Homo Extensis. Expandiendo las capacidades humanas o cómo combinar humano y robot

Como escribimos anteriormente , una de las áreas prioritarias del trabajo de nuestro laboratorio son los exoesqueletos industriales.

Cuando escuchamos la palabra exoesqueleto, la imagen de Robert Downey Jr. invariablemente se eleva frente a nosotros, vestido con la armadura de oro púrpura de Iron Man, elevándose en las nubes y dispersando a los enemigos de la humanidad de izquierda a derecha.

Los exoesqueletos existentes y en desarrollo hoy en día aún no son capaces de levantar cargas de varias toneladas, volar en la estratosfera y desarrollar velocidades supersónicas, pero ¿tal vez no se les exige?

¿Qué es un exoesqueleto?

La norma internacional ISO 13482: 2014 (en) Robots y dispositivos robóticos: los requisitos de seguridad para los robots de cuidado personal clasifican los exoesqueletos como robots de asistencia que se adhieren al cuerpo humano durante el uso, a los que se hace referencia comúnmente como robots de ropa. El Laboratorio de Investigación de las Fuerzas Terrestres de los EE. UU. Realizó una encuesta entre desarrolladores y operadores de robótica sobre qué es la "robótica vestida", durante la cual todos los encuestados estuvieron de acuerdo:

1. Estas son herramientas robóticas portátiles, cuyos elementos se fijan directamente al operador humano;
2. Estas son herramientas robóticas que descargan físicamente al operador, le brindan apoyo físico y aumentan sus habilidades físicas.

Por lo tanto, un exoesqueleto es un dispositivo mecánico portátil (usado en una persona) o un paquete de software mecatrónico con elementos de estructuras antropomórficas, diseñado para multiplicar las capacidades físicas de una persona duplicando y apoyando sincrónicamente la actividad motora de este último. Hablando de multiplicar las habilidades físicas, nos referimos no solo a los Juegos Olímpicos “¡Más rápido! Arriba! ¡Más fuerte! ”, Pero también más saludable, más resistente, más eficiente, técnicamente más correcto. El exoesqueleto está diseñado para ayudar a las personas a superar algunas de sus barreras fisiológicas existentes, combinando así la inteligencia, la creatividad, la adaptabilidad y la capacidad de aprendizaje de un trabajador humano con la fuerza, la resistencia y la precisión de un robot trabajador. En esta sección, el exoesqueleto también es un tipo peculiar de robótica colaborativa.

La historia y evolución de los exoesqueletos.

El progenitor de un exoesqueleto puede considerarse un elastiped. Elastiped: un dispositivo diseñado para facilitar caminar, correr y saltar para uso militar. El autor de esta invención es el inventor ruso Nikolai Aleksandrovich Yagn (1849 - 1905). A finales del siglo XIX, desarrolló y patentó varias modificaciones del exoesqueleto pasivo "Elastiped" .

El primer intento de desarrollar un exoesqueleto de energía fue realizado por especialistas de General Electric a principios de los años 60 del siglo XX. Un proyecto llamado Hardiman fue encargado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. En el curso del proyecto, se desarrollaron una plataforma de dos vehículos y un manipulador con una transmisión electrohidráulica, cuyo diseño fue para proporcionar la posibilidad de levantar una carga con un peso total de hasta 680 kg.
Elastiped N. A. Yagna, boceto

Un inconveniente significativo del diseño del exoesqueleto fue la vibración que ocurrió durante la operación, lo que provocó que el dispositivo se volcara repetidamente durante las pruebas. No se han realizado pruebas con el operador.
Como resultado, la investigación se centró en el desarrollo de uno de los manipuladores del exoesqueleto. A pesar de que los desarrolladores lograron alcanzar la capacidad de carga objetivo de 750 libras (340 kg), la masa del dispositivo en sí era casi tres cuartos de tonelada, que era más de dos veces la masa de la carga útil elevada.
No fue posible superar los defectos de diseño del dispositivo, como resultado, en 1971 el proyecto Hardiman se cerró debido a la falta de perspectivas para su desarrollo posterior [https://en.wikipedia.org/wiki/Hardiman]. A la derecha está el prototipo del exoesqueleto Hardiman.

