Сергей Апресов

Текст

«Господь Бог создал людей, а полковник Кольт сделал их равными» - эта крылатая фраза прославляет изобретателя револьвера — оружия, которое дает человеку любой комплекции шанс сражаться на равных. Экзоскелет решает ту же задачу, но уже в мирной жизни

Нас было двое. Первый подопытный — ​профессиональный спортсмен, регбист, культурист и тренер по фитнесу. Второй подопытный — ​журналист, который никогда в жизни не носил ничего увесистее диктофона… и тяжелых мыслей о том, как сильно миру не хватает устройства, превращающего очкарика с отточенной компьютерными играми реакцией в Железного Человека.

Устройство принес Максим Скоков, заместитель генерального директора компании с длинным названием «Ростех — ​Доверенные Платформы Робототехнические Комплексы» (сокращенно «РТ-ДП РК»). Послужной список у разработчика внушительный, под стать наименованию. Фирма создавала колесные роботизированные платформы для армии, прорабатывала с различными спецподразделениями применение коптеров, устанавливала на беспилотники гранатометы и огнеметы: «Шмель», «Приз», «Бородач».

И вот человек, с 2016 года обучавший коптеры плеваться огнем, закатывает на съемочную площадку чемодан на колесиках и достает из него экзоскелет, предназначенный исключительно для мирного применения.

Опытный образец пассивного экзоскелета компании «РТ-ДП РК»

Опытный образец пассивного экзоскелета компании «РТ-ДП РК»

Неправильный вес

Чтобы облачиться в опытный образец экзоскелета, требуются посторонняя помощь и доля везения: текущий каркас сделан «по лекалам» Максима, и чтобы он хорошо работал, желательно иметь похожие пропорции, рост и размер ноги. Шарниры «клетки» должны располагаться точно напротив суставов и иметь с ними общую плоскость вращения. К примеру, если у оператора ноги колесом, это должно быть учтено в конструкции экзоскелета. В будущем появятся механизмы тонкой настройки, чтобы каркас адаптировался под пользователя. Пока же наоборот: пользователю приходится подстраиваться под каркас, корректируя привычную походку.

«Подопытному два» чуть больше везет с антропометрическими параметрами, и он радостно шагает к зеркалу, спеша увидеть себя в образе Тони Старка. Затем экзоскелет надевает «подопытный один», чтобы продемонстрировать «подход к снаряду»: отточенными движениями он выполняет становую тягу и пару упражнений с гантелями. Экзоскелет не мешает, но и не помогает: на тест-драйв приехала пассивная версия без электродвигателей. В чем тогда смысл?

Блокировка коленного сус­тава позволяет пользователю буквально усесться на желаемой высоте

Блокировка коленного сус­тава позволяет пользователю буквально усесться на желаемой высоте

Смысл есть, и немалый. Его трудно оценить в спортзале: упражнения со свободными весами специально рассчитаны, чтобы давать телу «правильную», максимально безопасную нагрузку. Экзоскелет призван защитить человека от нагрузок «неправильных», которые в реальной жизни встречаются на каждом шагу. Представьте себе рабочего, ремонтирующего железнодорожные пути. У него в руках электроинструмент (болгарка) весом около 20 кг. С этой ношей приходится наклоняться к рельсам сотни раз за смену и надолго застывать в такой позе, нагружая мышцы спины и позвоночник. Ни один культурист себе такого не позволит. И рабочий тоже не должен.

Попробуем. Берем 20-килограммовую гирю и наклоняемся. Сначала становится тяжело, затем страшно, а потом… легко. Эластичные ремни, соединяющие кисти рук и плечи, полностью растягиваются — ​руки можно расслабить. Под грузом предательски сгибается спина, но в ответ ее разгибает пружинящий элемент, который тянется вдоль позвоночника к бедренному упору. Как только все силы приходят в равновесие, висящая где-то впереди гиря ощущается как хорошо отрегулированный туристический рюкзак. А для рюкзака 20 кг — ​уже не так много.

