Экзоскелет «Норникеля»: как он таким стал

Владислав Давыдов – главный менеджер центра развития цифровых технологий компании «Норникель», рассказал в блоге компании на Хабре о разработке и испытаниях промышленного экзоскелета.

Возможно, вы уже знаете, что «Норникель» ведет разработку промышленного экзоскелета. У вас могли возникнуть закономерные вопросы: Почему экзоскелет именно такой? Как мы к этому пришли и какие результаты получаем?

Ожидания и реальность

Как может выглядеть промышленный экзоскелет горно-металлургической компании? У людей завышены ожидания от промышленных экзоскелетов. И это можно было бы не считать проблемой при отсутствии таких ожиданий у потребителя. Люди, в основном, черпают представления об экзоскелетах из фантастических фильмов, книг, видеоигр и т.д. Это нормально, но стоит учитывать данный факт.

А как у других?

В мире экзоскелетостроения немало решений: от простых текстильных моделей до внушительных Guardian XO от компании Sarcos Robotics.

Зададим себе несколько вопросов:

• Для каких целей и среды разрабатывался экзоскелет?

• Какие требования к нему предъявлялись?

• Какую цель преследует разработчик/заказчик?

Это избавит нас от предположений, что нечто подобное Guardian XO будет применимо в условиях тяжелой промышленности, для него стандартные дверные проёмы и лестничные пролеты могут оказаться малы, к примеру. Значит нужны более простые и компактные изделия.

Не стоит гладить кошку против шерсти

Экзоскелеты, которые подразумевается использовать сейчас или в ближайшем будущем, предназначены для работы в уже сложившихся условиях среды. Что это значит?

Экзоскелет должен делать труд легче, снижая нагрузку на организм работника, а не позволять брать больше и бросать дальше.

Незачем создавать экзоскелет, позволяющий легко и быстро поднимать центнер, это, как минимум, запрещено существующими нормами труда. Мы не сможем использовать его потенциал полностью, а за то время, пока меняются или создаются стандарты, нынешние экзоскелеты устареют и будут разрабатываться новые. Важно внимательно следить за грядущими технологическими и нормативными изменениями в области экзоскелетов или быть их соавтором.

Да, как правило, сначала появляются новые разработки, а потом их догоняют нормативные/регламентирующие документы.

ГОСТ на экзоскелеты

В этом году вступит в силу ГОСТ Р «… Средства индивидуальной защиты опорно-двигательного аппарата. Экзоскелеты промышленные. …».

Создание стандарта является важным этапом для формирования более точного представления об экзоскелетах, которые действительно существуют/могут существовать и применяться в реальной жизни.

В разработке стандарта принимала участие рабочая группа подкомитета «Промышленные экзоскелеты» (ПК 11) технического комитета «Средства индивидуальной защиты» (ТК 320) на базе ФГБНУ «НИИ МТ», в состав которой я вхожу как представитель «Норникеля».

К составлению ГОСТа были привлечены разработчики экзоскелетов, чтобы формулировки составлялись с пониманием дела. Нам, как разработчику и, одновременно, потребителю, очень полезно принимать участие в составлении стандарта, чтобы полностью понимать текущие обстоятельства, заранее подготовиться к будущим изменениям и внести вклад в подготовку стандарта на базе своего опыта.

Нынешний ГОСТ ассоциируется у меня с замороженными пельменями (полуфабрикат). Для приготовления пельменей потребуется, как минимум, кастрюля, вода и что-то способное разогреть это.

Чтобы ГОСТом можно было пользоваться в полной мере, нужна утвержденная методика сертификации промышленных экзоскелетов. Сейчас ФГБНУ «НИИ МТ» руководит разработкой такой методики и испытательного стенда для экзоскелетов. В данной работе тоже принимает участие рабочая группа ПК11 ТК320.

Допустим, методика со стендом – это вода.

Теперь нам нужна кастрюля – лицензированные сертифицирующие центры, которые будут оценивать соответствие промышленных экзоскелетов ГОСТу, согласно методике и при помощи испытательного стенда.

Что-то разогревающее – разработчики промышленных экзоскелетов, которые будут заказывать у кастрюли приготовление пельменей… т.е. у сертифицирующих центров оценку соответствия ГОСТу.

Такие вещи не появляются внезапно, это достаточно длительный процесс. Он запущен – это хорошо.

ГОСТ описывает лишь нормативные рамки, в которые должен будет вписаться промышленный экзоскелет. Далее всё зависит от специфики задач и условий, для которых он предназначен.

Анализ условий среды

Важно максимально точно определить роль экзоскелета в его области применения.

