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.
Комментарии (44)
beho1der
05.04.2023 13:54Насколько понял из конструкции, основное предназначение это работа с тяжелыми предметами на весу, а например перемещению их особо не помогает?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54Все зависит от контекста. В основной массе работ далеко носить грузы не требуется. Мы ограничились переносом грузов на расстояние до 200 метров, в таких рамках помощь тоже ощущается.
Медицинские исследования покажут нам более точную и сухую картину.
Pokolo
05.04.2023 13:54+15Если помогает стоять то и перемещать поможет, человеческая хотьба это суть попеременное стояние на разных ногах.
Интесно проводилось ли сравнительное тестирование:
экзоскелета
дополнительной порции мяса на обед
гаражного крана
tlv
05.04.2023 13:54+4все-таки перепроектировать производственные помещения так, чтобы к каждому месту где где надо какую-то болванку открутить/прикрутить, можно было с гаражнам краном подъехать, вряд ли будут.
Tim7456
05.04.2023 13:54+61) Я еще добавлю, что с такими колесиками в большинстве производственных помещений кран не проедет. На складах специально пол ровняют, чтоб такие подъемники катать можно было.
2) В большинство мест ни стрела, ни крюк не дотянутся, т.к. нет возможности для маневра. В результате именно рабочий и будет держать деталь при монтаже и прочем.
3) Про мясо - вы смеетесь? Нормально рабочие на производстве питаются. На проф медосмотре избыточный вес гораздо более частая проблема, чем недостаточный.
2PAE
05.04.2023 13:54+1Вот чем люди питаются? Много жиров и углеводов. 95% уверен что в рационе недостаток белков. От этого часто избыток веса.
Не верите? А вы сами попробуйте съедать в день 1.6 грамма белков на килограмм веса. Не самая простая задача.
Поэтому предложение увеличить в рационе животных белков, очень хорошее предложение.
losyashich Автор
05.04.2023 13:54+2Дополнительная порция мяса не снизит высокие нагрузки на организм и его износ.
Кран в стесненных условиях не применить. Экзоскелет предполагается использовать там, где другие вспомогательные средства не применимы - не могут пройти, не поместятся, не удобны и т.д..
2PAE
05.04.2023 13:54+1Осталось добавить возможность паркура, и вуаля!
Как тебе такое Илон Ма... То-есть Бостон Дайнемик?
Да и, Илон Маск!
agat000
05.04.2023 13:54+1Насколько этот обвес затрудняет обычную ходьбу и движения? То есть просто пройти 200м например, сесть, поднять с пола предмет.
losyashich Автор
05.04.2023 13:54Экзоскелет пассивный, поэтому старая версия немного затрудняла ходьбу, более явно это ощущается при ходьбе без груза. Механическому элементу нужно сначала накопить энергию, а потом её отдать. В любом пассивном экзоскелете есть такой нюанс - "работает в одну сторону".
Этот факт мы не оставили без внимания и предусмотрели возможность "отключения" механического элемента, чтобы он не мешал во время ходьбы без груза.
somepower
05.04.2023 13:54+4Душа радуется за отечественные разработки.
Есть защита от поломки лебедки? Человек сможет отпрыгнуть от груза летящего на пальцы ног?
Рассматривали ли вы как альтернативу. Экзоскелет с поддержкой предплечья, без карабинов и лебёдки?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54Лебедка имеет защиту. При поломке привода груз не упадет на ноги. Обслуживание экзоскелета будет предполагать поддержание несущих элементов в рабочем состоянии. Грузоподъемная оснастка избавит от необходимости закреплять грузы несущим тросом лебедки, повышая его сохранность.
Отпрыгнуть можно. Можно даже пробежаться в экзоскелете.
В подобной конфигурации экзоскелет с поддержкой предплечья не имеет смысла. Есть более легкие варианты с поддержкой предплечья, которые лучше подходят.
massdriver
05.04.2023 13:54+2Очень хорошая идея, здорово уже проработанная, буду следить)
Несколько вопросов возникает с уровней рядового работника, бригадира, мастера и выше. Ответы на некоторые увидел, но тем не менее здесь напишу и как идеи авторам, и как заметки маркетологам в дальнейшем.
Насколько просто в освоении? Есть защита от дурака? Много ли возможностей для доработок? Варится? Магнитится? Почём сдать можно? Как дружит с алкоголем, курением?
Можно ли легко и быстро восстановить работоспособность поврежденного устройства? Насколько транспортабельно?
