Homo Extensis. Développer les capacités humaines ou comment combiner l'homme et le robot

Comme nous l'avons écrit plus tôt , l'un des domaines prioritaires du travail de notre laboratoire est les exosquelettes industriels.

Lorsque nous entendons le mot exosquelette, l'image de Robert Downey Jr. monte invariablement devant nous, vêtue de l'armure d'or pourpre d'Iron Man, planant dans les nuages ​​et dispersant les ennemis de l'humanité de gauche à droite.

Les exosquelettes existants et en développement aujourd'hui ne sont pas encore capables de soulever des charges de plusieurs tonnes, de voler dans la stratosphère et de développer des vitesses supersoniques, mais peut-être que cela n'est pas exigé d'eux? ..

Qu'est-ce qu'un exosquelette?

La norme internationale ISO 13482: 2014 (fr) Robots et appareils robotiques - Exigences de sécurité pour les robots de soins personnels classe les exosquelettes comme des robots d'assistance attachés au corps humain pendant l'utilisation, qui sont plus communément appelés robots de vêtements. Le US National Land Forces Research Laboratory a mené une enquête auprès des développeurs et des opérateurs de robotique sur ce qu'est exactement la «robotique habillée», au cours de laquelle tous les répondants ont convenu:

1. Ce sont des outils robotiques portables, dont les éléments sont fixés directement à l'opérateur humain;
2. Ce sont des outils robotiques qui déchargent physiquement l'opérateur, lui fournissent un soutien physique et augmentent ses capacités physiques.

Ainsi, un exosquelette est un appareil mécanique portable (porté sur une personne) ou un logiciel mécatronique avec des éléments de structures anthropomorphes, conçu pour multiplier les capacités physiques d'une personne en dupliquant et en soutenant de façon synchrone l'activité motrice de cette dernière. Parlant de multiplier les capacités physiques, nous ne parlons pas seulement du «plus rapide» olympique! Ci-dessus! Plus fort! », Mais aussi plus sain, plus solide, plus efficace, techniquement plus correct. L'exosquelette est conçu pour aider les gens à surmonter certaines de leurs barrières physiologiques existantes, combinant ainsi l'intelligence, la créativité, l'adaptabilité et la capacité d'apprentissage d'un travailleur humain avec la force, l'endurance et la précision d'un robot. Dans cette section, l'exosquelette est également un type particulier de robotique collaborative.

L'histoire et l'évolution des exosquelettes

L'ancêtre d'un exosquelette peut être considéré comme un élastipède. Élastipède - un appareil conçu pour faciliter la marche, la course et le saut destiné à un usage militaire. L'auteur de cette invention est l'inventeur russe Nikolai Aleksandrovich Yagn (1849 - 1905). A la fin du XIXe siècle, il a développé et breveté plusieurs modifications de l'exosquelette passif "Elastiped" .

La première tentative de développer un exosquelette de puissance a été faite par des spécialistes de General Electric au début des années 60 du 20e siècle. Un projet appelé Hardiman a été commandé par le département américain de la Défense. Au cours du projet, une plate-forme à deux pédales et un manipulateur avec une transmission électro-hydraulique ont été développés, dont la conception devait permettre de soulever une charge d'un poids total allant jusqu'à 680 kg.
Élastipède N. A. Yagna, croquis

Un inconvénient important de la conception de l'exosquelette était la vibration qui s'est produite pendant l'opération, ce qui a provoqué le renversement répétitif de l'appareil pendant les tests. Des tests impliquant l'opérateur n'ont pas été effectués.
En conséquence, la recherche s'est concentrée sur le développement de l'un des manipulateurs de l'exosquelette. Malgré le fait que les développeurs aient réussi à atteindre la capacité de charge cible de 750 livres (340 kg), la masse de l'appareil lui-même était de près de trois quarts de tonne, soit plus de deux fois la masse de la charge utile levée.
Il n'a pas été possible de surmonter les défauts de conception de l'appareil, en conséquence, en 1971, le projet Hardiman a été fermé en raison du manque de perspectives pour son développement ultérieur [https://en.wikipedia.org/wiki/Hardiman]. À droite, le prototype de l'exosquelette Hardiman.

