеруни (студенты обращаются к нему просто «Каз»).
Экзоскелет для него — не просто приспособление для прогулки, а ключ к независимому существованию.
«Чтобы добиться этой цели, я намерен использовать все знания и ресурсы, которые у меня есть, — говорит он. — Я не остановлюсь, пока не сделаю для людей с двигательными нарушениями все возможное. Это часть моего существования. Это то, за что я борюсь каждый день».
Пилоты-испытатели
В решении этой задачи Казеруни помогают такие люди, как Дэниел. С Дэниелом мы дружим с первого класса. Все детство мы колесили на велосипедах по своему пригородному району и играли в баскетбол на школьной площадке. Мы оба были весьма щуплого телосложения, поэтому, начав играть во втором классе, делали ставку на необычную технику броска. Я толкал мяч из положения между ног, а он бросал его, как копье.
Автор фото, Berkeley Robotics
Подпись к фото,
Дэниел Фукучи (справа) и еще один пилот-испытатель лаборатории в Беркли
Много лет спустя, в 1999 году, за несколько недель до отъезда в колледж, я услышал звонок в дверь. На пороге стояли Дэниел и еще один наш друг — они катались на роликовых коньках. Я взял велосипед и присоединился к ним. Как позже оказалось, это была наша с Дэниелом последняя прогулка такого рода.
В конце августа я уже начал учебу в колледже, а Дэниел отдыхал на Гавайях. Однажды утром он отправился на пляж Вайкики покататься на волнах, но через три четверти часа почувствовал в пояснице пульсирующую боль.
Подумав, что он просто не в форме, Дэниел не придал этому значения. А когда через полчаса все же решил вернуться на берег, заметил нарастающую слабость в ногах. Он попробовал отмокнуть в теплой ванне в отеле, но это не помогало, и через несколько часов, убедившись в том, что состояние ухудшается, Дэниел, следуя уговорам отца, беседовавшего с ним по телефону, обратился в больницу.
«К тому моменту, — вспоминает он, — я был полностью парализован ниже пояса».
Вскоре ему поставили диагноз: поперечный миелит — редкое неврологическое заболевание, вызванное воспалением спинного мозга. Врачи предполагают, что в случае Дэниела его нервная система оказалась атакована его же собственным иммунитетом.
Согласно данным Национального института неврологических расстройств и инсульта, каждый год эта болезнь поражает 1400 человек, и 33 тыс. американцев страдают от той или иной формы связанной с ней инвалидности. Некоторые пациенты поддаются реабилитации, в то время как другие остаются инвалидами на всю жизнь.
Чувствительность и подвижность ног Дэниела постепенно восстанавливались, но где-то через семь лет положительная динамика пропала, и сегодня он все так же передвигается только на костылях или в инвалидном кресле. Однако чуть больше года назад Дэниел узнал, что лаборатория Казеруни набирает «пилотов-испытателей» для своего нового экзоскелета, и сразу же решил воспользоваться этой возможностью.
«Кто откажется от работы, где тебя называют пилотом-испытателем?» — хмыкает он.
Подземная лаборатория спрятана за тяжелой дверью в конце туннеля. На двери наклеен маленький черно-белый портрет Казеруни. Печатными буквами написано: KazLab. Подпись внизу гласит: «Двигаем науку на предельной скорости!»
С первого взгляда лаборатория похожа на гараж любителя мастерить всякую всячину. На рабочих и письменных столах, на книжных полках лежат книги, газеты, скотч, шурупы, болты, гайки и много всего прочего. Высоко на стене можно заметить знак: «KAZLAB. Наши костюмы носят в БУДУЩЕМ».
С потолка свисает один из таких костюмов — похожий на тот, что испытывает Дэниел, но с поддержкой ног по всей длине и с моторами на коленях. За углом скрывается еще одна комната, где висит штук пять похожих приспособлений — это прототипы HULC и еще более ранние модели экзоскелетов.
Ощущение, словно оказался в кладовке киборга. На столе лежит механическая рука, которую будто кто-то нечаянно забыл.
Знаменитый актер Алан Алда оставил на ней свою подпись и рядом добавил: «Надеюсь когда-нибудь поносить!»
Автор фото, Getty
Подпись к фото,
Мужчина, парализованный после несчастного случая на стройке, в экзоскелете производства Ekso Bionics
Первые экзоскелеты Казеруни представляли собой крупные, тяжеловесные машины, которые полностью поддерживали спину и ноги надевшего их человека. Каждый шаг, каждое движение было моторизовано.
