Экзоскелет «Норникеля» – не панацея будущего, а инструмент настоящего
Всем привет! Меня зовут Владислав Давыдов, я главный менеджер центра развития цифровых технологий компании Норникель. В этой статье расскажу о ходе разработки и подготовке к вводу в промышленную эксплуатацию тяжелого промышленного экзоскелета Норникеля.
Проблематика
Профессиональные заболевания, вызванные физическими перегрузками и перенапряжением опорно-двигательного аппарата, занимают лидирующее положение на производстве. Как правило, они возникают при работе, связанной с подъемом и перемещением тяжестей, длительным пребыванием в определенной позе, частыми наклонами и поворотами в быстром темпе.
Несмотря на технические и технологические преобразования, происходящие в отраслях экономики, доля физического труда и работы с перегрузками отдельных органов и систем все еще остается достаточно высокой.
Согласно данным Росстата, при добыче полезных ископаемых на работах с перемещением различных тяжестей заняты 34,7% специалистов, в металлургии — 45,1%. Часть этих работ возможно автоматизировать, но в большинстве случаев автоматизация экономически и технически не эффективна.
Одним из наиболее сложных и, как следствие, травмоопасных является этап отрыва груза от поверхности, этот этап предшествует подъему груза. Именно в такой момент, чаще всего, происходят травмы опорно-двигательного аппарата человека. Как известно, самая распространенная причина травм межпозвоночных дисков — неправильная работа с грузами. Человек вполне может поднять значительный вес, если использует правильную технику, но это не исключает факт износа опорно-двигательной системы и высокой утомляемости человека, осуществляющего работы, связанные с тяжелым физическим трудом (перенос грузов, работа с тяжелым инструментом и т.д.). Такие условия труда могут называться вредными и регламентируются нормами, утвержденными Минтруда России.
В ряде работ применяются грузоподъёмные машины и механическое оборудование для подъёма и перемещения тяжелых объектов. Однако данное оборудование невозможно применить везде, где это необходимо, что обусловлено ограничениями мобильности и проходимости грузоподъемных средств. В некоторых условиях работник вынужден полагаться только на свою опорно-двигательную систему, подвергая её разного рода перегрузкам, что влечет за собой высокий риск получения травм и развития соответствующих заболеваний.
Гипотеза
Эта проблема послужила катализатором идеи применения экзоскелета в ряде работ, связанных с манипуляциями тяжелыми грузами посредством мышечной силы работника.
После изучения существующих разработок экзоскелетов в мире, было принято решение приступить к разработке своего экзоскелета, так как ни одна, уже разработанная, модель экзоскелета не была способна справиться с поставленной задачей.
Учитывая, что в 2019 году рынок экзоскелетов только зарождался, и не существовало отработанных и зарекомендовавших себя решений — разработка начиналась практически с чистого листа. Заведомо не было точно известно, как себя покажет новый экзоскелет.
Первые шаги
Поставленная задача предрасполагала к появлению «пушистого множества» решений, так как сама по себе не имела строгих рамок. Даже те ограничения, которые были выражены в «цифрах», не были твердыми и являлись гипотетическими.
Так и начался длительный путь инженерных изысканий.
Требовалось разработать экзоскелет, способный снизить нагрузку на опорно-двигательный аппарат работника, которому необходимо поднимать, переносить и удерживать в различных позах грузы весом до 45 кг. Предполагалось неопределенное разнообразие грузов. Конструкция экзоскелета должна была позволить осуществить настройку под габариты людей ростом от 160 до 190 см и весом от 60 до 120 кг.
Для более четкого понимания требований к экзоскелету потребовалось провести массу консультаций с работниками предприятий, изготовить несколько образцов экзоскелетов и протестировать их. Только после проведенной работы получилось определить более четкие границы требований и изготовить наиболее подходящий тестовый образец экзоскелета.
Прототип 1.6
Результатом поиска решения, способного удовлетворить требования производственников стал шестой прототип тяжелого промышленного экзоскелета.
На первый взгляд, конструкция очень проста и понятна. Может возникнуть вопрос:
чем мы занимались всё это время?
— Суть кроется в деталях.
Антропоморфная конструкция экзоскелета призвана воспринимать на себя часть нагрузки и перераспределять её на опорную поверхность. В области спины установлена электрическая лебедка, позволяющая закрепить груз и поднять его до необходимой высоты, ограниченной уровнем груди пользователя. Экзоскелет является пассивно-активным — не имеет приводов в несущем каркасе, но обладает активным дополнительным оборудованием (лебедкой).
— Почему именно пассивно-активный?
— Аккумуляторы, имеющие достаточную для обеспечения необходимой автономности емкость, будут слишком велики в размере и весе. А «горячая замена» аккумуляторов будет неудобна и вряд ли приживется на производстве. По этой причине только лебедка имеет привод и питается от аккумулятора.
В области тазобедренного шарнира установлен газовый упор, работающий только в сагиттальной плоскости, т.е. только при ходьбе и наклонах вперед.
Коленный шарнир смещен немного назад, что позволяет обеспечить устойчивость конструкции при подъеме груза в положении стоя, нога опирается сама на себя, находясь в особом положении.
Это нужно для исключения самопроизвольного сгибания ноги в положении стоя.
Почему так много внимания именно такому варианту расположения тела?