Требуется понять, что именно он будет (и не будет) делать:

1. Определите технологические операции, где экзоскелет должен принести пользу;

2. Выделите в этих операциях общие или очень похожие характерные особенности и действия;

3. Выделите (если вы их нашли) уникальные особенности и действия для каждой технологической операции;

4. На основе анализа двух предыдущих пунктов сформулируйте задачи экзоскелета;

5. Не забудьте выделить зоны, где экзоскелет должен влиять значительно, в средней степени или совсем никак не влиять (значит – не мешать).

Внимание к деталям

Для примера рассмотрим частный случай условий трудового процесса слесаря-ремонтника, анализ которого выполнялся специалистами НИИ «Медицины труда».

Длительность рабочей смены слесаря-ремонтника составляет 8 часов с перерывом на обед 40 мин. В течение смены предусмотрены перерывы длительностью 10 мин каждый час работы.

– Все временные интервалы важны для формулирования требований к автономности экзоскелета.

Рабочий день слесаря-ремонтника начинается с 45-минутной предсменной «планерки», где он получает производственное задание на рабочую смену. По прибытии на рабочее место проводится его осмотр, подготовка инструмента, установка ограждений, предупреждающих знаков – на всё это есть 30 мин.

– Помним об автономности и о выделении этапов, где экзоскелет особенно нужен (или должен не мешать).

Слесарь-ремонтник использует следующие инструменты:

• приспособления для переноски труб;

• молоток (массой 3,50 кг) или кувалду (массой 5,00 кг);

• средства подмащивания;

• средства пожаротушения (ведро с песком или с водой, в зависимости от места выполнения работ, массой 5,00 кг);

• элементы временного ограждения;

• элементы визуализации.

При сварочных работах применяется:

• шлифовальная машина (массой 3,50 кг);

• напильник (массой 0,42 кг);

• металлическая щетка (массой 0,11 кг);

• электроудлинитель.

В случае выполнения работ на улице – дизельный или бензиновый генератор (массой 15 кг), который переносят к каждому новому участку трубы 2 работника (в среднем за смену до 5 раз).

При выполнении фланцевого соединения труб используются:

• гаечный ключ размером 24х27 мм (массой 0,29 кг);

• гайковерт (массой 3,33 кг);

• соединительные болты (массой 0,35 кг) и гайки (массой 0,12 кг).

– В подобных деталях можно выделить критичные моменты в части эргономики. С каким инструментом и оборудованием работает специалист. Нужно ли предусмотреть карманы для инструмента, какое место их расположения будет удобным и т.п.

В процессе всей работы слесарь проводит 15% времени смены в вынужденной рабочей позе (на корточках), 15% – в неудобной позе и оставшееся время – «стоя».

Наклоны корпуса тела более чем на 30° работник совершает при подъеме труб, рабочего инструмента и метизов.

Перемещение за рабочую смену по горизонтали составляет 8000 м, по вертикали – 500 м.

– Также помним про этапы, где экзоскелет очень нужен (а где не очень). Нужно, чтобы экзоскелет был комфортен при работе в различных позах и движениях, а также при ходьбе. Важно отметить предельные показатели: углы наклона частей тела, длительность ходьбы.

Наиболее часто выполняется монтаж линии трубопровода. Перед началом работ слесарь доставляет со склада необходимые трубы (расстояние переноса составляет около 200 м). Они складируются на расстоянии не далее, чем на 5 м от начальной точки работ.

Рабочая зона, в пределах которой осуществляется ручная транспортировка оборудования, включает препятствия:

• Пороги (высотой от пола ~0,03-0,15 м);

• Рельсы (высотой от пола ~0,04 м);

• Люки (высотой от пола ~0,03 м).

В пределах рабочей зоны находятся:

• Смотровые канавы;

• Рельсы (высота от пола – 0,04 м);

• Ограничивающие железнодорожные башмаки (высота от пола – 0,17 м);

• Провода и иные неровности полов и малозаметных препятствий на пути передвижения, увеличивающие риск падения человека.

– Учитываем это для обеспечения необходимой подвижности и проходимости экзоскелета. Важно, чтобы ноги экзоскелета имели минимум выпирающих элементов, были достаточно устойчивыми и подвижными, чтобы работник мог максимально комфортно перемещаться в экзоскелете.