Какие цифры по стоимости, по ценности? Чем это лучше, допустим, того же гаражного крана, или промальп обвязки? Поднять вдвоём и подложить кирпичей как один из сценариев использования - почему экзоскелет лучше?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54+3Экзоскелет разрабатывался в первую очередь для предприятий Норникеля, что накладывает ряд требований. Мы разработали программу обучения, она простая. Защита от дурака есть, в целом мы постарались сделать экзоскелет максимально доступным для понимания и максимально недоступным для экспериментов с его уничтожением))
Glen5
05.04.2023 13:54+1Помню раньше основная проблема была с суставами - если экзоскелет достаточно свободен в суставах, то нагрузка могла передаваться в неестественных направлениях, если закреплен жестко, то мог приводить к вывихам.
Как-то решили эту проблему?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54+2Это основная боль, с которой мы боролись. Существенно облегчает задачу определение области применения. Универсальный экзоскелет, пока что, сделать невозможно.
На данный момент, конструкция достаточно устойчива и сохраняет хорошую управляемость. Мы сейчас работаем с НИИ МТ для более точной оценки экзоскелета по части его влияния на работника.
oleg_rico
05.04.2023 13:54+5Как же приятно прочитать такую статью.
Развитие экзоскелетов или вообще автономных телеуправляемых антропоморфных роботов - это обязательная часть будущего. потому что население стареет, а работв по перемещению грузов даже на бытовом уровне никуда не денутся.
Ну как же всё-таки хочется робота Ваську которому можно было всё сказать и он пошёл бы и сделал:)
domix32
05.04.2023 13:54+1А видео с ЭС будет?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54+2Короткое видео с канала Норникеля на ютубе: https://youtu.be/Y8pJc5VJ3us
oleg_rico
05.04.2023 13:54Немного обидно, что половина экрана, где самое интересное, затемнено, да ещё и надписи на не русском.
Daddy_Cool
05.04.2023 13:54+4Очень интересная тема! Позволю некоторую критику статьи.
1. Лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать - где видео с демонстрацией?
2. "Из негативного: претензии в основном к качеству конструкции прототипов" - что это означает? Плохо покрашены? Царапаются?
3. Как решается банальная задача - в одном углу лежит бумажный мешок с цементом весом 50 кг, надо его поднять и перенести в другой угол? Проблемы - как-то ухватить, центр тяжести оказывается далеко впереди, можно поднять с одного края и прижать к себе - но нужно не порвать мешок, и т.п...
4. Где сравнение с конкурентными разработками?
5. Статья перегружена как общими фразами так и излишними деталями.
Краткий вывод:
Сделан прототип который вроде-как-то работает.losyashich Автор
05.04.2023 13:54+2Короткое видео с канала Норникеля на ютубе: https://youtu.be/Y8pJc5VJ3us
К конструкции была масса претензий, от качества компонентов и сборки до острых кромок. Однако тестовый прототип не имеет смысла изготавливать на уровне серийного образца. Нам нужно было проверить идею не растягивая время на изготовление. Сейчас мы готовим аппарат хорошего качества, который будет выдерживать заданные нагрузки и иметь необходимый ресурс.
Грузоподъемная оснастка для этого предполагается. Но для перетарки мешков с цементом этот экзоскелет мы не предполагали использовать. Поднять груз можно из положения стоя. Закрепить его, встать и поднять при помощи лебедки.
На данный момент, нам не попадались аппараты, способные удовлетворить наши требования. А называть конкурентными разработки, у которых область применения отличается или немного пересекается с нашей, будет не совсем правильно.
Спасибо! Учту.
Daddy_Cool
05.04.2023 13:54Посмотрел видео.
1. Ох. Реклама в духе Голливуда. Затемнение на полэкрана. Чтобы что-то расмсотреть надо буквально по кадрам изучать видео.
Ощущение, что есть желание похвастатья и прорекламироваться, но ничего не показать, чтобы не сперли конкуренты.)))
Кстати - какая нагрузка непосредственно на человека? Как долго скелет надевать или э... залезать в него?
5. Это трудно учесть - нужна обратная связь по тексту, желательно от нескольких человек ), ну я тут слегка занудничаю, просто помню как раскритиковали первую версию моей популярной статью (не на Хабре), а я был сильно удивлен - как же так, я же всё понятно написал. Типа все же знают, что "посчитать" это оначает "провести численное моделирование", а "померять" - "провести физический эксперимент на установке" ))).
