Пассивный экзоскелет: как работает, виды и что показали исследования

ГОСТ Р 12.4.306-2023 делит промышленные экзоскелеты на три класса, и только пассивный совсем обходится без источника энергии. Стандарт действует с 1 ноября 2023 года. Промышленным экзоскелетом он называет носимое средство индивидуальной защиты, которое компенсирует или перераспределяет нагрузку на опорно-двигательный аппарат. Классы различаются тем, как изделие использует внешний источник энергии: оно бывает активным, полуактивным или пассивным.

Пассивный тип не использует источник энергии ни для основных, ни для сервисных функций. Сервисными ГОСТ называет настройку, регулировку и контроль основных функций. Полуактивный экзоскелет тратит энергию только на них, а у пассивного даже регулировка ручная: степень поддержки Paexo Back, например, меняют поворотной ручкой.

Ещё стандарт делит экзоскелеты по защищаемой области: для верхних и нижних конечностей, для шейного, грудного и пояснично-крестцового отделов позвоночника и комбинированные. Защищают они от динамических нагрузок, от статических или от тех и других сразу. Пассивные модели выпускают для поясницы, плеч, шеи, кисти и ног.

Вместо привода у пассивной модели стоит элемент, который запасает энергию: механический накопитель, эластомеры или тросовая тяга. Он забирает энергию, когда человек наклоняется, приседает или поднимает руки, и отдаёт её на обратном движении. Своей силы у экзоскелета нет. Он возвращает часть того, что вложил сам работник, и переносит нагрузку с уязвимых зон на более сильные мышцы ног.

Поясничный Paexo Back устроен как рюкзак: нагрузка опирается на плечи и через каркас уходит на бёдра. Накопитель запасает энергию, пока человек наклоняется, и отдаёт её, когда он поднимается. Механический блок на уровне таза отличает наклон от ходьбы: стоит работнику пойти, и поддержка отключается сама, чтобы не мешать шагу.

Мягкие модели обходятся без жёсткого каркаса. X-Soft, по описанию разработчиков, состоит из гибкого основания повышенной прочности, распределённой системы эластомеров и корсета. У X-Rise для верхней части тела нагрузку на мышцы ног перенаправляют механизмы сгибания-разгибания.

Плечевая модель держит не груз, а руки. Когда человек работает над головой, Paexo Shoulder тросовой тягой передаёт вес поднятых рук на бёдра. Монтажнику, который подолгу крепит панели к потолку, такая опора снимает часть статической работы с плеч, хотя деталь он по-прежнему держит сам.

Пассивные модели проще всего различать по зоне, которую они разгружают. В таблице собраны примеры из описаний производителей и исследований: у каждой зоны свой механизм и своя типичная операция.

В обзор 2016 года попали 26 промышленных экзоскелетов, и только 7 из них были пассивными, все для поясницы. Жёсткая модель вроде Paexo Back весит около 4 кг. Мягкий X-Soft легче: по словам создателей, 2,5 кг. Поставщик X-Soft на предприятия «Норникеля» предлагает и женскую модель.

Каркас и мягкую конструкцию сравнили в опыте 2026 года: 26 здоровых взрослых раз за разом поднимали груз с жёстким и с мягким пассивным поясничным экзоскелетом. Разницы между моделями не нашли ни по одному показателю. Выбирать приходится по массе, удобству и характеру операции. Тем, кто работает стоя с лёгкими грузами, Ottobock предлагает отдельный мягкий пояс Paexo Soft Back.

Плечевые модели нужны там, где руки подолгу подняты: когда монтируют снизу, работают над головой и выше плеч. Paexo Shoulder весит 1,9 кг и носится близко к телу, как рюкзак. Шейную опору Paexo Neck производитель сравнивает с гамаком: человек откидывает на неё голову, когда монтирует потолки или что-то осматривает.

Для кисти выпускают отдельные модули. Paexo Thumb разгружает большой палец на сборке, где детали защёлкивают, соединяют и вставляют разъёмы: усилие уходит на всю кисть. Paexo Wrist поддерживает запястье, когда тяжёлый предмет поднимают и удерживают.

Пассивный экзоскелет для ног работает как носимый стул: на его опоры можно присесть прямо у рабочего места. В опыте 2019 года 45 здоровых мужчин в трёх 21-минутных сериях имитировали работу: завинчивали, монтировали кабель, ставили клипсы. Экзоскелет принимал на себя до 64 % массы тела.

Ноги при этом разгружаются неравномерно. Когда испытуемые сидели на опорах, мышца бедра vastus работала примерно на 95–135 % активнее, чем стоя, а икроножная примерно на 25 % слабее. Дискомфорт по 11-балльной шкале они оценили примерно в 1,3 балла, когда сидели в экзоскелете, и в 0,5 балла, когда стояли без него.

Активный экзоскелет использует источник энергии для основных функций, то есть помогает приводом. В обзоре 2016 года активные модели снижали активность мышц до 80 %, а пассивные поясничные на 10–40 %. Пассивная модель слабее, зато легче, и заряжать её не нужно. Как устроены активные модели, разобрано на отдельной странице. Здесь только сравнение.

Когда Ottobock выводила Paexo Back на рынок, компания утверждала, что разгрузку до 25 кг обычно дают только приводные системы на аккумуляторах, а они заметно тяжелее и сложнее в работе. Это оценка производителя, а не результат независимого сравнения.