En la década de 1970, el científico yugoslavo Miomir Vukobratovich creó un exoesqueleto prototipo con un accionamiento neumático, que se suponía que ayudaría a las personas paralizadas a recuperarse. En los años 80, Vukobratovich presentó su exoesqueleto a la URSS. Posteriormente, científicos rusos y europeos tomaron como base el proyecto de Vukobratovich al crear sus tecnologías. Entonces, a principios de la década de 1980, apareció un exoesqueleto para personas con discapacidades del Instituto Central de Traumatología y Ortopedia N. N. Priorov. Curiosamente , el famoso proyecto ruso ExoAtlet es realizado por científicos que acaban de estudiar el proyecto Vukobratovich en la Universidad Estatal de Moscú.


Exoesqueleto de Miomir Vukobratovich

La falta de fuentes de energía compactas y seguras, la falta de componentes y controles de potencia efectivos impidieron significativamente el desarrollo de exoesqueletos. Solo a mediados de la década de 2000 comenzó a hacerse realidad la idea de crear un "traje de poder". Por ejemplo, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) inició el desarrollo de exoesqueletos en 2001 como parte del programa Exoskeletons for Human Performance Augmentation. La agencia financió $ 50 millones a varios participantes a través de un programa de cinco años. Como parte del programa, se desarrolló el sistema Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) de Sarcos Research de Salt Lake City, Utah, como resultado de un mayor refinamiento y modernización del cual se introdujo el exoesqueleto de poder de tamaño completo XOS2 , introducido por el gigante de defensa Raytheon (quien adquirió Sarcos Research en 2007 año) en septiembre de 2010.
Fuente - Tecnología del Ejército

Actualmente, los temas del exoesqueleto se están convirtiendo en una de las áreas de robótica de servicios que se desarrollan más dinámicamente; docenas de organizaciones científicas y empresas industriales en varios países del mundo se dedican al desarrollo de sus propios complejos de exoesqueletos, incluidos los EE. UU., Japón, Israel, Alemania, China, Francia, Nueva Zelanda, Noruega , Reino Unido, Corea del Sur, Italia y Rusia.

¿Por qué exactamente exoesqueletos industriales?

Un análisis de la experiencia mundial nos permite concluir que en este momento hay tres áreas clave de aplicación de módulos y complejos de exoesqueleto basados ​​en ellos:

• exoesqueletos militares;
• exoesqueletos y exoesqueletos de rehabilitación para compensar la falta de movilidad de las personas con discapacidad;
• exoesqueletos para uso industrial.

Hoy, la dirección de los exoesqueletos industriales es de gran interés, y hay varias razones para esto.

Razón # 1: el aspecto del mercado

Las herramientas robóticas portátiles diseñadas para su uso en la producción industrial se están convirtiendo en el área de mayor uso comercial de la tecnología exoesquelética.

La dinámica del mercado mundial de exoesqueletos en el período de 2015 a 2017 con un pronóstico para 2018-2020. de acuerdo con IFR


Un pronóstico segmentado del desarrollo del mercado de exoesqueletos para 2023-2024. Basado en una investigación de Global Markets Insight y Markets & Markets .

Los exoesqueletos para el trabajo y la industria pueden usarse en sitios de construcción, en diques secos, en fábricas, almacenes e incluso en salas de cirugía. La introducción de tales dispositivos proporciona la solución a tres tareas comerciales críticas:

a) aumentar la productividad laboral y reducir la complejidad de las operaciones de producción manual;

b) una reducción en el volumen de pagos sociales y de compensación asociados con la ocurrencia de lesiones laborales y enfermedades ocupacionales de los trabajadores en las unidades de producción;

c) proporcionar motivación adicional para los empleados, lograda creando condiciones de trabajo más cómodas.

