Промышленный экзоскелет
Промы́шленный экзоскеле́т (от экзо… и скелет), носимое техническое устройство для защиты человека от опасности физических перегрузок в процессе труда; компенсирует и/или перераспределяет нагрузку на опорно-двигательный аппарат работника. Состоит из жёсткого подвижного каркаса, системы приводов и системы креплений.
Промышленные экзоскелеты используются как средства индивидуальной защиты и включены в Единые типовые нормы выдачи средств индивидуальной защиты (Единые типовые нормы…) в зависимости от идентифицированных опасностей.
Экзоскелеты применяются как средства индивидуальной защиты не только на производстве, но и в других сферах деятельности, где требуется компенсировать чрезмерные физические нагрузки на человека и предупредить связанные с ними травмы, а также снизить утомляемость. Исследования по использованию экзоскелетов проводят военные, спасатели, космонавты и др.
По источнику энергии, используемого системой приводов, промышленные экзоскелеты подразделяются на пассивные, активные и полуактивные.
В зависимости от защищаемой анатомической области тела человека промышленные экзоскелеты классифицируются на устройства защиты (ГОСТ Р 12.4.306-2023): верхних или нижних конечностей; шейного, грудного или пояснично-крестцового отделов позвоночника.
Отдельно выделяют экзоскелеты с комбинированной областью защиты.
Этим же стандартом введена классификация по типу компенсируемой экзоскелетом физической нагрузки на опорно-двигательный аппарат работника: динамическая нагрузка – частое выполнение одинаковых движений, например поднять и переставить груз с одного места на другое; статическая – длительная работа в вынужденной неудобной позе или длительное удержание груза, инструмента в одном положении; комбинированные статико-динамические нагрузки, например перемещение груза, сочетаемое с наклонами корпуса при поднятии и опускании груза.
История
Прототипами промышленных экзоскелетов являются разработки русского изобретателя Н. Ф. Ягна (1849–1905). В 1889 г. он предложил устройство для облегчения и ускорения ходьбы и бега (Yagn. 1889[1]). В 1890 г. ему выдан ряд патентов на устройства для облегчения ходьбы, бега и прыжков (Yagn. Patent № 420,178[2]; № 420,179[3]; № 440,684[4]).
Разработку первых активных промышленных экзоскелетов связывают с проектом Hardiman американской корпорации General Electric (1965), в рамках которого был разработан экзоскелет для усиления физической силы работников в промышленности за счёт использования гидравлических приводов. Это устройство получилось слишком громоздким, тяжёлым и неудобным для использования; габариты экзоскелета 72" × 39" × 29" (1,8 × 1,0 × 0,7 м) и вес 1500 lbs (680 кг) (HARDIMAN I ... 1971[5]).
В Российской Федерации с принятием нормативно-правовых актов о промышленных экзоскелетах как средствах индивидуальной защиты увеличилось их производство и использование. Применение промышленных экзоскелетов прежде всего эффективно при выполнении работ, которые могут привести к патологии опорно-двигательного аппарата, обусловленной перенапряжением и микротравмами. К таким работам относится полумеханизированная и полуавтоматизированная работа на штампах, станках, конвейерах и т. п., требующая быстроты движений и физического напряжения (Профессиональные заболевания ... 2021).
Перспективы
Промышленный экзоскелет, будучи носимым техническим устройством, не только защищает работника от опасности физических перегрузок в процессе труда, но и создает определённые неудобства. Прежде всего это дополнительный вес рабочего снаряжения и размер устройства. Например, пассивный экзоскелет при габаритах 0,5 × 0,5 × 0,2 м имеет массу 2,2 кг, а активный экзоскелет при габаритах 1,8 × 0,5 × 0,5 м имеет массу 23,5 кг.
Все экзоскелеты требуют существенных затрат времени на надевание и анатомическую подгонку. Также экзоскелеты имеют меньшую подвижность по сравнению с естественной подвижностью скелета человека, что ограничивает их применение в условиях, требующих повышенной координации и точности движений.
Перспективы развития промышленных экзоскелетов связаны с улучшением их технических характеристик, расширением спектра выполняемых функций и улучшением удобства использования. Для этого необходимо решить ряд задач, среди которых: снижение массы и габаритов экзоскелета; уменьшение времени на надевание и анатомическую подгонку; расширение возможностей по использованию различных рабочих инструментов; улучшение эргономики и дизайна; повышение автономности и манёвренности; совершенствование систем управления и др.
Расширение спектра выполняемых основных рабочих функций возможно за счёт модульного подхода к конструкции экзоскелетов. Это позволит подбирать необходимые элементы для выполнения конкретных производственных задач.
Улучшение технических показателей экзоскелетов возможно за счёт повышения надёжности и прочности конструкции; снижения энергопотребления и повышения полезной мощности активных экзоскелетов; использования инновационных материалов и технологий и др.
Примечания
Литература
- Mosher R. S. Handyman to Hardiman // SAE transactions. – 1968. – Vol. 76. – P. 588–597.
- HARDIMAN I prototype for machine augmentation of human strenght and endurance / Engineering Psychology Programs Off. Naval Air Systems Command. – New York : General Electric Company, 1971.
- Экзоскелеты. Анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования. Монография. Ч. 1 / С. Ф. Яцун, С. И. Савин, О. В. Емельянова [и др.]. – Курск : Юго-Западный государственный университет, 2015.
- A Semi-active Exoskeleton Based on EMGs Reduces Muscle Fatigue WhenиSquatting / Wang Zhuo, Wu Xinyu, Zhang Yu [et al.] // Frontiers in Neurorobotics. – 2021. – Vol. 15. – 625479.
Интернет-ресурсы
- Yagn N. Patent № 406,328 Apparaus for facilitating walking, running, and jumping. Patented July 2, 1889.
- Yagn N. Patent № 420,178 Apparaus for facilitating walking and running. Patented Jan. 28, 1890.
- Yagn N. Patent № 420,179 Apparaus for facilitating walking, running, and jumping. Patented Jan. 28, 1890.
- Yagn N. Patent № 440,684 Apparaus for facilitating walking, running, and jumping. Patented Nov. 18, 1890.
- Профессиональные заболевания опорно-двигательного аппарата при работе, связанной с физическим перенапряжением и микротравматизацией // Клинский институт охраны и условий труда.
- Единые типовые нормы выдачи средств индивидуальной защиты в зависимости от идентифицированных опасностей : Приложение 2 к приказу Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации от 29 октября 2021 г. № 767н «Об утверждении единых типовых норм выдачи средств индивидуальной защиты и смывающих средств» // Консультант Плюс.
- ГОСТ Р 12.4.306-2023. Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты опорно-двигательного аппарата. Экзоскелеты промышленные. Классификация. Термины и определения. – Москва : Российский институт стандартизации, 2023.
- ProExo.