Dans les années 1970, le scientifique yougoslave Miomir Vukobratovich a créé un prototype d'exosquelette à entraînement pneumatique, censé aider les personnes paralysées à se remettre sur pied. Dans les années 80, Vukobratovich a présenté son exosquelette à l'URSS. Les scientifiques russes et européens ont ensuite pris comme base le projet de Vukobratovich lors de la création de leurs technologies. Ainsi, au début des années 1980, un exosquelette pour les personnes handicapées de l'Institut central N. N. Priorov de traumatologie et d'orthopédie est apparu. Fait intéressant , le célèbre projet russe ExoAtlet est réalisé par des scientifiques qui viennent d'étudier le projet Vukobratovich à l'Université d'État de Moscou.


Exosquelette de Miomir Vukobratovich

Le manque de sources d'énergie compactes et sûres, le manque de composants de puissance et de contrôles efficaces ont considérablement entravé le développement des exosquelettes. Ce n'est qu'au milieu des années 2000 que l'idée de créer une «combinaison de puissance» a commencé à se réaliser. Par exemple, la United States Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) a lancé le développement d'exosquelettes en 2001 dans le cadre du programme Exoskeletons for Human Performance Augmentation. L'agence a financé 50 millions de dollars à divers participants dans le cadre d'un programme de cinq ans. Dans le cadre du programme, le système Wearable Energically Autonomous Robot (WEAR) de Sarcos Research de Salt Lake City, Utah a été développé, suite à un raffinement et une modernisation supplémentaires dont l' exosquelette de puissance XOS2 a été introduit, introduit par le géant de la défense Raytheon (qui a acquis Sarcos Research en 2007 année) en septembre 2010.
Source - Technologie de l'Armée

Actuellement, les sujets exosquelettiques deviennent l'un des domaines les plus dynamiques de la robotique de service; des dizaines d'organisations scientifiques et d'entreprises industrielles dans plusieurs pays du monde sont engagées dans le développement de leurs propres complexes d'exosquelettes, notamment aux États-Unis, au Japon, en Israël, en Allemagne, en Chine, en France, en Nouvelle-Zélande, en Norvège , Royaume-Uni, Corée du Sud, Italie et Russie.

Pourquoi exactement des exosquelettes industriels?

Une analyse de l'expérience mondiale nous permet de conclure qu'il existe actuellement trois domaines clés d'application des modules et complexes d'exosquelette basés sur eux:

• exosquelettes militaires;
• exosquelettes de réadaptation et exosquelettes pour compenser le manque de mobilité des personnes handicapées;
• exosquelettes à usage industriel.

Aujourd'hui, la direction des exosquelettes industriels présente le plus grand intérêt, et cela pour plusieurs raisons.

Raison n ° 1: l'aspect marché

Les outils robotiques portables conçus pour une utilisation dans la production industrielle deviennent le domaine d'utilisation commerciale de la technologie exosquelettique qui connaît la croissance la plus rapide.

La dynamique du marché mondial des exosquelettes sur la période 2015-2017 avec une prévision pour 2018-2020. selon IFR


Une prévision segmentée du développement du marché des exosquelettes d'ici 2023-2024. Basé sur la recherche de Global Markets Insight et Markets & Markets .

Les exosquelettes pour le travail et l'industrie peuvent être utilisés sur les chantiers de construction, dans les cales sèches, dans les usines, les entrepôts et même dans les salles d'opération. L'introduction de tels appareils fournit la solution à trois tâches commerciales critiques:

a) augmenter la productivité du travail et réduire la complexité des opérations de production manuelles;

b) une réduction du volume des indemnités sociales et d'indemnisation liées à la survenue d'accidents du travail et de maladies professionnelles des travailleurs des unités de production;

c) fournir une motivation supplémentaire aux employés, obtenue en créant des conditions de travail plus confortables.