В лаборатории пассивные поясничные модели в целом показывают себя хорошо. Авторы обзора 2021 года нашли 20 исследований пассивных и 13 активных поясничных экзоскелетов. С экзоскелетом мышцы спины работали слабее, а пиковый момент в сегменте L5/S1 и сжатие позвоночника снижались. Выносливость при подъёме и статическом наклоне росла, но там, где нужна ловкость, производительность падала.

В опыте 2026 года сравнили сразу две пассивные модели. С жёстким экзоскелетом испытуемые тратили на 13,9 % меньше энергии, с мягким на 9,4 % меньше, а тяжесть работы ощущали на 14,4 и 9,5 % слабее. Нагрузка на сердце, которую оценивали по двойному произведению, упала на 8,1 и 6,5 %. Активность мышц корпуса и живота заметно не изменилась, а после задания обе модели показались людям менее удобными.

Остаётся главный вопрос: переносится ли результат из лаборатории на участок? В исследовании 2021 года плечевые ShoulderX и Skelex испытали четыре рабочих. В изолированных задачах активность верхней части трапециевидной мышцы падала до 46 %, а на реальном участке, где поднимали лобовые стёкла массой 13,1 и 17,0 кг, только до 26 %.

Поясничные модели берут на склады и в логистику. Paexo Back создавали для работников склада: спину там, по словам производителя, нагружает в том числе погрузка и разгрузка фур с посылками. Экзоскелеты Ottobock, как перечисляет компания, работают в авиастроении, автопроме, пищевой промышленности и судостроении.

Пассивный экзоскелет для грузчика подбирают под то, что делают на складе: поднимают с пола, переносят, работают над головой. Как выбирать модель и какие нормы подъёма груза действуют, разобрано на странице «экзоскелет для грузчиков».

Пример из машиностроения: завод двигателей «КАМАЗ». В августе 2023 года там начали опытную эксплуатацию двух пассивных экзоскелетов российского производства, судя по фото, это X-Soft. Один отдали на подсборку турбокомпрессоров по 25 кг: за день рабочим нужно перенести сотню таких деталей с места хранения к столу и обратно, а это, как прикинул инженер, больше двух тонн за смену. Второй достался термогальваническому производству. Там в агрегаты загружают шестерни и валы до 15 кг, и за смену на каждого работника приходится тонна груза.

По словам инженера завода, перерывов на отдых стало меньше, а производительность выросла. Это наблюдение участка, а не замер. Покупать ли новые экзоскелеты, завод обещал решать по отзывам рабочих.

Пассивная модель возвращает только ту энергию, которую человек сам вложил, когда наклонился или поднял руки. Груз от этого легче не становится. Поэтому тяжёлые и частые подъёмы честнее снять с рук механизмом. Если деталь тяжелее, чем можно безопасно поднять вручную, её вес принимает манипулятор-балансир. Большой однотипный поток коробов или мешков забирает паллетайзер, а окупится ли такая замена, можно оценить в калькуляторе роботизации.

Вторая граница: подвижность. В задачах, где нужна ловкость, поясничные модели снижали производительность, а носимый стул проверяли на работе у одного места. На участке, где много ходят и часто меняют позу, пользу пассивной модели стоит сначала проверить пилотом.

Единые типовые нормы выдачи СИЗ относят экзоскелеты к группе «Опасность физических перегрузок»: их выдают дополнительно по результатам оценки профессиональных рисков. Поводом служат чрезмерные усилия, когда предметы поднимают и перемещают, стереотипные движения, статические нагрузки и неудобная поза, в том числе наклоны корпуса более чем на 30°. Норму на год берут из документов изготовителя.

Авторы исследования плечевых моделей советуют, прежде чем внедрять экзоскелет, замерить углы в суставах на рабочем месте и проверить модель пилотом на участке: от этих углов зависит, как сильно поддерживает пассивная модель. Как проверять, показано на схеме.

АзатРоботикс экзоскелеты не продаёт. Купить пассивный экзоскелет можно у производителей и их дистрибьюторов, а российские производители экзоскелетов собраны на отдельной странице. Для ориентира: в 2020 году Ottobock назвала цену Paexo Back 5 900 евро, аренда стоила от 69 евро в месяц.

В обзоре 2016 года все пассивные модели поддерживали только поясницу. Десять лет спустя у производителей есть модели для плеч, шеи, кисти и ног, а российский стандарт выделяет пассивные экзоскелеты в отдельный класс. Основные даты собраны на шкале.

• Лаборатория и участок. Поясничные модели проверяли в основном в лаборатории, на здоровых молодых мужчинах. Плечевые на реальной операции снижали активность трапециевидной мышцы только до 26 %, а в изолированных задачах до 46 %.
• Побочные эффекты. У части испытуемых сильнее работали мышцы живота и ног, менялись углы в суставах, а в задачах на ловкость падала производительность. На носимом стуле мышца бедра vastus работала примерно на 95–135 % активнее, чем стоя.
• Удобство. После работы и жёсткую, и мягкую поясничные модели сочли менее удобными. ShoulderX получил высокие оценки дискомфорта в плече. Внедрять экзоскелеты мешают дискомфорт, масса устройства и несовпадение с анатомией.
• Позы. Насколько пассивная модель поддержит, зависит от углов в суставах, поэтому без замера и пилота на участке результат не предсказать.
• Цифры производителей. Разгрузку «до 25 кг» и «30–37 %» называют сами производители, а не независимые испытания. Про «выносливость выше на 83 %» у X-Rise пишет «Норникель», и дату на этой странице не указали.
• Мало долгих данных. Авторы опыта 2026 года пишут: чтобы понять, держится ли эффект на реальном производстве, нужны длительные полевые исследования.