Большинство экзоскелетов из тех, которые сегодня предлагаются на рынке, сделаны именно по такой модели: например, экзоскелет от Ekso Bionics (ранее Berkeley Bionics) — компании, которую Казеруни основал в 2005 году. Экзоскелеты Ekso Bionics разработаны для использования под присмотром врача в больницах и других медицинских учреждениях, где занимаются реабилитацией пациентов с параплегией и инсультом.
Покинув компанию, Казеруни изменил стратегию: теперь он стремится создавать более простые приспособления, которые можно будет использовать дома, без посторонней помощи.
Обычные экзоскелеты стоят сотни тысяч долларов, но он намерен снизить цену до десяти-двадцати тысяч: по-прежнему недешево, но теперь устройство хотя бы теоретически кто-то сможет купить.
Ради этой цели группа исследователей отказалась от стремления к универсальности и разрабатывает минималистичные экзоскелеты, ориентированные на потребности конкретного человека.
Не каждый человек с двигательным расстройством полностью парализован, и не все находятся в одинаковой физической форме. «Получается, у нас есть целый континуум от Усейна Болта до Кристофера Рива, который, как известно, в конце жизни не мог пошевелить ни одной конечностью», — рассуждает аспирант Майкл Маккинли, работающий в лаборатории.
Быстрее, лучше
Поскольку Дэниел может сгибать колени, ему не нужен полноразмерный костюм, поддерживающий ногу по всей длине. Благодаря этому конструкция стала на 4,5 кг легче и даже не похожа на экзоскелет — скорее, это просто моторизованное бедро.
Компоненты добавляются и убираются в зависимости от степени подвижности пользователя. Благодаря модульному подходу массовое производство становится проще и дешевле, поясняет Маккинли.
«Сочетая разные компоненты, можно собрать машину, которая будет полностью соответствовать потребностям человека». Со временем, обещает он, заказать индивидуальный экзоскелет будет так же просто, как получить рецепт на очки.
Дэниел продолжает шагать по коридору за дверью лаборатории, и кажется, что день, о котором говорит Маккинли, наступит совсем скоро. Чтобы сделать шаг, Дэниел нажимает кнопку на ручном пульте.
С нами также аспирант Брэд Перри: он ведет хронометраж прогулки и следит за исправностью машины. Дэниел сообщает ему обо всех неполадках. Сегодня, например, кнопка срабатывает медленнее, чем нужно, и походка получается неровной. Коробочка с электроникой, прилепленная к спине, тоже отклеивается, и Перри постоянно приматывает ее скотчем.
Конечно, многое еще предстоит сделать, но даже в нынешней форме экзоскелет позволяет Дэниелу ходить дольше и быстрее, чем на костылях. «Без него я замечаю, насколько медленнее передвигаюсь — насколько короче стали мои шаги», — говорит он.
Автор фото, Berkeley Robotics
Подпись к фото,
Экзоскелет соответствует потребностям своего хозяина. Например, модель можно облегчить, если человек может самостоятельно сгибать колени
Правда, экзоскелет подходит только для ходьбы по мощеной поверхности — даже простая земля ему не по зубам. Но для людей с двигательными расстройствами и это было бы прорывом, отмечает Казеруни.
Он представляет, что в будущем экзоскелет позволит человеку, сегодня прикованному к инвалидной коляске, самостоятельно добраться до автобусной остановки, доехать до работы, а в офисе — войти в переговорную, подойти к кулеру или дойти до туалета. Это простые, но важные движения, которые могут радикально изменить качество жизни человека.
«Не знаю, заменит ли это устройство инвалидное кресло, — говорит Маккинли. — Но, может быть, и не в этом наша цель». А цель — дать людям инструмент, с помощью которого они обретут самостоятельность. Инвалидная коляска как инструмент весьма эффективна, отмечает ученый. Но сидение в ней в течение длительного времени чревато проблемами со спиной, может приводить к образованию пролежней и в целом плохо сказывается на здоровье. Экзоскелет не только позволит хозяину достать книгу с верхней полки, но и улучшит его здоровье — просто за счет того, что поставит его на ноги.
Дэниел говорит, что экзоскелет ему в основном нужен для реабилитации, чтобы поддерживать мышечный тонус и чувство равновесия. Кроме того, он мог бы ходить с его помощью в тех случаях, когда коляска слишком громоздка, а идти на костылях было бы слишком медленно.
«Одна из вещей, которые мне нравятся в экзоскелетах, — это неинвазивный подход», — отмечает Дэниел. Он кандидат на проведение различных видов операций и применение новых типов лекарств, которые могут помочь ему восстановить подвижность, но экзоскелет позволяет ему добиться этого результата с гораздо меньшими рисками.