Dans la dernière présentation de la Wearable Robotics Association, le Dr Joseph Hitt a décrit les exosquelettes pour la production et la construction comme le «fruit bas» du marché de l'exosquelette, ce qui est tout à fait vrai, car par rapport à la réhabilitation ou aux exosquelettes militaires, il existe un certain nombre de domaines comme les combinaisons électriques industrielles. avantages significatifs:

a) le cercle des consommateurs est extrêmement large et ne se limite pas à un groupe spécifique spécifique d'acheteurs potentiels.En outre, le public cible comprend bon nombre des plus grandes sociétés manufacturières avec un niveau de solvabilité élevé, qui pourront à l'avenir acheter des millions d'exosquelettes industriels pour leurs travailleurs;

b) à ce jour, dans ce créneau, il n'y a pas encore de dirigeants clairs et d'autorités universellement reconnues;

c) il n'y a pas d'obstacles administratifs et législatifs à l'entrée sur le marché;

d) des exigences de performance plus souples (en comparaison, par exemple, avec des solutions militaires similaires), l'absence de restrictions associées à la base de composants utilisée, en conséquence, un coût moindre de développement et de fabrication.

Raison n ° 2: l'aspect social

Même dans les entreprises de fabrication de haute technologie modernes, dans le cadre des processus de production, de nombreuses opérations sont assez difficiles à automatiser. Selon la Fondation européenne pour l'amélioration des conditions de vie et de travail, jusqu'à 64% des travailleurs hautement qualifiés consacrent près des trois quarts de leur temps de travail au levage et au transport de marchandises diverses. Les spécialistes de la production doivent constamment recourir au travail manuel, ce qui les expose à des facteurs nocifs qui augmentent la probabilité de blessures, principalement le développement de divers types de troubles musculo-squelettiques, qui restent parmi les maladies professionnelles les plus courantes dans l'Union européenne. Ceci, à son tour, conduit à une augmentation du coût de maintien des travailleurs pendant les périodes de leur invalidité et à une diminution de la productivité du travail dans l'entreprise dans son ensemble. Selon la Work Foundation, environ 44 millions de travailleurs européens souffrent aujourd'hui d'anomalies musculo-squelettiques, ce qui cause au total des pertes à l'économie européenne, estimées à plus de 240 milliards d'euros. Et ce ne sont que des pays de l'UE. [ Van der Vorm, Johan; O`Sullivan, Leonard; Nugent, Rachel; de Looze, Michiel. Considérations pour l'élaboration de normes de sécurité pour les exosquelettes industriels ].

Raison n ° 3: l'aspect technologique

Les exosuits industriels sont beaucoup moins sensibles aux contraintes technologiques propres à l'ensemble de l'industrie des exosquelettes.

a) Contrairement aux exosquelettes militaires destinés à une utilisation sur le terrain et en marche dans des conditions d'autonomie énergétique totale, les exosquelettes industriels sont principalement destinés à être utilisés dans des ateliers, des entrepôts, des lignes de production, etc. De ce fait, les besoins en sources d'énergie autonomes alimentant les unités d'entraînement actives des exosuits sont réduits, de plus, en raison de la disponibilité des réseaux électriques, le besoin de tous types de batteries et de systèmes de génération disparaît pendant une heure. Cela est particulièrement vrai pour les exosquelettes à entraînement hydraulique, comme évite d'avoir à placer des stations pétrolières mobiles directement sur le boîtier de l'exosquelette, ce qui élimine à son tour un certain nombre de difficultés associées.

b) Le niveau d'exigences pour un système de contrôle pour un exosquelette industriel est nettement inférieur à celui d'une solution similaire à usage médical ou militaire. D'une part, un opérateur d'exosquelette est une personne valide, ce qui signifie qu'il peut utiliser des outils techniques dans son travail avec des organes et des interfaces de contrôle «traditionnels», tels que des joysticks, des pavés tactiles, une interface vocale et d'autres, de sorte qu'il n'a pas besoin d'apprendre compliqué, cher et des solutions d'interface de haute technologie, comme par exemple une interface de neuro-ordinateur. D'un autre côté, la vitesse et la précision des réactions à l'action de contrôle dans un exosquelette industriel ne sont pas aussi critiques que dans un exosquelette militaire, car dans des conditions d'hostilités, deux à trois dixièmes de seconde de retard de rétroaction peuvent simplement coûter la vie de l'opérateur. Les conditions d'utilisation des exosquelettes industriels ne sont le plus souvent pas aussi critiques.

