Homo Extensis. Expandir as capacidades humanas ou como combinar humano e robô

Como escrevemos anteriormente , uma das áreas prioritárias do trabalho de nosso laboratório são os exoesqueletos industriais.

Quando ouvimos a palavra exoesqueleto, a imagem de Robert Downey Jr. invariavelmente surge diante de nós, vestida com a armadura de ouro púrpura do Homem de Ferro, subindo pelas nuvens e espalhando os inimigos da humanidade para a direita e esquerda.

Os exoesqueletos existentes e em desenvolvimento hoje ainda não são capazes de levantar cargas de várias toneladas, voar na estratosfera e desenvolver velocidades supersônicas, mas talvez isso não seja necessário para eles?

O que é um exoesqueleto?

A norma internacional ISO 13482: 2014 (en) Robôs e dispositivos robóticos - Os requisitos de segurança para robôs de cuidados pessoais classificam os exoesqueletos como robôs auxiliares que são anexados ao corpo humano durante o uso, mais comumente referidos como robôs de vestuário. O Laboratório Nacional de Pesquisa das Forças Terrestres dos EUA realizou uma pesquisa entre desenvolvedores e operadores de robótica sobre o que exatamente é “robótica disfarçada”, durante a qual todos os entrevistados concordaram:

1. São ferramentas robóticas vestíveis, cujos elementos são fixados diretamente no operador humano;
2. Essas são ferramentas robóticas que descarregam fisicamente o operador, fornecem suporte físico e aumentam suas habilidades físicas.

Assim, um exoesqueleto é um dispositivo mecânico (usado em uma pessoa) ou um pacote de software mecatrônico com elementos de estruturas antropomórficas, projetados para multiplicar as capacidades físicas de uma pessoa, duplicando e apoiando a atividade motora dessa última. Falando em multiplicar habilidades físicas, queremos dizer não apenas o jogo olímpico mais rápido! Acima! Mais forte! ”, Mas também mais saudável, mais resistente, mais eficiente, tecnicamente mais correto. O exoesqueleto foi projetado para ajudar as pessoas a superar algumas de suas barreiras fisiológicas existentes, combinando inteligência, criatividade, adaptabilidade e capacidade de aprendizado de um trabalhador humano com a força, resistência e precisão de um trabalhador robô. Nesta seção, o exoesqueleto também é um tipo peculiar de robótica colaborativa.

A história e evolução dos exoesqueletos

O progenitor de um exoesqueleto pode ser considerado um elastipado. Elastiped - um dispositivo projetado para facilitar caminhadas, corridas e saltos destinados a uso militar. O autor desta invenção é o inventor russo Nikolai Aleksandrovich Yagn (1849 - 1905). No final do século XIX, ele desenvolveu e patenteou várias modificações do exoesqueleto passivo "Elastiped" .

A primeira tentativa de desenvolver um exoesqueleto de potência foi feita por especialistas da General Electric no início dos anos 60 do século XX. Um projeto chamado Hardiman foi encomendado pelo Departamento de Defesa dos EUA. No decorrer do projeto, foram desenvolvidas uma plataforma de dois pedestres e um manipulador com transmissão eletro-hidráulica, cujo design era fornecer a possibilidade de levantar uma carga com um peso total de até 680 kg.
Elastipado N. A. Yagna, esboço

Uma desvantagem significativa do design do exoesqueleto foi a vibração que ocorreu durante a operação, que causou a queda do dispositivo repetidamente durante o teste. Testes envolvendo o operador não foram realizados.
Como resultado, a pesquisa se concentrou no desenvolvimento de um dos manipuladores do exoesqueleto. Apesar de os desenvolvedores terem conseguido atingir a capacidade de carga desejada de 340 kg (750 libras), a massa do dispositivo em si era de quase três quartos de tonelada, o que era mais do que o dobro da massa da carga útil levantada.
Não foi possível superar as falhas de design do dispositivo, como resultado, em 1971, o projeto Hardiman foi encerrado devido à falta de perspectivas de seu desenvolvimento [https://en.wikipedia.org/wiki/Hardiman]. À direita está o protótipo do exoesqueleto Hardiman.