Будущее уже наступило
Помимо того, что передвигаться самому — комфортно, экзоскелет позволяет владельцу гораздо более непосредственно общаться с другими людьми. «В инвалидном кресле ты словно в пузыре», — сетует Дэниел. Люди боятся лопнуть этот пузырь и потому реже подходят и общаются с тобой, чем когда ты здоров.
Очень многие моменты в жизни нужно проживать стоя, замечает Дэниел.
«И в этом часть прелести экзоскелетов — они делают тебя нормальным членом общества». Чтобы на тебя взглянули иначе, иногда достаточно, чтобы твои глаза были на уровне глаз других людей. «Качество жизни серьезно меняется за счет общения», — говорит Дэниел.
Например, людям не приходится наклоняться, чтобы пожать тебе руку. «Когда ты встаешь и жмешь руку стоя, в этот жест вкладывается совсем другой смысл, — добавляет он. — Ощущения совсем другие».
Я продолжаю наблюдать, как Дэниел
ходит с помощью экзоскелета, и самое поразительное, что это вовсе не кажется мне чем-то необыкновенным.
Ученые стремились к простоте конструкции, но, даже зная это, замечаешь, что устройство выглядит на удивление обыденно — оно совсем не похоже на прибор из фантастического фильма.
Возможно, это лучшее подтверждение того, что будущее экзоскелетов уже настало. Нас поражают технологии, которые кажутся нам немыслимыми, и причудливые приспособления, которые позволяют нам делать что-то, о чем мы раньше могли только мечтать. Но электромеханическая машина, которая помогает ходить… Ну да, почему бы и нет?
Автор фото, Thinkstock
Подпись к фото,
Экзоскелет может повысить качество жизни тех людей, которые вынуждены пользоваться инвалидной коляской
Судя по всему, эпоха экзоскелетов не заставит себя долго ждать: по словам Казеруни, новые модели появятся всего через год. Скорее всего, поначалу они будут далеки от совершенства, но технологии постоянно развиваются.
Устройству еще предстоит пройти контроль Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США — что будет непросто, если учесть, что оно предназначается для использования на территории Соединенных Штатов без надзора специалиста.
вопрос, который ставит под сомнение доступность новых устройств, — захотят ли за них платить страховые компании. Но для Казеруни это не имеет большого значения. «Проблемы созданы для того, чтобы их решать, — говорит он. — Мне нечего бояться».
Возможно, сдержанное и даже несколько легкомысленное отношение Дэниела к экзоскелету — это его личная особенность. Ведь и перед лицом внезапного события, перевернувшего всю его жизнь, он не потерял внутреннего равновесия. В день, когда его парализовало, он тоже был спокоен, и даже медсестра в приемном покое не поняла, что он не может ходить, попросив его переместиться на носилки.
«Играть остается теми картами, которые у тебя на руках, — говорит Дэниел. — Не стоит слишком задумываться о картах, которые тебе не достались».
Впрочем, кое-что в его нынешнем состоянии все-таки вызывает у него досаду. По его словам, перед тем как его парализовало, он, наконец, научился делать точный бросок, благодаря чему обыграл меня в баскетбол тем летом.
Он больше не играет, но не оставляет надежд — ведь экзоскелеты день ото дня становятся все совершеннее. «Как знать, — говорит он, — может быть, однажды я подпрыгну на этой штуке и заброшу мяч в корзину».
Прочитать
оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте
BBC Future.
Будущее роботизированных экзоскелетов: препятствия и последние достижения
Будущее роботизированных экзоскелетов: препятствия и последние достижения
Источник: Мартин Бэнкс, управляющий редактор Modded
.
05.11.21, 05:34
| Мобильные роботы, другие темы
| Экзоскелет
Экзоскелеты, или носимые роботы, до недавнего времени были предметом фантастики. Теперь они существуют не только в виде прототипов, но и в действии, видя службу в тяжелой промышленности, физической реабилитации и других отраслях.
По мере того, как все больше людей осознают преимущества технологии, к 2028 году производство экзоскелетов может стать индустрией с оборотом 5,4 миллиарда долларов.
Текущее использование экзоскелета и препятствия
Экзоскелеты обладают огромным потенциалом. Как и их аналоги из научной фантастики, эти машины могут увеличивать силу своих пользователей, позволяя им поднимать более тяжелые предметы с меньшими усилиями.
Строительство и другие отрасли тяжелой промышленности начали использовать их для этих достижений, при этом некоторые компании отмечают снижение мышечной активности на 50%, что предотвращает травмы.
Носимые роботы также показали себя многообещающими в медицинской промышленности. Каркасы с электроприводом вокруг ног пациентов могут помочь некоторым людям восстановить силы после травмы. Эти технологии также могут дать пациентам, которые ранее пользовались инвалидными колясками, возможность ходить на ногах.