Масса оцинкованной трубы диаметром 100 мм, длиной 3 м и толщиной 5 мм равна 35 кг (40 кг с фланцем). Перемещение труб осуществляется двумя слесарями, т.е. на каждого из них приходится нагрузка по ≈ 18,50 кг ( ≈ по 20 кг с фланцем). От места складирования до места сварки слесарь осуществляет перенос трубы на 5 м, с каждым новым участком расстояние переноса увеличивается на 3-4 м. Перемещение за рабочую смену по горизонтали составляет 3000 м.

– Отмечаем форм-фактор грузов и характер манипуляций с ними. Это понадобится для организации удобного крепления грузов на экзоскелете и работы с ними. У текстильных «экзоскелетов», в подавляющем большинстве случаев, вообще не предусмотрена возможность закрепления груза на конструкции, т.к. в их области применения это не будет полезно.

Максимальные нагрузки на работника отмечены во время подъёма груза и производстве работ в статических позах (часто неудобных), когда работнику требуется спозиционировать груз и удерживать его в заданном положении, пока выполняется монтаж.

– Обозначили наиболее значимые этапы для влияния экзоскелета на процесс работы.

(микро)климат на рабочем месте

В арктической зоне в зимнее время года на улице отрицательная температура воздуха. Режим работы на морозе регулируется трудовым кодексом. Важно исключить контакт работника с металлическими элементами системы креплений экзоскелета. Понятно, что работник одет по погоде и в экзоскелете ему жарко не будет.

Широко известный факт: газлифты, заправленные обычным сжатым воздухом, приходят в негодность на морозе. Из воздуха конденсируется жидкость и не возвращается в газообразное состояние, значит давление газа снижается безвозвратно.

В нашем экзоскелете есть газлифты.

В цеховом помещении, где температура, в среднем, составляет 22-23 °С, в экзоскелете может быть жарко. Это тоже следует предусмотреть, т.к. в «жарком» экзоскелете работнику точно не будет легче.

Работнику должно быть легче в экзоскелете, чем без него. Каким бы высокотехнологичным и многофункциональным экзоскелет не был, всегда нужно учитывать правило: не удобно – значит не работает. У вас не будет желания работать с неудобным инструментом.

Таким образом, стоит оценить ряд важных параметров:

• Где актуально использовать экзоскелет, какие особенности нужно учитывать;

• Условия работы;

• Используемый инструмент, особенности экипировки;

• Рабочий материал (грузы);

• Комфорт управления экзоскелетом;

• Как быстро и правильно надеть, и настроить экзоскелет;

• Как правильно поднимать груз;

• Техника переноса грузов;

• Безопасность работника.

Модификация экзоскелета – попытка решить старые проблемы, не создавая новые

Так как существует ограниченность ресурсов, мы сводим свои возможности с условиями эксплуатации экзоскелета и нашими требованиями к нему в единый непротиворечивый документ — техническое задание (ТЗ).

А в нашем случае, ТЗ нужно строить ещё и на опыте испытаний текущей модели. Поэтому важно, чтобы оно не вышло жестким — потеряем пространство для манёвра. Но и слишком абстрактное ТЗ допустить нельзя — мы же не делаем новый экзоскелет, а модифицируем старый, абстракции в таком случае грозят провалом.

ТЗ было составлено по следующим принципам:

• Сохранение пространства для инженерных изысканий — свежий взгляд всегда полезен;

• Обеспечение разработчиков всей информацией о нашем опыте взаимодействия с экзоскелетом, в том числе организация прямой связи с потребителем (коллегами из ООО «Норильскникельремонт», которые уточнят наши требования, задачи и условия).

Уже при первом обсуждении задачи со специалистами АО НТЦ «РОКАД» мы получили от них массу уточняющих вопросов.

Вот некоторые из них:

«Зачем ходить в экзоскелете по лестнице?»

— Нужно соблюдать правило трёх точек опоры при перемещении по лестнице. Значит экзоскелет переносить в руках нельзя. А хранить экзоскелеты у места проведения работ не получится.

«Зачем в нем идти до места работ, может, проще его принести туда и там надеть?»

— Если при ходьбе без груза экзоскелет не мешает, то лучше идти в нем, чем нести его в руках. Плюс, правило трёх точек опоры на лестнице.

«Может, стоит сделать складные ноги, чтобы его как рюкзак принести к месту работ?»

Тут мы договорились сделать отключаемые газлифты, чтобы ноги экзоскелета постоянно не складывать и комфортно ходить без груза.

Следующим этапом стала доставка нашего экзоскелета, нескольких различных грузов (разных задвижек фланцевых) и командировка с производственниками к «РОКАДу». Где состоялось подробное обсуждение текущей модели экзоскелета и требований к новой.