В отличие от регулируемых сидений, блокировка суставов облегчает работу в самых разнообразных позах

В отличие от регулируемых сидений, блокировка суставов облегчает работу в самых разнообразных позах

Дальше — ​больше. Стоя на согнутых ногах, поворачиваем регуляторы газовых упоров ножного модуля. Коленные суставы фиксируются, и нижняя часть экзоскелета превращается в «табурет». На него можно буквально сесть: под пятой точкой закреплена деревянная банкетка. Вес гири (пардон, воображаемого электроинструмента), предварительно снятый с рук и спины, передается на ножной каркас и «уходит в пол». Удобно устроились? Работаем!

Вкалывают роботы или человек

«От нас как разработчиков постоянно ждут какого-то голливудского шоу. В реальности экзоскелеты наиболее эффективны для узкоспециализированных производственных задач, которые, как правило, рутинны и травмоопасны, — ​говорит Максим Скоков. — ​Примерно четверть производственных травм связано с перегрузками различного рода, прежде всего физическими. А из них 70% приходится на опорно-двигательный аппарат. Неслучайно Минпромторг относит экзоскелеты к средствам индивидуальной защиты, а Центр медицины труда прямо сейчас составляет два ГОСТа, описывающих, как подобная техника должна защищать здоровье сотрудников».

Коленный сустав блокируется и разблокируется с помощью вентилей на гидроцилиндрах, управляемых вручную

Коленный сустав блокируется и разблокируется с помощью вентилей на гидроцилиндрах, управляемых вручную

Если экзоскелеты вводятся в федеральную нормативно-правовую базу, значит, на них уже имеется спрос со стороны крупных и средних производств. Желая улучшить эффективность труда, промышленники в первую очередь задумываются о роботизации, то есть о полном исключении человека из производственного процесса. Однако роботы хороши для простых и часто повторяющихся операций. Если работник конвейера делает, скажем, три операции по очереди, то заменить его, скорее всего, смогут только три робота. Но даже если один умный робот сумеет заменить трех человек, ему все равно понадобится настройка и обслуживание, то есть услуги высококвалифицированного и высокооплачиваемого специалиста.

Экзоскелеты упрощают не только рутинный труд. «Нашим первым гражданским заказчиком был владелец стоматологической клиники, — ​рассказывает Максим Скоков, — ​он много лет занимается зубными имплантами. Во время операций, которые длятся до шести часов, у врача устают ноги, спина, шея, руки». Статические нагрузки характерны для очень многих профессий. Во всех этих случаях может помочь экзоскелет. Правда, его эффективность трудно оценить, просто примерив. Нужно отработать смену, день или два, чтобы понять: внешний каркас снимает как минимум половину усталости.

Отдельные модули «спина» и «ноги» работают и по отдельности. Соединяясь, они образуют единый силовой каркас

Отдельные модули «спина» и «ноги» работают и по отдельности. Соединяясь, они образуют единый силовой каркас

Поднять груз единожды и носить его целый день — ​большая разница. Непонимание этого часто приводит к травмам. Поэтому, согласно СНиП, иметь дело с грузом больше 15 кг уже вредно, а поднимать 50 кг и больше можно только вдвоем. Но что делать, если хочешь в одиночку перетаскивать автомобили? В Голливуде ответ давно знают: поможет активный экзоскелет.

О миллисекундах свысока

Экзоскелет состоит из четырех компонентов: каркас, система приводов, интерфейс управления и система питания. У пассивных экзоскелетов есть только первый элемент, и уже этого достаточно, чтобы перераспределять нагрузку и даже запасать энергию тела и груза в упругих элементах, а в нужный момент ее использовать. Стоит добавить к конструкции электроприводы, как появляется необходимость и в аккумуляторах, и в управляющей электронике. Последний пункт ​самый сложный.

«Делая пассивные экзоскелеты, мы всегда предусматриваем возможность превратить их в активные, если на рынке появятся эффективные решения в области управления. Множество подобных систем находится в разработке, но пока что ни одна из них не позволяет комфортно управлять экзоскелетом».