Na década de 1970, o cientista iugoslavo Miomir Vukobratovich criou um protótipo de exoesqueleto com acionamento pneumático, que deveria ajudar as pessoas paralisadas a se levantarem. Nos anos 80, Vukobratovich apresentou seu exoesqueleto à URSS. Cientistas russos e europeus posteriormente tomaram como base o projeto de Vukobratovich ao criar suas tecnologias. Assim, no início dos anos 80, apareceu um exoesqueleto para pessoas com deficiência do Instituto Central de Traumatologia e Ortopedia N. N. Priorov. Curiosamente , o famoso projeto russo ExoAtlet é realizado por cientistas que acabaram de estudar o projeto Vukobratovich na Universidade Estadual de Moscou.


Exoesqueleto de Miomir Vukobratovich

A falta de fontes de energia compactas e seguras, a falta de componentes e controles de energia eficazes impediram significativamente o desenvolvimento de exoesqueletos. Somente em meados dos anos 2000, a idéia de criar um “traje de poder” começou a se realizar. Por exemplo, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Defesa dos Estados Unidos (DARPA) iniciou o desenvolvimento de exoesqueletos em 2001 como parte do programa Exoesqueletos para aumento do desempenho humano. A agência financiou US $ 50 milhões para vários participantes através de um programa de cinco anos. Como parte do programa, foi desenvolvido o sistema Wearable Energically Autonomous Robot (WEAR) da Sarcos Research de Salt Lake City, Utah, como resultado de refinamentos e modernizações adicionais dos quais o exoesqueleto de potência em tamanho real XOS2 foi introduzido, introduzido pelo gigante da defesa Raytheon (que adquiriu a Sarcos Research em 2007 ano) em setembro de 2010.
Fonte - Tecnologia do Exército

Atualmente, os tópicos exoesqueléticos estão se tornando uma das áreas de robótica de serviço em desenvolvimento mais dinâmico; dezenas de organizações científicas e empresas industriais em vários países do mundo estão envolvidas no desenvolvimento de seus próprios complexos exoesqueletos, incluindo EUA, Japão, Israel, Alemanha, China, França, Nova Zelândia, Noruega , Reino Unido, Coréia do Sul, Itália e Rússia.

Por que exatamente exoesqueletos industriais?

Uma análise da experiência mundial permite concluir que, no momento, existem três áreas principais de aplicação de módulos e complexos exoesqueletos baseados neles:

• exoesqueletos militares;
• exoesqueletos de reabilitação e exoesqueletos para compensar a falta de mobilidade das pessoas com deficiência;
• exoesqueletos para uso industrial.

Hoje, a direção dos exoesqueletos industriais é de grande interesse, e há várias razões para isso.

Razão # 1: o aspecto do mercado

As ferramentas robóticas vestíveis projetadas para uso na produção industrial estão se tornando a área que mais cresce no uso comercial da tecnologia exoesquelética.

A dinâmica do mercado global de exoesqueletos no período de 2015 a 2017, com previsão para 2018-2020. de acordo com IFR


Uma previsão segmentada do desenvolvimento do mercado de exoesqueletos até 2023-2024. Com base em pesquisas da Global Markets Insight e Markets & Markets .

Exoesqueletos para trabalho e indústria podem ser usados ​​em canteiros de obras, em docas secas, em fábricas, armazéns e até em salas cirúrgicas. A introdução desses dispositivos fornece a solução para três tarefas críticas de negócios:

a) aumento da produtividade do trabalho e redução da complexidade das operações de produção manual;

b) redução do volume de pagamentos sociais e compensatórios associados à ocorrência de acidentes de trabalho e doenças ocupacionais de trabalhadores em unidades produtivas;

c) proporcionar motivação adicional aos funcionários, alcançada através da criação de condições de trabalho mais confortáveis.