Protos
05.04.2023 13:54Правильно понимаю, что 8 часов таскать на спине 22кг и при этом безопасно поднимать/опускать груз менее опасно чем без экзоскелета?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54+1На спине 22 кг таскать не придется. Экзоскелет не висит всем весом на человеке. Конструкция,при правильной настройке, практически полностью опирается сама на себя.
Protos
05.04.2023 13:54То есть при каждой остановке для работы на одном месте нужно его установить, чтобы он взял на себя свой же вес? Я правда не разбираюсь в экзоскелетах, просто интересно.
Protos
05.04.2023 13:54Что за смартфон в руке у инженера? Про этот смартфон есть статья на Хабре?
losyashich Автор
05.04.2023 13:54Обычный планшет, на который выводились данные с экзоскелета, передаваемые по wi-fi.
Пережиток прошлого
Moomyrk
05.04.2023 13:54+2Прошу прощения, но мой вопрос не про экзоскелет, который вроде как с 2019 года показывается на Майнексах. Меня интересует факт существования "Центра развития цифровых технологий компании Норникель".
Просто больше трёх лет работал в Норильске, и почему такая звучная организация, не может начать свои разработки с создания или закупки нормального программного обеспечения для собственных геологов?
Сейчас, я пишу без какого-либо негатива, а просто с искренним недоумением. Вы пишите статью про старый прототип, пока ещё не доведённый до финала, но при этом ваша инновационная лаборатория живёт в стенах той же самой корпорации, где ребята работают на АРМ Геолог, страшном творении на базе Microsoft Access.
То есть ваши прорывы в технологиях и программа из 90-х, забагованная донельзя, требующая танцев с бубном, огромных трудозатрат для того чтобы геолог смог загрузить в базу информацию, которую вы даже как-то умудрились прикрепить к Micromine.
Сейчас ведутся какие-то работы по замене этого ПО на цифровые технологии? Ведь по сути вся корпорация до сих пор является горно-добывающим предприятием, и вроде по логике именно геологи и горянки должны стать первыми развиваемыми звеньями. Особенно в мире, где существует "АГР Документатор", MineVision и другие продукты, может не во всем удачные, но современные.
Hidden text
Для ребят, кто не имел дела с "АРМ Геологом" это программа существующая в нескольких интерфейсах под разные отделы, позволяющая загружать в базу данных информацию по скважинам и их опробованию. Функционал достаточно не плохой, но возможности удобства и пользовательского контроля на ранней стадии развития, не считая постоянно зависание, выбивание, самовыбросы программы. При этом почти полное отсутствие возможности дублирования однотипной информации.
В общем геолог тратит несоразмерное количество времени задача/выполнение на только внесение данных после отработанной смены, чтобы сделать заказы на опробование, которые невозможно получить пока программа АРМ не сожрет и не прогрузит информацию. И это если говорить только о версии для геологов рудников, а ведь есть геологи поверхностного бурения, для которых АРМ усложнен еще раз в двадцать и подрядчикам приходилось нанимать отдельного человека, а иногда двух на полные оклады, кто полные смены только и делает, что вносит данные геологов в базу. И этого человека еще надо было обучить, мы даже печатали инструкции, потому что нарушив порядок некоторых операций всё надо было начинать сначала, а для этого позвонить в техподдержку и запросить удаление и тд.
Добавим сюда что АРМ есть только на корпоративных машинах, и к этим алтарям ещё надо получить право доступа, и свои внешние компы подключить запрещено даже для ускорения работы. А еще программа имеет разные уровни доступа на разных рудниках, и не всегда то, что работало на одном, можно воплотить на другом.
Proydemte
Из какого материала сделана основная конструкция?
losyashich Автор
Алюминий весьма распространенной марки. Точно раскрыть марку не могу.
Proydemte
Есть примеры фидбэка от реальных пользователей? Как позитивного так и негативного?
losyashich Автор
Мы, примерно, 850 часов тестов провели.
Из негативного: претензии в основном к качеству конструкции прототипов и к отсутстивию оснастки грузоподъемной. В серийном аппарате эти проблемы решены будут.
Из позитивного: разгрузка спины и высвобождение рук, т.к. груз висит на экзаче; удобно занимать нужную позу и выполнять монтаж.
saga111a
Предположу что d16t или АД31/35 либо аналоги буржуйского названия.
PTM
скорее ад31Т6 либо аналогичные. д16т редкость в таких