En la última presentación de la Wearable Robotics Association, el Dr. Joseph Hitt describió los exoesqueletos para producción y construcción como la "fruta que cuelga" del mercado exoesqueleto, lo cual es bastante cierto, porque en comparación con la rehabilitación o los exoesqueletos militares, hay una serie de áreas como los trajes industriales ventajas significativas:

a) el círculo de consumidores es extremadamente amplio y no se limita a un grupo específico específico de compradores potenciales, además, el público objetivo incluye muchas de las corporaciones manufactureras más grandes con un alto nivel de solvencia, que en el futuro podrán comprar millones de exoesqueletos industriales para sus trabajadores;

b) hasta la fecha, en este nicho, todavía no hay líderes claros y autoridades universalmente reconocidas;

c) no existen barreras administrativas y legislativas para la entrada al mercado;

d) requisitos de rendimiento más suaves (en comparación, por ejemplo, con soluciones militares similares), la ausencia de restricciones asociadas con la base de componentes utilizada, como resultado, un menor costo tanto de desarrollo como de fabricación.

Razón # 2: el aspecto social

Incluso en las empresas modernas de fabricación de alta tecnología, como parte de los procesos de producción, hay muchas operaciones que son bastante difíciles de automatizar. Según la Fundación Europea para la Mejora de las Condiciones de Vida y de Trabajo, hasta el 64% de los trabajadores altamente calificados dedican casi tres cuartos de su tiempo de trabajo a levantar y transportar diversos productos. Los especialistas en producción constantemente tienen que recurrir al uso de mano de obra, como resultado de lo cual están expuestos a factores nocivos que aumentan la probabilidad de lesiones, principalmente el desarrollo de varios tipos de trastornos musculoesqueléticos, que siguen siendo una de las enfermedades profesionales más comunes en la Unión Europea. Esto, a su vez, conduce a un aumento en el costo de mantener a los trabajadores durante los períodos de su discapacidad y a una disminución de la productividad laboral en la empresa en su conjunto. Según la Fundación del Trabajo, hoy en día unos 44 millones de trabajadores de la UE sufren anormalidades musculoesqueléticas, que en total causan pérdidas a la economía europea, estimadas en más de 240 mil millones de euros. Y estos son solo países de la UE. [ Van der Vorm, Johan; O`Sullivan, Leonard; Nugent, Rachel; de Looze, Michiel. Consideraciones para desarrollar normas de seguridad para exoesqueletos industriales .

Razón # 3: el aspecto tecnológico

Los exosuits industriales son mucho menos sensibles a las limitaciones tecnológicas características de toda la industria del exoesqueleto.

a) A diferencia de los exoesqueletos militares destinados al uso en campo y marcha en condiciones de autonomía energética completa, los exoesqueletos industriales están destinados principalmente a ser utilizados en talleres, almacenes, líneas de producción, etc. Debido a esto, los requisitos para las fuentes de energía autónomas que suministran las unidades de accionamiento activas de los exosuits se reducen, además, debido a la disponibilidad de redes eléctricas, la necesidad de todo tipo de baterías y sistemas de generación desaparece durante una hora. Esto es especialmente cierto para los exoesqueletos con accionamiento hidráulico, como evita la necesidad de colocar estaciones móviles de petróleo directamente en la caja del exoesqueleto, lo que a su vez elimina una serie de dificultades asociadas.

b) El nivel de requisitos para un sistema de control para un exoesqueleto industrial es significativamente más bajo que para una solución similar para uso médico o militar. Por un lado, un operador de exoesqueleto es una persona sin discapacidad, lo que significa que puede usar herramientas técnicas en su trabajo con órganos e interfaces de control "tradicionales", como joysticks, paneles táctiles, interfaz de voz y otros, como resultado no requiere un aprendizaje complicado, costoso y Soluciones de interfaz de alta tecnología, como, por ejemplo, una interfaz de neurocomputadora. Por otro lado, la velocidad y precisión de las reacciones a la acción de control en un exoesqueleto industrial no es tan crítica como en un exoesqueleto militar, porque en condiciones de hostilidades, dos a tres décimas de segundo de retraso en la retroalimentación simplemente pueden costarle la vida al operador. Las condiciones para el uso de exoesqueletos industriales a menudo no son tan críticas.