Na última apresentação da Wearable Robotics Association, o Dr. Joseph Hitt descreveu os exoesqueletos para produção e construção como os “frutos baixos” do mercado exoesquelético, o que é bem verdade, porque, em comparação com os exoesqueletos de reabilitação ou militares, existem várias áreas, como roupas de força industriais vantagens significativas:

a) o círculo de consumidores é extremamente amplo e não se limita a um grupo específico específico de compradores em potencial; além disso, o público-alvo inclui muitas das maiores corporações de manufatura com alto nível de solvência, que no futuro poderão comprar milhões de exoesqueletos industriais para seus trabalhadores;

b) até o momento, nesse nicho, ainda não existem líderes claros e autoridades universalmente reconhecidas;

c) não existem barreiras administrativas e legislativas à entrada no mercado;

d) requisitos de desempenho mais baixos (em comparação, por exemplo, com soluções militares semelhantes), a ausência de restrições associadas à base de componentes usada, como resultado, menor custo de desenvolvimento e fabricação.

Razão # 2: o aspecto social

Mesmo nas modernas empresas de manufatura de alta tecnologia, como parte dos processos de produção, existem muitas operações que são bastante difíceis de automatizar. De acordo com a Fundação Europeia para a Melhoria das Condições de Vida e de Trabalho, até 64% dos trabalhadores altamente qualificados gastam quase três quartos do seu tempo de trabalho levantando e transportando vários produtos. Os especialistas em produção precisam constantemente recorrer ao uso de trabalho manual, pelo que são expostos a fatores prejudiciais que aumentam a probabilidade de lesão, principalmente o desenvolvimento de vários tipos de distúrbios osteomusculares, que permanecem entre as doenças ocupacionais mais comuns na União Europeia. Isso, por sua vez, leva a um aumento no custo de manutenção dos trabalhadores durante os períodos de sua incapacidade e a uma diminuição da produtividade do trabalho na empresa como um todo. Segundo a Fundação do Trabalho, hoje cerca de 44 milhões de trabalhadores da UE sofrem de anormalidades músculo-esqueléticas, que no total causam prejuízos à economia europeia, estimados em mais de 240 bilhões de euros. E estes são apenas países da UE. [ Van der Vorm, Johan; O'Sullivan, Leonard; Nugent, Rachel; de Looze, Michiel. Considerações para o desenvolvimento de padrões de segurança para exoesqueletos industriais ].

Razão # 3: o aspecto tecnológico

Exosuits industriais são muito menos sensíveis às restrições tecnológicas características de toda a indústria de exoesqueletos.

a) Ao contrário dos exoesqueletos militares destinados ao uso em campo e marcha em condições de completa autonomia energética, os exoesqueletos industriais destinam-se principalmente a ser usados ​​em oficinas, armazéns, linhas de produção, etc. Por esse motivo, os requisitos para fontes de energia autônoma que abastecem as unidades de acionamento ativas de exosuits são reduzidos, além disso, devido à disponibilidade de redes elétricas, a necessidade de todos os tipos de baterias e sistemas de geração desaparece por uma hora. Isso é especialmente verdadeiro para exoesqueletos com acionamento hidráulico, pois evita a necessidade de colocar estações móveis de petróleo diretamente no estojo do exoesqueleto, o que, por sua vez, elimina várias dificuldades associadas.

b) O nível de requisitos para um sistema de controle de um exoesqueleto industrial é significativamente menor do que para uma solução semelhante para uso médico ou militar. Por um lado, um operador de exoesqueleto é uma pessoa fisicamente capaz, o que significa que ele pode usar ferramentas técnicas em seu trabalho com órgãos e interfaces de controle "tradicionais", como joysticks, touchpads, interface de voz e outros, como resultado, ele não exige aprendizado complicado, caro e soluções de interface de alta tecnologia, como, por exemplo, uma interface de neurocomputador. Por outro lado, a velocidade e a precisão das reações à ação de controle em um exoesqueleto industrial não são tão críticas quanto em um exoesqueleto militar, porque em condições de hostilidade, dois a três décimos de segundo de atraso no retorno podem simplesmente custar a vida do operador. As condições para o uso de exoesqueletos industriais geralmente não são tão críticas.