Несмотря на эти огромные преимущества, экзоскелеты сегодня сталкиваются с некоторыми проблемами.
Вот самые насущные.
1. Электропитание
Чтобы экзоскелеты можно было использовать в коммерческих целях или на рабочем месте, они должны быть портативными. Это представляет собой проблему с точки зрения того, как привести в действие роботизированные элементы. Проводные варианты ограничивают экзоскелеты внутренними или ограниченными пространствами, а батареи могут быть тяжелыми или иметь ограниченное время работы.
Блоки питания экзоскелета должны быть легкими, надежными и долговечными. Такого сочетания качеств трудно достичь, особенно по доступной цене, примером чего является высокая стоимость аккумуляторов для электромобилей. Однако пока исследователи не найдут решение этой проблемы, носимая робототехника будет иметь ограниченную полезность.
2. Стоимость
Другим ограничивающим фактором сегодняшних роботизированных экзоскелетов является их стоимость. Некоторые медицинские экзокостюмы могут стоить 80 000 долларов за единицу, и даже «доступные» варианты стоят до 30 000 долларов.
Передовые медицинские учреждения и крупномасштабные промышленные операции могут оправдать эти расходы, но цены должны снизиться, чтобы обеспечить широкое внедрение.
Появление робототехники как услуги (RaaS) может снизить эти высокие затраты на промышленные приложения, позволяя арендовать объекты, а не покупать их напрямую. Тем не менее, эти модели плохо работают в потребительских приложениях. Пользователи с ограничениями подвижности, например, должны владеть своими экзоскелетами, а не арендовать их, но этому мешают непомерно высокие расходы.
3. Комфорт и диапазон движений
Хотя носимые роботы могут предотвратить многие деформации и травмы, они часто неудобны. Они могут быть тяжелыми и неудобными, а то, как они крепятся к телу пользователя, может вызывать дискомфорт или даже болезненное трение. Дискомфорт предпочтительнее травм, но эти технологии, скорее всего, не понравятся массам, пока они не станут более удобными.
Точно так же современные экзоскелеты часто имеют ограниченный диапазон движений.
Большинство из них используют вращающиеся шарниры с фиксированной осью для своих суставов, но это не точно имитирует движения человеческих конечностей. В результате мобильность пользователей в экзоскелете не отражает естественного движения, что ограничивает его универсальность.
Последние достижения в области экзоскелета
Эти препятствия значительны, но технология экзоскелета прошла долгий путь за относительно короткое время. За последние несколько лет было сделано несколько достижений, которые продвигают эту робототехнику вперед. Некоторые из этих нововведений могут обеспечить решения наиболее важных проблем технологии.
Носимая робототехника по-прежнему является новой технологией, поэтому впереди еще много возможностей для роста. Вот несколько недавних достижений, которые позволяют заглянуть в многообещающее будущее экзоскелетов.
1. Мягкие экзоскелеты
В последнее время многие производители экзоскелетов отказались от жестких металлических экзоскелетов.
Мягкие экзоскелеты, состоящие из ткани и гибких искусственных мышц, имеют множество преимуществ по сравнению с их металлическими аналогами. В частности, они могут быть намного легче и предлагают гораздо больший диапазон движений, что делает эти инструменты более полезными.
Новые мягкие материалы, такие как микрорешетка, также не жертвуют безопасностью ради достижения этих преимуществ. Микрорешетка может замедлить тупые удары на 21,7%, несмотря на свой легкий вес, что делает мягкие экзоскелеты жизнеспособным инструментом для защиты рабочего места. Поскольку эти экзоскелеты больше похожи на одежду, чем на внешнюю оправу, они также более удобны, что позволяет использовать их дольше.
2. Пассивные и псевдо-пассивные экзоскелеты
Другие недавние достижения в области экзоскелетов могут дать ответ на проблему энергопотребления. Пассивные экзоскелеты вообще не используют электричество, вместо этого используют механическую энергию для помощи своим пользователям.
Например, они могут использовать металлическую раму для перенаправления веса для предотвращения деформации или пружины для поглощения ударов.
Аналогичное решение заключается в использовании псевдопассивных конструкций, которые вводят небольшое количество энергии для поддержки пассивных экзоскелетов. Эти альтернативы обеспечивают мощность только по мере необходимости и используют механическое преимущество для уменьшения необходимой им энергии. В результате они могут работать с двигателями меньшего размера и работать дольше, максимально повышая энергоэффективность.
4. Альтернативные источники питания
Другим возможным решением энергетической проблемы является замена традиционных батарей на альтернативные источники питания. Некоторые производители экзоскелетов начали изучать возможность использования встроенных солнечных батарей для обеспечения необходимой им энергии. По мере того, как солнечная технология становится более эффективной, это становится более жизнеспособным решением для питания экзоскелета.