Cabe señalar que los puntos anteriores no deben confundirlo: los problemas de energía, la gestión ergonómica eficiente y el uso seguro son los pilares de toda la industria de los exoesqueletos, y los exoesqueletos industriales no son una excepción, solo decimos que el nivel de requisitos Estos aspectos tecnológicos en este caso particular pueden ser significativamente menores, lo que por supuesto depende, entre otras cosas, de las condiciones y detalles de la aplicación.

Clasificación de exoesqueletos industriales

Por su diseño, los exoesqueletos industriales se pueden dividir en exoesqueletos de la parte superior o inferior del cuerpo, así como exoesqueletos de tamaño completo.

Por la naturaleza del impacto de la fuerza en pasivo (no equipado con soluciones de accionamiento, el soporte y la descarga en tales casos se lleva a cabo mediante el uso de varios tipos de amortiguadores, resortes, balanzas, etc.) y activos, que a su vez se pueden dividir en subgrupos dependiendo del tipo de utilizado Soluciones de accionamiento (electromecánicas, hidráulicas, neumáticas, combinadas).

Los exoesqueletos activos también se pueden dividir en autónomos y no autónomos, dependiendo de la estructura del sistema de suministro de energía.

Dependiendo de su propósito, los complejos de exoesqueletos para el trabajo y la industria se pueden dividir en 6 categorías :

• Exoesqueletos para sujetar la herramienta: estos exoesqueletos consisten en un hombro con resorte, una palanca mecánica en la que se monta la herramienta de trabajo. La palanca está conectada al módulo exoesqueleto de la parte inferior del cuerpo y al sistema de contrapeso, mientras que el peso del instrumento se transfiere al suelo. En su mayor parte, los exoesqueletos de este tipo son pasivos, sin embargo, existen soluciones similares con unidades en la parte inferior

.

• Sillas sin silla: estos son exoesqueletos ligeros que se pueden fijar en la posición más conveniente para el operador, lo que reduce la fatiga y la fatiga del trabajador durante el trabajo prolongado en una posición vertical o simplemente estática (por ejemplo, en la posición semi-en cuclillas).

• Exoesqueletos para apoyar la espalda: estos exoesqueletos pueden mantener una postura adecuada y reducir el estrés en los músculos de la espalda y la columna al inclinarse y levantar objetos.

• Guantes Exo: guantes mecanizados que pueden ayudar a los trabajadores a sujetar con fuerza sus pesadas herramientas manuales. También hay dispositivos de acción inversa que ayudan a los trabajadores que tienen problemas fisiológicos con la apertura natural de la palma a abrir los dedos con un guante exoesquelético.

• Exosuits de tamaño completo: hace varios años se creía que se usarían exosuits pesados ​​de tamaño completo para resolver problemas de producción. Ahora, la mayoría de los desarrolladores han cambiado a soluciones más compactas y altamente especializadas, sin embargo, los proyectos de exoesqueletos de gran tamaño continúan desarrollándose.

• Módulos robóticos que complementan a los humanos: módulos exoesqueléticos que proporcionan al trabajador un segundo par de manos. Dos o más brazos robóticos montados en el operador montados en el cuerpo se utilizan para sostener herramientas o piezas de trabajo en su lugar.

¿Quién diseña o fabrica hoy exoesqueletos industriales?
Corea del sur
Construcción naval de Daewoo e ingeniería marina
Hyundai Motor Company

Los eeuu
Sarcos / raytheon
Lockheed martin
Bionicks estadounidenses
Ekso Bionics Holdings, Inc.

Japón
Panasonic - Activelink
Ciberdina
Honda
Industrias pesadas de Mitsubishi

Francia
Robot Gobio

Nueva zelanda
Laevo

Suiza
Noonee AG

Israel
Sistemas Rotbot

Rusia
Exochair

El texto fue preparado por Albert Efimov e Igor Orlov del Laboratorio de Robótica Sberbank.