Эксклюзивный кадр с места событий. В экзоскелете главный инженер ПО «Норильсктрансремонт», верхом сидит главный конструктор «РОКАДа». Фотограф — коллега, начальник управления, отвечающего за расследование нарушений ТБ в ООО «Норильскникельремонт».

На протяжении всей разработки мы регулярно не только обсуждали «успеваемость», но и дискутировали о предлагаемых решениях, советовались с производственниками.

Уверен, что разработанный новый экзоскелет получился лучше того, который я сначала представлял себе. Это именно то, чего нужно было добиться.

— Почему я так решил? Что‑то было понятно уже в ходе создания модели, что‑то в ходе испытаний на себе только‑только собранного прототипа.

Первая проба

Как только экзоскелет был собран (отладка детально не проводилась, и «косметика» не наносилась), мы прибыли к «РОКАДу» и опробовали аппарат на себе.

В экзоскелете переносили задвижки, просто ходили, приседали, бегали. Оценивали удобство управления лебедкой, манипуляций с механическими переключателями и замками регулировок. В целом проверяли удобство посадки экзоскелета на человеке. Результат нас порадовал. Мы дали комментарии инженерам по всему, что смогли опробовать в экзоскелете.

Стоит не забывать, что экзоскелет был вот-вот собран и, конечно, там были небольшие проблемы, но мы понимали их причину. Поэтому уделили внимание именно тем аспектам, которые в меньшей степени (или в минимальной) зависят от готовности сборки. Считаю, что это был очень удачный ход. Иначе, мы могли бы получить уже у себя на территории экзоскелет с ощутимыми проблемами, которые сразу нужно исправлять, а значит – везти его обратно и потерять намного больше времени и ресурсов, сравнительно с командировкой к «РОКАДу».

Небольшое приключение

После первых испытаний экзоскелета, в этот же день (четверг), до нас дошла информация, что Мишустин М.В. – Председатель Правительства РФ посетит Норильск на следующей неделе. Конечно, у нас прошла мысль о немалом шансе сорваться в следующую командировку. Пошутили, обсудили коротко и пошли отдыхать. Я ещё подумал, что точно не буду там нужен.

На следующий день я уже оформлял командировку в Норильск и организовывал туда доставку нового экзоскелета. Аппарат доставили из Санкт-Петербурга до Норильска за один день (не моя заслуга).

Приключение состоит не в срочности поездки, а в готовности экзоскелета. Его собирали для проверки механики, её нормальной сопрягаемости и адекватности работы алгоритмов управления. Грузоподъемность аппарата была ограничена 25 кг. Несущая деталь, соединяющая голень и стопу экзоскелета была напечатана на 3Д-принтере из Ultem, что вносило заметную долю непредсказуемости. Эти два факта меня смущали и в «РОКАДе» переживали, что экзоскелет не готов.

Однако, это не первый опыт демонстрации «ещё горячих» экзоскелетов. Когда я работал в университете, принимал участие в разработке предыдущих версий экзоскелета и в его демонстрациях на различных мероприятиях…у аппаратов постоянно отваливались ноги целиком, иногда прямо по сварочному шву. Нам удавалось это аккуратно скрыть подручными средствами.

Когда экзоскелет прибыл в Норильск, коллеги сообщили что у него отвалилась нога. По горячим следам мы нашли причину – выпала ось тазобедренного шарнира… в Санкт-Петербурге. Виной тому сильная спешка, банально забыли деталь закрепить. Я в Москве, экзоскелет в Норильске, ось в Питере. «РОКАД» срочно выслал деталь и крепеж мне ближайшим «Сапсаном» до вокзала, откуда я уже отвез её в Норильск и вернул всё на место.

У нас была в Норильске старая рабочая модель экзоскелета – не что, что хотелось показывать. И мы не собирались сильно нагружать новый аппарат, поэтому всё должно было пройти хорошо. Так и было, в чём большую роль сыграл Виктор Диконенко – главный инженер ПО «Норильсктрансремонт», его опыт испытаний и демонстраций экзоскелета позволил избежать возможных проблем.

Новый экзоскелет — какой он?

Обратимся к проблемам, которым экзоскелет противостоит (для чего он):

1. Условия среды, которые трудно изменить:

   • Наличие стесненных условий на месте производства работ;

   • Ограниченная мобильность стандартных грузоподъемных средств, их не повсюду получается использовать.

2. Высокие физические нагрузки:

   • Необходимость систематически переносить тяжести в руках;

   • Работа в неудобных, статических вынужденных позах.

3. (На добавку) Дефицит рабочих кадров.