Кинетическая энергия собственных движений пользователей представляет собой еще одну возможность. Уже есть носимые устройства, которые получают энергию от движения, поэтому аналогичные технологии могут принести этот альтернативный источник энергии в экзоскелеты. Современные устройства сбора кинетической энергии не производят много электроэнергии, но они могут помочь продлить срок службы батареи, особенно в псевдопассивных конструкциях.
5. ИИ и интеллектуальные датчики
Искусственный интеллект (ИИ) и технология подключенных датчиков также начали проникать в конструкцию экзоскелета. В этих конструкциях датчики по всему носимому роботу собирают данные о его текущем использовании и физиологическом состоянии пользователей. Затем искусственный интеллект интерпретирует эти данные, чтобы при необходимости настроить экзоскелет для обеспечения оптимальной производительности.
Некоторые исследователи создали экзоскелеты, которые регулируют крутящий момент для оптимизации экономичности бега и ходьбы пользователей на основе метаболических данных.
Такие устройства могут помочь снизить повторяющиеся травмы от перенапряжения на рабочем месте или улучшить результаты лечения пациентов при физиотерапии. Носимые устройства, которые собирают этот тип данных, уже стали обычным явлением, поэтому включение их в экзоскелеты — естественный следующий шаг.
Мы только коснулись технологии экзоскелета
Сегодняшние экзоскелеты уже впечатляют, но последние инновации показывают, насколько далеко может зайти технология. По мере того, как все больше организаций внедряют эти технологии, финансирование исследований экзоскелетов будет расти, что приведет к большему количеству улучшений. Сегодняшние варианты использования носимой робототехники, вероятно, являются лишь верхушкой айсберга.
Может пройти много времени, прежде чем экзоскелеты станут обычным явлением, но, скорее всего, это произойдет в конце концов. Эта технология слишком многообещающа в слишком многих потенциальных приложениях, чтобы организации могли от нее отказаться.
По мере того, как экзоскелеты начинают преодолевать свои текущие препятствия, они могут начать изменять свои области применения.
Еще Другие темы Истории | Статьи | Новости
Эта запись не имеет комментариев. Будьте первым, кто оставит комментарий ниже.
Опубликовать комментарий
Прежде чем оставлять комментарии, вы должны войти в систему. Войти сейчас.
Рекомендуемый продукт
PI USA — Моторизованные линейные и вращающиеся ступени с пневмоподшипником
PI предлагает стандартные и нестандартные системы линейных, поворотных и сферических воздушных подшипников. Они доступны с 3-фазными двигателями или двигателями со звуковой катушкой, встроенными оптическими датчиками линейных перемещений. Наши воздушные подшипники / и системы обслуживают OEM, промышленные и исследовательские рынки.
Захватывающее будущее для экзоскелетов
Когда дело доходит до рынка робототехники, устройства, обеспечивающие автоматизацию, такие как коботы и роботы 5G, как правило, привлекают львиную долю внимания. Тем не менее, есть одна технология, которая осталась незамеченной, но способна оказать столь же большое влияние — 90 132 экзоскелета 90 133 . К 2030 году глобальные доходы на этом развивающемся рынке достигнут более 7 миллиардов долларов США, при этом промышленные варианты использования станут основным катализатором.
Что такое экзоскелет?
Экзоскелеты — это тип усовершенствованной технологии, предназначенной для повышения работоспособности человека при выполнении физически сложных задач за счет поддержки таких частей тела, как руки, нижняя часть спины, ноги и верхняя часть тела. Это снижает потребность рабочих в энергии при безопасном подъеме, транспортировке и удерживании инструментов, ящиков и других промышленных активов.
При таком развертывании значительно снижается частота нарушений опорно-двигательного аппарата.
А теперь представьте, какие поразительные денежные потери могут стоить компании из-за заболеваний опорно-двигательного аппарата, связанных с работой (WMSD). По данным Injury Facts, травмы обходятся компаниям в 163,9 доллара США.миллиардов в год в совокупности. Его можно разбить на следующие элементы:
- 44,8 млрд долларов США на заработную плату и потерю производительности труда
- 34,9 млрд долларов США на медицинские расходы
- 61 миллиард долларов США на административные расходы
Рис. 1. Работник склада использует носимый экзоскелет для подъема поддона, разгружая руки, ноги и спину от напряжения.
Типы экзоскелетов и принципы их работы
Существует два различных типа экзоскелетов — пассивные и силовые. Пассивные варианты не имеют источника питания и служат главным образом для повышения прочности и обеспечения стабильности для конечных пользователей.