Ответ: работник в экзоскелете получает возможность подойти к грузу, выпустить трос, присесть, закрепить груз, встать и поднять его. Это наиболее безвредный способ. Скорость работы лебедки подобрана таким образом, чтобы подъём и опускание груза были безопасными и, одновременно, не долгими.
Также конструкция позволяет производить работы в различных положениях тела, воспринимая часть нагрузки на себя, так как нередко работник вынужден находиться в статических позах, выполняя поставленную задачу.
Экзоскелет сохраняет необходимый объем движений, возможность свободного прохода через стандартные дверные проемы и перемещения по лестницам, обеспечивает устойчивость на поверхностях различного характера, например, на щебневой насыпи.
Конструкция позволяет работать в зимней одежде, обладая требуемым объемом регулировок системы креплений экзоскелета на человеке, которая в свою очередь выполнена таким образом, чтобы несущий каркас не упирался в тело работника во всех позах, которые он мог бы принять во время работы, обеспечивая необходимый комфорт эксплуатации.
Пульты управления лебедкой экзоскелета расположены на тросах лебедки и выполняют также защитную функцию. Работник может производить манипуляции с грузом, закрепленным на экзоскелете, удерживая пульты, что позволяет исключить трение тросов руки.
Управление лебедкой осуществляется при помощи двух кнопок, расположенных на одном из пультов.
Индикатор направления движения тросов;
Индикатор состояния заряда батареи;
Кнопки управления приводом лебедки;
Рукоятка;
Трос.
Во время выполнения работ лебедка через небольшой промежуток времени переходит в режим паузы. Это нужно для исключения пуска при случайном однократном нажатии кнопки пульта.
Предусмотрена защита по весу поднимаемого груза. Лебедка не будет осуществлять подъем груза тяжелее 60 кг. Данное ограничение установлено для обеспечения безопасности выполнения работ. Груз может просто перевесить работника в экзоскелете, а установка противовеса увеличит габариты экзоскелета, что противоречит задаче минимизации габаритов.
В процессе подъема и опускания груза или тросов производится световая индикация при помощи ламп, установленных на корпусе лебедки. Это позволит обозначить «загруженного» работника.
Немалое количество настроек, предусмотренных в конструкции, а также потребность в понимании их последовательности стали поводом для разработки программы обучения эксплуатации экзоскелета, с последующим обучением испытателей на базе корпоративного университета Норникеля.
Результаты опытно-промышленных испытаний экзоскелета версии 1.6 оказались достаточно положительными. Несмотря на то, что текущая модель экзоскелета всё ещё не готова к полноценной эксплуатации, работоспособность такого решения была доказана.
Наш главный испытатель и критик на вопросы о возможности травмироваться при работе в экзоскелете отвечает: «Обученный работник хорошо знает, как работать в этом оборудовании и, при соблюдении требований безопасности, травм получить не может. Можно, конечно, травмироваться, с разбега столкнувшись со стеной, но эта проблема будет уже не на стороне экзоскелета».
Подготовка итоговой модели экзоскелета
На данный момент ведется разработка и подготовка к выпуску новой модели экзоскелета, в которой учтены тщательно взвешенные результаты испытаний предыдущей модели. Но одних результатов опытно-промышленных испытаний недостаточно. Отзывы испытателей могут быть положительными, ощущения помощи и разгрузки тела могут оказаться мнимыми. Нет понимания влияния экзоскелета на организм человека в краткосрочной и долгосрочной перспективе.
По этой причине решено провести медико-технические исследования при помощи ФГБНУ «НИИ медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова» и параллельно вести разработку новой модели совместно с АО НТЦ «РОКАД».
Такая связка позволяет выполнить разработку более точно и правильно, с учётом результатов работы НИИ МТ.
Данные исследования — не просто ходьба в экзоскелете по беговой дорожке в кислородной маске. Нам необходимо получить наиболее полное понимание влияния экзоскелета на организм человека, что требует выполнить:
Исследование профессиональных групп работников — потенциальных потребителей промышленного экзоскелета и производственных операций, при выполнении которых целесообразно его применение, формирование медико-технических требований к промышленному экзоскелету;
Проведение предварительной оценки промышленного экзоскелета на соответствие предъявленным медико-техническим требованиям в производственных условиях;
Исследование безопасности и эффективности применения промышленного экзоскелета в условиях моделирования трудовой деятельности работника физического труда;
Физиолого-гигиеническая и эргономическая оценка промышленного экзоскелета в производственных условиях.
Первые два этапа уже пройдены, что позволило нам выявить неучтенные требования к экзоскелету и внести корректировки в новую разрабатываемую модель еще на этапе отрисовки в САПРе.
Следующий этап находится в активной фазе и о его результатах ещё рано рассказывать.
Что касаемо новой модели:
Выводы
После завершения разработки и окончания испытаний в конце 2023 года мы планируем опубликовать результаты наших исследований.
Внедрение экзоскелетов в промышленную эксплуатацию может стать хорошим шагом к повышению культуры и безопасности труда, а также бонусом к повышению производительности труда.
Основной областью применения нашего тяжелого промышленного экзоскелета мы считаем ремонтные, монтажные и строительные работы, которые выполняются там, где классические грузоподъемные средства невозможно или не удобно использовать.