Упругие элементы экзоскелета в будущем могут быть заменены на активные электрические компоненты

Упругие элементы экзоскелета в будущем могут быть заменены на активные электрические компоненты

Ключевая проблема сегодняшних интерфейсов — ​задержка. Она составляет какие-то сотые или даже тысячные доли секунды, но и это слишком много: чтобы совершать сложные движения и держать баланс, человеческий мозг управляет конечностями «на опережение». Экзоскелет же всегда «догоняет» оператора: датчики считывают, какое движение совершает пользователь, и дают команду приводам повторить его.

Совершенствование датчиков — ​ключевое направление развития активных экзоскелетов. Их разновидностей довольно много. Тензодатчики похожи на те, что применяются в электрических весах. Они измеряют давление, которое пользователь прикладывает к своему механическому «костюму». Недостаток тензодатчиков в том, что они требуют плотного контакта с экзоскелетом и весьма приблизительно считывают направление движения.

Несущие и упругие компоненты экзоскелета сделаны из металлических труб и композитных материалов

Несущие и упругие компоненты экзоскелета сделаны из металлических труб и композитных материалов

Миодатчики регистрируют электрическую активность, возникающую при напряжении мышц оператора. Они требуют непосредственного контакта с кожей. Мышц в человеческом теле много, поэтому, чтобы верно определить направление движения, нужно использовать большое количество дорогих датчиков и очень точно позиционировать их на теле. Сложная компьютерная обработка сигнала выливается в значительную задержку.

«РТ-ДП РК» разрабатывает тензомагнитную систему управления. В ней на конечности оператора надеваются браслеты с магнитной жидкостью внутри. Деформация браслета ведет к изменению магнитного поля, которое фиксируется несколькими магнитными трекерами. Система позволяет точно определять направление деформации (а значит, и движения) с минимальной задержкой в 10 мс.

Активные экзоскелеты уже используются в сфере, где оперативность управления не важна. Речь идет о реабилитационной медицине. Российское устройство ExoAtlet помогает частично парализованным людям снова научиться ходить. Экзоскелет движется сам, и пациент вспоминает ощущение ходьбы, разрабатывает мышцы, восстанавливает нервные связи. В какой-то момент помощь машины уже не требуется.

Максим Скоков
Максим Скоков, Заместитель генерального директора компании «Ростех — ​Доверенные Платформы Робототехнические Комплексы»

В прошедшем году мы впервые ощутили очень большой интерес к экзоскелетам. Многие предприятия исследуют методику применения экзоскелетов, тестируют образцы и пытаются внедрять их на производстве. Серьезная проблема заключается в том, что пока еще на рынке отсутствуют стандарты оценки эффективности экзоскелетов. Пассивные образцы не дают «вау-эффекта», их польза проявляется после длительной эксплуатации в реальных условиях. Соответствующие методики нужно разрабатывать. Но факт в том, что пассивные экзоскелеты уже можно и нужно внедрять. По нашим прогнозам, активные экзоскелеты получат распространение в промышленности уже в конце года, в том числе и наши модели. Это будет не костюм Железного Человека, а узкоспециализированные устройства для решения конкретных задач. Года через два или три, максимум лет через десять экзоскелеты станут неотъемлемой частью производственного процесса. Выходя на смену, рабочий будет надевать экзоскелет так же, как сейчас надевает каску

Гениальная уборка

Спортзал, красивая локация для съемки, оказался сомнительным местом для тестирования экзоскелета. Здесь и так все делают правильно: держат спину прямо, распределяют нагрузку на ноги… Но вот убрать снаряды по местам — ​это уже интереснее. Поднять гирю с пола, пронести десяток метров и опустить на низкую выступающую полку. Снять со штанги «блин», повернуться на 360 градусов и повесить на стойку. Уборка подразумевает нефизиологичные наклоны, повороты, шаги, и экзоскелет исправно страхует от травм «подопытного один» и «подопытного два». Оба грузят на равных. «Великий уравнитель» действует.

Редакция благодарит Студию персональных тренировок «Анатомия» за помощь в организации съемки. Модель Джамиль Нафиков.

Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 4, 2021, Борис Хигрин