С другой стороны, экзоскелет с питанием от технология использует некоторую форму энергии для питания датчиков, исполнительных механизмов и других инструментов. Большинство из используемых в настоящее время являются пассивными, в основном потому, что они более доступны по цене и решают конкретные проблемы или варианты использования.
Будущее проектирования экзоскелетов заключается в их интеграции с Интернетом вещей (IoT) для сбора данных и предоставления информации руководству. В конечном итоге эта технология должна будет интегрироваться с роботизированными руками, коллаборативными роботами и мобильными роботами с помощью передовых технологий определения местоположения, тактильных ощущений и управления жестами.
Расширение возможностей вместо автоматизации
В то время как большинство складских роботов ориентированы на автоматизацию, экзоскелеты могут помочь людям, повышая безопасность и производительность, особенно в промышленных условиях.
Однако иногда это идет рука об руку.
С этой целью такие организации, как НАСА, Боинг и Дженерал Моторс, уже начали развертывание пассивных экзоскелетов и сделали их стандартной частью своих складских операций. Toyota — еще одна компания, делающая большие ставки на эту технологию, поскольку они развернули сотни костюмов, разработанных Levitate Technologies, на производственных предприятиях по всей территории Соединенных Штатов.
Стареющая рабочая сила
Нехватка рабочей силы была достаточно серьезной до пандемии COVID-19. Производственный персонал считается довольно старым, а это означает, что молодые люди не склонны работать на складах. Чтобы сохранить устойчивость операций в будущем, промышленные и производственные компании должны попытаться повысить производительность каждого работника. Они также должны защищать работников, подверженных высокому риску заболеваний опорно-двигательного аппарата. К счастью, человеческий экзоскелет может помочь решить обе эти проблемы.
По мере того, как склады и промышленная рабочая среда становятся все более оцифрованными, менеджеры хотят получить больше точек данных, которые можно использовать для принятия стратегических решений. Экзоскелеты служат связующим звеном между робототехникой и интеллектуальными носимыми устройствами, размещаемыми на теле человека, обеспечивая целостное представление о производительности рабочих мест.
Преимущества
Вот преимущества экзоскелетной технологии в складских/промышленных операциях:
- Поясничная опора в виде кресла без кресла и опоры для ног
- Плечевой упор
- Поддержка конечностей и связок с помощью дополнительной робототехники
- Держатель инструмента с рычагами невесомости
- Двигательное движение (приводы и топливные элементы)
Наибольшее преимущество этих костюмов и компонентов заключается в обещанном повышении производительности человека (производительности рабочего места).
С меньшей физической усталостью и меньшими потребностями в энергии каждый отдельный работник может выполнять больше задач в течение смены. Кроме того, многие задачи можно просто автоматизировать, что экономит время и силы.
Сколько стоят экзоскелеты?
Компания ABI Research изучила среднюю цену продажи (ASP) четырех основных категорий экзоскелетов:
- Экзоскелеты с приводом от тяжелой техники
- Экзоскелеты средней подъемной силы
- Экзоскелеты с легким подъемником
- Пассивные экзоскелеты
Затем мы разделили каждую категорию на три типа: нижняя часть тела, верхняя часть тела и все тело. Как и следовало ожидать, экзоскелеты с электроприводом стоят значительно дороже, чем пассивные экзоскелеты. Действительно, в 2022 году ASP на тяжелый экзоскелет для поддержки нижней части тела составляет 40 207 долларов США. Для пассивного экзоскелета того же типа эта цена падает до 5,39 долларов США.3. Точно так же экзоскелет со средней подъемной силой, обеспечивающий полную поддержку тела, стоит 65 567 долларов США, в то время как пассивные варианты обычно стоят 16 086 долларов США.
К счастью для предприятий, желающих инвестировать в эти технологии робототехники, ASP упадут. В то время как полноценный силовой костюм для подъема тяжестей сегодня стоит 65 567 долларов США, ASP снизится на 7% до 2030 года и достигнет ценовой отметки в 39 035 долларов США. Или возьмем, к примеру, экзоскелеты для верхней части тела типа легких подъемников. Текущая цена в 14 172 доллара США упадет до 11 722 долларов США к 2030 году9.0005
Чтобы получить более широкий обзор стоимости экзоскелетов, обратитесь к таблице ниже.