Note-se que os pontos anteriores não devem enganar você: os problemas de energia, gerenciamento ergonômico eficiente e uso seguro são os pilares de toda a indústria de exoesqueletos, e os exoesqueletos industriais não são de forma alguma uma exceção, apenas dizemos que o nível de requisitos para esses aspectos tecnológicos, neste caso específico, pode ser significativamente menor, o que obviamente depende, entre outras coisas, das condições e especificidades da aplicação.

Classificação de exoesqueletos industriais

Por seu design, os exoesqueletos industriais podem ser divididos em exoesqueletos da parte superior ou inferior do corpo, bem como exoesqueletos em tamanho normal.

Pela natureza do impacto da força no passivo (não equipado com soluções de acionamento, o suporte e o descarregamento nesses casos são realizados com o uso de vários tipos de amortecedores, molas, balanças, etc.) e ativos, que por sua vez podem ser divididos em subgrupos, dependendo do tipo de soluções de acionamento (eletromecânico, hidráulico, pneumático, combinado).

Exoesqueletos ativos também podem ser divididos em autônomos e não autônomos, dependendo da estrutura do sistema de suprimento de energia.

Dependendo da sua finalidade, os complexos de exoesqueleto para trabalho e indústria podem ser divididos em 6 categorias :

• Exoesqueletos para segurar a ferramenta: esses exoesqueletos consistem em um ombro com mola, uma alavanca mecânica na qual a ferramenta de trabalho está montada. A alavanca é conectada ao módulo exoesquelético da parte inferior do corpo e ao sistema de contrapeso, enquanto o peso do instrumento é transferido para o solo. Na maioria das vezes, exoesqueletos desse tipo são passivos, no entanto, existem soluções semelhantes com unidades na parte inferior

.

• Cadeiras sem cadeira: são exoesqueletos leves que podem ser fixados na posição mais conveniente para o operador, o que reduz a fadiga e a fadiga do trabalhador durante o trabalho prolongado em posição vertical ou estática (por exemplo, na posição semi-agachamento).

• Exoesqueletos para apoiar as costas: esses exoesqueletos podem manter uma postura adequada e reduzir o estresse nos músculos das costas e da coluna ao inclinar e levantar.

• Luvas Exo: luvas mecanizadas que podem ajudar os trabalhadores a segurar firmemente suas pesadas ferramentas manuais. Existem também dispositivos de ação inversa que ajudam os trabalhadores que têm problemas fisiológicos com a abertura natural da palma da mão a abrir os dedos com uma luva exoesquelética.

• Exosuits em tamanho real: vários anos atrás, acreditava-se que exosuits pesados ​​em tamanho real seriam usados ​​para resolver problemas de produção. Agora, a maioria dos desenvolvedores mudou para soluções mais compactas e altamente especializadas, no entanto, projetos de exoesqueletos pesados ​​de tamanho normal continuam a ser desenvolvidos agora.

• Módulos robóticos que suplementam seres humanos: módulos exoesqueléticos que fornecem ao trabalhador um segundo par de mãos. Dois ou mais braços robóticos montados no operador montados no corpo são usados ​​para manter ferramentas ou peças de trabalho no lugar.

Quem hoje projeta ou fabrica exoesqueletos industriais?
Coreia do Sul
Daewoo Shipbuilding & Engenharia Marítima
Hyundai Motor Company

EUA
Sarcos / raytheon
Lockheed martin
Bionicks dos EUA
Ekso Bionics Holdings, Inc. Empresas

Japão
Panasonic - Activelink
Cyberdine
Honda
Indústrias pesadas Mitsubishi

França
Robô Gobio

Nova zelândia
Laevo

Suíça
Noonee AG

Israel
Sistemas Rotbot

Rússia
Exochair

O texto foi preparado por Albert Efimov e Igor Orlov do Laboratório de Robótica Sberbank.