Активный экзоскелет: как работает, модели и что показали исследования

ГОСТ Р 12.4.306-2023 действует с 1 ноября 2023 года. Промышленный экзоскелет он называет носимым средством индивидуальной защиты, которое компенсирует или перераспределяет нагрузку на опорно-двигательный аппарат. Основная функция такого изделия — снимать статические и динамические нагрузки, сервисная — настраивать, регулировать и контролировать основную.

По тому, как изделие расходует внешнюю энергию, стандарт выделяет три класса. Активный экзоскелет тратит её на основную функцию, полуактивный только на сервисные, пассивный не использует ни для тех, ни для других. Проще говоря, в активной модели мотор сам помогает поднять груз или удержать наклон. У полуактивной энергия уходит лишь на настройку и контроль.

Производители не всегда держатся этих терминов. «Норникель» называет свои экзоскелеты со вспомогательным электроприводом активно-пассивными и приравнивает их к полуактивным по ГОСТ. Поэтому класс конкретной модели сверяют по эксплуатационной документации, а не по названию в каталоге.

Активную модель собирают из трёх частей: каркаса или пояса, который передаёт усилие на тело, привода с аккумулятором и системы управления с датчиками. Конструкции различаются тем, где стоит привод и как он понимает, что задумал человек.

Поясничные модели носят как рюкзак. Так German Bionic описывает EXIA: он помогает поднимать, опускать, переносить и грузить, а также работать в наклоне. Японский HAL Lumbar Type for Labor Support весит 3,1 кг вместе с аккумулятором, работает около 4,5 часа и заряжается около 2 часов.

Аккумулятор даёт свободу: HAL можно носить где угодно, без привязки к кабелю. Минус тоже очевиден. Заряд кончается раньше смены, и участку нужны запасные аккумуляторы или перерыв на зарядку.

Труднее всего понять, какое движение начинает человек. Без этого привод не поможет плавно. Обзор промышленных экзоскелетов 2016 года называет распознавание намерения одной из помех для активных моделей, наряду с массой устройства и совмещением с анатомией.

Производители решают задачу по-разному. HAL считывает биоэлектрические сигналы мышц и помогает движению по намерению пользователя; уровней поддержки у него пять, кнопок управления три. Apogee ULTRA и EXIA подстраиваются под человека и задачу с помощью машинного обучения, а новые функции получают обновлениями по воздуху.

Распознавать приходится и саму задачу. В опыте 2020 года активный поясничный экзоскелет с постоянным моментом снизил общую активность поясничных мышц при переноске до 12 %, но примерно на 10 % сократил размах движений в тазобедренном и коленном суставах. Вывод авторов: активная модель должна распознавать задачу и под каждую держать свой алгоритм.

Российский ExoHeaver Active Electric устроен иначе. Приводов в его каркасе нет, груз поднимает лебёдка с электроприводом от аккумулятора. Такую схему выбрали, чтобы уменьшить массу и размер аккумулятора.

Работник выпускает тросы, приседает, цепляет груз и встаёт, а лебёдка поднимает его не выше уровня груди. Управляют ею кнопками пульта, и всё это время на экзоскелете горит индикация. Датчик не даёт поднять больше 60 кг: тяжёлый груз может перевесить человека, а противовес увеличил бы габариты. Сам экзоскелет весит 22 кг.

Серийных активных моделей немного, и данные о них публикуют в основном сами производители. В таблице собраны четыре модели, у которых характеристики опубликованы на сайтах изготовителей и разработчиков.

Цифры из таблицы напрямую не сравнить. German Bionic указывает поддержку при подъёме, то есть ту часть усилия, которую берёт на себя привод. У ExoHeaver 60 кг — предел для лебёдки, которая поднимает груз целиком, а по данным «Норникеля» активно-пассивный экзоскелет принимает на себя до 90 % нагрузки.

У последних образцов ExoHeaver есть бортовой компьютер и датчики оксида серы, хлора, освещённости и температуры. Приложение German Bionic Connect считает шаги, поднятый вес и время работы. Активный экзоскелет постепенно превращается в источник данных об условиях труда.

Для Apogee ULTRA German Bionic называет логистику, производство, строительство, обработку багажа и здравоохранение. Аэропорт Нюрнберга ввёл экзоскелеты German Bionic для наземных служб: грузчики багажа каждый день перекладывают сотни чемоданов, отдельные весят до 32 кг. Аэропорт Маастрихт-Ахен первым в Нидерландах начал каждый день обрабатывать грузы в EXIA.