Таблица 1: Средняя цена продажи (ASP) экзоскелетов по типам
| Тип | Нижняя часть корпуса | Верхняя часть корпуса | Полный корпус |
| Тяжелый подъемник | 42 324 долл. США | 33 881 долл. США | 133 700 долл. США |
| Средний подъем | 24 489 долл. США | 32 328 долл. США | 65567 долларов США |
| Легкий подъемник | 20 086 долларов США | 14 172 долл. США | 45 078 долларов США |
Новые поставщики экзоскелетов
Развертывание экзоскелетов должно сопровождаться полностью технологически интегрированным подходом. Например, для отслеживания KPI производительности работника потребуется программная платформа визуализации. С прицелом на будущее два крупных поставщика пытаются проникнуть в настоящее. German Bionic Systems (GBS) и Sarcos укрепляют свои позиции на промышленном рынке. GBS разработала платформу IoT и продолжит наращивать производство, поскольку у нее есть новый завод.
Sarcos начинает тестировать свою продукцию для использования в военной инфраструктуре, заключив ряд контрактов с правительством США.
Японский рынок процветает благодаря таким компаниям, как Cyberdyne и Panasonic Atoun, в то время как возможности, предоставляемые Китаем, все еще находятся в зачаточном состоянии.
Есть и другие компании, такие как Fourier Intelligence, которые разработали EXOPS, платформу с открытым исходным кодом, которая помогает производителям сократить время выхода на рынок с нуля. Платформа EXOPS также может соединять экзоскелеты с носимыми устройствами, такими как гарнитуры и умные очки.
Промышленные экзоскелеты лидируют в прогнозах доходов
Инвестиции в промышленные экзоскелеты в обозримом будущем станут взрывоопасными. Согласно последнему обзору рынка ABI Research, промышленные поставки достигнут 274 миллионов единиц в 2030 году, а выручка к концу десятилетия составит 3,4 миллиарда долларов США. Это делает промышленный сегмент рынка крупнейшим пользователем носимой робототехники, за которым следует коммерческий сегмент, а затем, в меньшей степени, военный сегмент.
В промышленном сегменте на производство приходится более половины всех поставок экзоскелетов и выручки, за которыми следуют энергетика/коммунальные услуги и нефть/газ.
В то же время коммерческое развертывание не сильно отстает от промышленного сектора: ожидается, что в 2030 году будет поставлено 198 миллионов устройств, а доход составит 2,9 миллиарда долларов США.
Диаграмма 1: Доход от экзоскелетов по сегментам (промышленный, коммерческий, военный, гражданский и потребительский)
Мировые рынки: с 2021 по 2030 год
(Источник: ABI Research)
Прогнозы пассивных экзоскелетов по сравнению с прогнозами активных (активных) экзоскелетов
Хотя поставки пассивных экзоскелетов значительно опережают поставки механических, последние приносят больший доход по всем вертикалям. Например, в 2023 году будет 46 000 пассивных отгрузок и всего 14 000 отгрузок с питанием. Тем не менее, выручка последнего будет на 127 миллионов долларов США больше, чем первого. К 2030 году выручка от электроснабжения превысит 5 миллиардов долларов США, что составляет почти вдвое больше, чем пассивный . Это показывает, насколько больше финансовых обязательств требует покупка полностью активных (электрических) костюмов.
Диаграмма 2: Доход от экзоскелета с питанием по сравнению с пассивным доходом от экзоскелета
мировые рынки: с 2021 по 2030
(Источник: Исследование ABI)
Региональные ожидания
Worldwide, Exosoreton rate of Arpude of Arom. между 2021 и 2030 годами. Соединенные Штаты, Германия, Китай, Южная Корея и Япония являются регионами, где экзоскелеты внедряются больше всего, на них приходится 77% мирового дохода (629 долларов США).миллионов) в 2022 году. К 2030 году это число снизится до 68% мирового дохода (7,4 миллиарда долларов США), поскольку более поздние пользователи в некоторых других странах урезают долю рынка. Но это не значит, что эти региональные лидеры не собираются продолжать расширять свое развертывание.
Диаграмма 3. Доход от экзоскелета с электроприводом и доход от пассивного экзоскелета
Мировые рынки: 2021–2030 гг.0004 Из-за дополнительного веса и технической сложности реализации оружия с невесомостью экзоскелеты могут быть трудны для массового развертывания, и это может даже вызвать беспокойство у рабочих.
Компании также могут счесть инвестиции в робототехнику и программные технологии трудной пилюлей, поскольку развитие мехатроники происходит медленнее, чем инновации в программном обеспечении, что препятствует максимальному потенциалу развертывания экзоскелета.
Еще одной ключевой проблемой, стоящей перед рынком, является сложность расчета рентабельности инвестиций. Как вы измеряете рентабельность инвестиций? Стало ли меньше производственных травм? Повышение производительности? Если последнее, то могут пройти годы, прежде чем появятся ощутимые результаты, что вызывает скептицизм у ключевых заинтересованных сторон.