   Согласно обзору Банка России «Мониторинг предприятий» от октября 2023 года, добывающая отрасль находится в тройке лидеров по дефициту персонала.

В процессе подготовки к изготовлению мы столкнулись с рядом трудностей, которые подтолкнули нас отказаться от «полностью понятной» фрезеровки в пользу 3Д-печати металлом. Были определенные опасения насчет прочности, но, пока, проблем с ней не было замечено. А напечатано было все что имеет сложную форму: детали шарниров, узлов регулировки, привода и т.д.

Отдельно хочу похвалить специалистов «РОКАДа» за то, что они снизили вес экзоскелета на 2 кг и уменьшили его габариты. Картинка ниже показывает, насколько они смогли изменить профиль лебёдки. Помимо этого, удалось избавиться от всех деталей узлов регулировки, выпирающих из экзоскелета.

Исследования в лаборатории НИИ Медицины труда

Нам важно предпринять меры для профессиональной оценки влияния экзоскелета на организм работника. Мы заинтересованы сделать аппарат безопасным и полезным.

По ходу испытаний экзоскелет несколько раз выходил из строя, поломки оперативно устранялись. Та самая «непредсказуемая» напечатанная деталь таки сломалась, но продержалась достаточно долго. Напомню, что это был всё тот же спешно собранный экзоскелет, прошедший быструю ревизию после путешествия в Норильск.

Вот эта деталь:

Пришлось оперативно заменить её на новую, напечатанную из PLA на моем домашнем 3Д-принтере. Расположена она была под 45 градусов к двум осям координат (OxOy – эти оси «лежат» на столе принтера) и успешно прожила до прибытия уже металлической новой детали. Такое расположение модели при печати было способом увеличить прочность детали за счет более выгодного расположения слоев.

Как проходили испытания:

1. Испытатель подходит задвижке (вес 21 кг);

2. Присаживается и крепит задвижку к экзоскелету, встаёт;

3. Разворачивается на 180 градусов;

4. Идет 5 метров к столу;

5. Стоит 10 секунд в наклоне 30 градусов от вертикали;

6. Ставит задвижку на стол и стоит 10 секунд;

7. Потом несет задвижку обратно.

Это один цикл.

И так 2 подхода по 2 часа с одним перерывом между ними 30 минут. Получалось около 70 циклов за один день испытания.

В другой день испытатель работает по тому же циклу, но без экзоскелета.

 

Также с испытателя «снималась» биомеханика при помощи инерциальной системы, подобной применяемой для спецэфектов на киносъемках. Это нужно было для анализа свободы движений в экзоскелете и без него.

Общий объем работ кратко и ёмко изложен на картинке ниже:

По ходу испытаний мы анализировали проблемные места экзоскелета и продумывали правки в конструкции и алгоритмах его работы. Уже скорректированные экзоскелеты будут отправлены в Норильск для исследований на производстве.

Отмечу, что нам удалось исключить сдавливание позвоночного столба за счет подвижности жилета и переработки конструкции пояса. Получилось избавиться от заметного проворачивания «спины» экзоскелета относительно туловища человека во время подъема и переноса груза, что приводило к нежелательному проседанию конструкции. Это позволило добиться необходимой управляемости экзоскелета, сильно связанной с комфортом при ходьбе.

Такой результат стал для нас доступен благодаря достаточно большому количеству разных по «массогабаритным» характеристикам испытателям. Постоянные наблюдения за исследованиями позволили выявить подводные камни, которые были нами не замечены.

— Почему они были не замечены до исследований?

— Наша ошибка состояла в небольшой разнице «массогабаритных» характеристик немногочисленных испытателей (включая меня и коллег из «Норильскникельремонт»). Мы, в силу своей комплекции, не замечали перекосов конструкции. На нас экзоскелет сидел хорошо, ничего не «гуляло» и не «подкашивалось».

Наши планы

«Норникель» – крупная горно-металлургическая компания, которая планирует обеспечить свои предприятия необходимыми промышленными экзоскелетами. Для достижения такой цели требуется организовать их серийный выпуск, техническую поддержку и гарантийное обслуживание. Такая задача привела нас к партнерству с ГК ТехноСпарк (ГК — группа компаний). Проект будет передан Партнеру для дальнейшего развития и поддержки экзоскелета в качестве готового продукта. Сейчас мы совместно готовимся к выпуску пилотной партии новых экзоскелетов, чтобы опробовать их на промышленных площадках Норникеля, «обкатать» изготовление и обслуживание с дальнейшим запуском их серийного производства. Первую сотню экзоскелетов планируем получить в 2024 году.