ExoHeaver «Норникель» разрабатывал с 2019 года под своё производство и суровые арктические условия. Испытывали его вместе с учёными НИИ медицины труда имени академика Н. Ф. Измерова. Экзоскелет помогает поднимать и удерживать груз и поддерживает тело при долгой работе в наклон или на согнутых ногах.

Отдельная большая тема — склады и погрузка мешков, коробок и бочек. Какие модели подходят для такой работы и как с ними соблюдают нормы подъёма груза, разобрано в статье «экзоскелет для грузчиков».

В обзоре 2016 года описаны 26 промышленных экзоскелетов, из них 19 активных и 7 пассивных. Активные модели снижали активность мышц до 80 %, пассивные поясничные — на 10–40 %. Это верхние границы из разных опытов и задач, а не обещание для конкретного участка.

Обзор 2021 года нашёл 13 исследований активных и 20 пассивных поясничных экзоскелетов. Испытывали их в основном в лаборатории, на здоровых молодых мужчинах. Выносливость при подъёме и статическом наклоне выросла, но в задачах на ловкость люди работали хуже, а у части испытуемых сильнее нагружались мышцы живота и ног.

С реальных участков данные приходят в основном от производителей. German Bionic пишет, что у компаний с её экзоскелетами больничных стало на 31 % меньше. Это цифра из пресс-релиза, а не независимого исследования.

Пассивный экзоскелет не использует источник энергии ни для основных, ни для сервисных функций. Его устройство, модели и исследования разобраны на отдельной странице. Ниже главное, чем он отличается от активного.

Если операция однообразная и повторяется в одной позе, обычно начинают с пассивной модели: ей не нужна зарядка. Активную рассматривают, когда задачи на смене меняются (подъём, опускание, переноска, работа в наклоне) и поддержка должна подстраиваться под движение.

Если груз тяжёлый, одинаковый и всё время берут его на одном месте, экзоскелет может и не понадобиться. Такую операцию часто передают манипулятору-балансиру или автоматизируют целиком.

В России промышленный экзоскелет считается средством индивидуальной защиты. Единые типовые нормы выдачи СИЗ (приказ Минтруда от 29.10.2021 № 767н) относят экзоскелеты к группе 9 «Опасность физических перегрузок»: их выдают дополнительно к обязательным СИЗ по результатам оценки профессиональных рисков. Основания — чрезмерные усилия при подъёме и перемещении предметов, стереотипные движения, статические нагрузки и неудобная поза, в том числе наклоны корпуса больше чем на 30°. Нормы выдачи на год определяют документы изготовителя.

Сам ГОСТ Р 12.4.306-2023 задаёт классификацию, термины и определения. Поэтому безопасность активной модели сверяют по её собственным сертификатам. HAL Lumbar, например, сертифицирован на соответствие ISO 13482, стандарту безопасности роботов для ухода за человеком, и европейской директиве о машинах.

АзатРоботикс экзоскелеты не продаёт и не поставляет. Серийные активные модели доступны не везде: HAL Lumbar Type for Labor Support продаётся только в Японии. ExoHeaver «Норникель» разрабатывал вместе с НТЦ «Рокад» и курской компанией «ЭкзоМед».

Главные даты по данным научного обзора, производителей, «Норникеля» и стандарта собраны на шкале ниже.

• Лаборатория вместо участка. Поясничные экзоскелеты испытывали в основном в лаборатории, на здоровых молодых мужчинах; обзор 2021 года просит полевых исследований.
• Побочные эффекты. У части испытуемых сильнее работали мышцы живота и ног, менялись углы в суставах, в задачах на ловкость падала производительность. В опыте с переноской активная модель сократила размах движений в тазобедренном и коленном суставах примерно на 10 %.
• Масса и управление. Внедрять активные модели мешают масса устройства, совмещение с анатомией и распознавание намерения человека. Активно-пассивный ExoHeaver весит 22 кг.
• Заряд и условия. HAL Lumbar работает от аккумулятора около 4,5 часа, рассчитан на температуру 0–40 °C, рост пользователя 140–180 см и массу 40–80 кг.
• Цифры производителей. Поддержку «до 36 кг» и «до 38 кг» и снижение больничных на 31 % называет German Bionic, а не независимые испытания. У страницы «Норникеля» нет даты публикации.
• Стандарты. ГОСТ Р 12.4.306-2023 задаёт классификацию и термины; требования к безопасности активной модели смотрят в её сертификатах.