Недостатки инфраструктуры будут главной проблемой для малых и средних предприятий (МСП), которые потенциально являются целевым рынком для продуктов экзоскелета. Чтобы убедиться, что малые и средние предприятия могут получать и хранить экзоскелетные костюмы и компоненты, поставщикам необходимо заключить партнерские отношения с интеграторами экосистем или обратиться к собственным решениям.
Теперь давайте рассмотрим несколько примеров экзоскелетов, чтобы лучше понять, как работает технология.
Экзоскелет Пример №1: Esko Bionics EVO
EVO, разработанный Esko Bionics, поддерживает вес рук рабочего, что снимает нагрузку с плеч и рук работника при подъеме чего-либо над головой. С жилетом EVO можно достичь от 5 до 15 фунтов помощи при подъеме на руку. Все, что нужно сделать рабочему, — это обернуть жилет вокруг талии, чтобы обеспечить полный диапазон движений в положении стоя.
Рис. 2. Жилет EVO
(Источник: Esko Bionics)
Экзоскелет Пример #2: Большой палец Paexo компании Ottobock
Большой палец Paexo, изготовленный другой немецкой компанией Ottobock (которая приобрела SuitX), снижает нагрузку на большой палец на целых 70%, перенаправляя большую часть усилий на другие части руки. Этот пример экзоскелета также подчеркивает необходимость защиты кончиков пальцев от механических воздействий, таких как отсечение и закупорка.
Рис. 3: Большой палец Paexo
(Источник: Ottobock Paexo)
Пример экзоскелета №3: Laevo FLEX и V2.50
Голландская компания Laevo предлагает два продукта для поддержки спины: Laevo FLEX и Laevo V2.5. FLEX является лучшей из двух итераций, поскольку обеспечивает в 2 раза более высокий пиковый крутящий момент и в 3 раза большую отдачу энергии, чем Laevo V2.5. Laevo FLEX разработан для того, чтобы рабочие могли каждый день проходить километры, не играя с кнопками включения/выключения. Кроме того, Laevo FLEX обеспечивает динамичный подъем, он удобен и гибок для всех форм тела, а также устойчив к пыли и воде.
Рисунок 4. Женщина в костюме Laevo FLEX поднимает ящик чем аналогичные костюмы, и использует многозвенный модуль помощника по подъему, чтобы имитировать движения человеческого плечевого сустава. С костюмом VEX рабочие производственной линии получают больше поддержки груза, мобильности и адаптации при выполнении задач, связанных с накладными расходами (например, прикручивание днища автомобиля, установка тормозных трубок и крепление выхлопных газов).
Оснастить рабочего костюмом VEX очень просто, потому что он носится как рюкзак.
Рисунок 5: Экзоскелетный костюм VEX
(Источник: Hyundai)
Шаги к успеху
Многие отрасли сталкиваются с уникальным набором проблем, включая нехватку рабочей силы и старение рабочей силы. Хотя экзоскелеты могут помочь в борьбе с этими проблемами, поставщики технологий должны убедиться, что компании и другие организации видят потенциальную рентабельность инвестиций в технологию.
Должна существовать жизнеспособная бизнес-модель, расширяющая внедрение роботов как услуги (RaaS) и демонстрируемая способность как поставщиков, так и конечных пользователей извлекать ценную информацию из собранных данных. Установление партнерских отношений с облачными провайдерами и промышленными платформами, которые в конечном итоге обеспечат дополнительную ценность, необходимую для дифференциации провайдеров, также будет иметь ключевое значение. Кроме того, такие организации, как ассоциация производителей экзоскелетов (VDEI), важны для развития стандартизации, когда речь идет о передовом опыте.
Многие отрасли сталкиваются с уникальным набором проблем, включая нехватку рабочей силы и старение рабочей силы. Хотя экзоскелеты могут помочь в борьбе с этими проблемами, поставщики технологий должны убедиться, что компании и другие организации видят потенциальную рентабельность инвестиций в технологию.
Теперь основное внимание следует уделить созданию бизнес-модели, поддерживающей робота как услугу (RaaS), поскольку она обеспечивает гибкость для конечных пользователей. Кроме того, первостепенное значение имеет поиск способов, позволяющих поставщикам и конечным пользователям использовать данные, извлеченные из их робототехники. Еще одно ключевое действие, которое необходимо предпринять, — заключить союзы с облачными провайдерами для создания промышленных платформ. Это потому, что, в конце концов, новые потоки доходов от дополнительных услуг невозможны без надлежащей программной инфраструктуры. Наконец, стандартизация имеет решающее значение для разработки передового опыта, и такие организации, как Ассоциация производителей экзоскелетов (VDEI), находятся в авангарде.