Il convient de noter que les points précédents ne doivent pas vous induire en erreur: les problèmes d'énergie, de gestion ergonomique efficace et d'utilisation sûre sont les pierres angulaires de l'ensemble de l'industrie des exosquelettes, et les exosquelettes industriels ne sont en aucun cas une exception, nous disons seulement que le niveau d'exigence à ces aspects technologiques dans ce cas particulier peut être nettement inférieur, ce qui dépend bien sûr, entre autres, des conditions et des spécificités de l'application.

Classification des exosquelettes industriels

De par leur conception, les exosquelettes industriels peuvent être divisés en exosquelettes du haut ou du bas du corps, ainsi qu'en exosquelettes de taille normale.

Par la nature de l'impact de la force sur le passif (non équipé de solutions d'entraînement, le support et le déchargement dans de tels cas sont effectués grâce à l'utilisation de différents types d'amortisseurs, de ressorts, de balances, etc.) et actifs, qui à leur tour peuvent être divisés en sous-groupes en fonction du type d'utilisation solutions d'entraînement (électromécanique, hydraulique, pneumatique, combiné).

Les exosquelettes actifs peuvent également être divisés en autonomes et non autonomes, selon la structure du système d'approvisionnement en énergie.

Selon leur fonction, les complexes d'exosquelettes pour le travail et l'industrie peuvent être divisés en 6 catégories :

• Exosquelettes de maintien de l'outil: ces exosquelettes sont constitués d'un épaulement à ressort, un levier mécanique sur lequel l'outil de travail est monté. Le levier est connecté au module exosquelettique du bas du corps et au système de contrepoids, tandis que le poids de l'instrument est transféré au sol. Pour la plupart, les exosquelettes de ce type sont passifs, cependant, il existe des solutions similaires avec des lecteurs en bas

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• Chaises sans chaise: ce sont des exosquelettes légers qui peuvent être fixés dans la position la plus pratique pour l'opérateur, ce qui réduit la fatigue et la fatigue du travailleur pendant un travail prolongé en position verticale ou juste statique (par exemple, en position semi-accroupie).

• Exosquelettes pour soutenir le dos: ces exosquelettes peuvent maintenir une bonne posture et réduire le stress sur les muscles du dos et de la colonne vertébrale lors de l'inclinaison et du levage.

• Gants Exo: des gants mécanisés qui peuvent aider les travailleurs à tenir fermement leurs outils à main lourds. Il existe également des dispositifs à action inverse qui aident les travailleurs qui ont des problèmes physiologiques avec l'ouverture naturelle de la paume à ouvrir leurs doigts avec un gant exosquelettique.

• Exosuits pleine grandeur: il y a plusieurs années, on pensait que des exosuits lourds de grande taille seraient utilisés pour résoudre les problèmes de production. Maintenant, la plupart des développeurs sont passés à des solutions plus compactes et hautement spécialisées, cependant, des projets d'exosquelettes lourds de grande taille continuent de se développer maintenant.

• Modules robotiques complémentaires aux humains: modules exosquelettiques qui fournissent au travailleur une seconde paire de mains. Deux ou plusieurs bras robotiques montés sur l'opérateur montés sur le corps sont utilisés pour maintenir les outils ou les pièces en place.

Qui conçoit ou fabrique aujourd'hui des exosquelettes industriels?
Corée du Sud
Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering
Hyundai Motor Company

Les USA
Sarcos / raytheon
Lockheed martin
US bionicks
Ekso Bionics Holdings, Inc.

Japon
Panasonic - Activelink
Cyberdine
Honda
Industries lourdes Mitsubishi

La France
Robot Gobio

Nouvelle zelande
Laevo

La Suisse
Noonee AG

Israël
Systèmes Rotbot

La russie
Exochair

Le texte a été préparé par Albert Efimov et Igor Orlov du Sberbank Robotics Laboratory.