Power dressing: exoskeletony v práci | Časopis E&ampT

Před více než 50 lety představil inženýr a průkopník robotiky společnosti General Electric Ralph Mosher na Automotive Engineering Congress v roce 1967 v Detroitu v USA průlomový technický dokument, v němž nastínil svou vizi využití a vývoje exoskeletonů.

„Člověk a stroj lze spojit do intimní, symbiotické jednotky, která bude fungovat v podstatě jako jeden manželský systém,“ napsal. „Adaptivní, reflexní ovládání člověka může být přeneseno přímo do mechanismu, takže mechanismus reaguje, jako by to bylo přirozené rozšíření člověka. ...Navíc prostředí, která jsou normálně vůči člověku nepřátelská, neovlivňují stroj.“

Tehdy to byla vznešená vize, ale Mosher tvrdě pracoval na realizaci. „Mosher byl jedním z prvních průkopníků exoskeletonů, který spolupracoval s americkými ozbrojenými silami na přiblížení strojů k tělu,“ vysvětluje Chris Hunter, viceprezident pro sbírky a výstavy v Muzeu inovací a vědy v New Yorku. „Společně vyvinuli ‚Hardiman‘ – exoskelet, který se skládal ze dvou obleků, hlavního obleku, který ovládal oblek otroka, který také nosí uživatel.“

Otrocký oblek byl poháněn hydraulikou a elektřinou a zesiloval sílu nositele faktorem 25, takže zvednutí 110 kg by se rovnalo zvedání 4,5 kg. Bohužel však samotný oblek vážil 680kg a doba odezvy byla neuvěřitelně pomalá, stejně jako rychlost chůze. A co víc, chyby údajně způsobovaly „násilný a nekontrolovatelný pohyb stroje“ při současném pohybu obou nohou. Nebylo tedy žádným překvapením, když tyto výzvy ukončily projekt Hardiman v roce 1971.

Od těchto prvních pokroků se mnohé změnilo. „Došlo k explozi inovací v oblastech biomechaniky, protetiky, robotiky a řídicích systémů, rozhraní člověk-stroj, koncových efektorů, mechatronických subsystémů a řízení napájení,“ vysvětluje Kristi Martindale, produktová ředitelka americké technologické firmy Sarcos Robotics. "Tento vývoj vedl postupem času ke komerční životaschopnosti technologií exoskeletu."

„Exoskeletony se také staly lehčími, efektivnějšími a schopné blíže napodobovat pohyb, jako je lidská chůze,“ dodává Marc Carrel-Billiard, vrchní ředitel a vedoucí technologických inovací v nadnárodní společnosti Accenture poskytující profesionální služby. "To je činí bezpečnějšími a praktičtějšími než kdykoli předtím."

V důsledku toho v průběhu let došlo k rozšíření nových společností zabývajících se exoskeletony. „Jsme tu od úplného začátku, ale dnes existuje na celém světě více než 80 společností zabývajících se exoskelety, které se všechny snaží řešit složité lidské faktory pomocí exoskeletonů,“ vysvětluje Michael Pratt, viceprezident kalifornské firmy Ekso Bionics.

Očekává se, že toto globální úsilí povede ke skutečnému růstu trhu. ABI Research předpovídá, že trh s robotickými exoskelety dosáhne v roce 2025 1,8 miliardy USD, oproti 68 milionům USD v roce 2014. Do roku 2030 pak vzroste na masivních 11,5 miliardy USD, přičemž průmyslové exoskelety poháněné celým tělem budou tvořit téměř 50 procent této částky. "Jsou to významná čísla a skutečně zdůrazňují velikost tržní příležitosti pro exoskeletony," říká Martindale.

Spolu s tímto růstem přijdou rozšířené případy použití, zejména v odvětvích, jako je stavebnictví a výroba, kde zaměstnanci přenášejí a přenášejí těžká břemena a pohybují se opakujícím se způsobem.

„Poranění zad jsou v současnosti druhou nejčastější příčinou chybějící práce v USA a mají odhadovaný ekonomický dopad ve výši 100 miliard dolarů ročně,“ říká Carrel-Billiard. „Exoskeletony poskytují pracovníkovi větší sílu, hbitost a vytrvalost a umožňují mu zvedat těžké předměty, čímž snižují celkovou zátěž personálu. Mezitím pasivní exoskeletony – ty, které nevyžadují externí napájení – jsou nákladově efektivní možností ke snížení fyzické námahy a mohou být zpřístupněny tisícům zaměstnanců.“

„Práce na stavbách je fyzicky náročná práce,“ dodává Saskia Duch, regionální produktová manažerka Hilti pro severní Evropu. „Zaměstnanci budou během dne vykonávat řadu úkolů, které mohou mít negativní dopad na jejich pohodlí, zdraví a bezpečnost. Exoskeleton systém poskytuje správnou úroveň podpory pro pohodlnější provádění těchto aplikací, což vede k menší únavě a brání tomu, aby byly ztíženy další úkoly. Exoskeleton je také navržen tak, aby odolal prostředí, kde se vyskytuje prach, což je důležitý faktor pro udržení produktivity a bezpečnosti stavenišť.“

Přesně v těchto scénářích dělá několik firem skutečný pokrok. Chairless Chair od Noonee například podporuje uživatele, když se krčí nebo stojí ve stejné pozici po dlouhou dobu.

„Chairless Chair 2.0 je nyní třetí generací produktu a byl neustále vyvíjen ve spolupráci s renomovanými výrobci automobilů,“ vysvětluje Katrin Hoffmann, mluvčí společnosti Noonee. „Exoskeleton přesměrovává 64 procent tělesné hmotnosti nesené chodidly a zmírňuje námahu na zádech. To je to, co dělá židle Chairless Chair tak speciální. Exoskeletony pro horní část těla podporují silový aspekt, ale další váhu exoskeletonu musí nést tělo. Židle bez židle na druhou stranu přenáší většinu hmotnosti přes nohy exoskeletu na zem.“

Řešení Hilti se mezitím zaměřuje na režijní aplikace. „Exoskeleton je jedinečným doplňkem produktové řady Hilti a nabízí zákazníkům další úroveň podpory, pokud jde o snížení únavy a bolesti způsobené prací na aplikacích nad hlavou,“ vysvětluje Duch. "Bylo navrženo se správnou rovnováhou síly podpory, svobody pohybu a pohodlí, takže je zákazníci mohou nosit po celý den."

Duch říká, že systém Hilti zvyšuje produktivitu, protože umožňuje pracovníkům vykonávat náročné úkoly s menší bolestí a únavou. „Systém generuje síly k podpoře paže operátora při práci, čímž snižuje zatížení ramenních kloubů a snižuje riziko poranění ramenního kloubu, ke kterému může často docházet při pravidelné práci nad hlavou,“ říká. "Přidejte k tomu naši správu vozového parku, přímý prodej a digitální služby a máte jedinečnou nabídku."

Kalifornská společnost Levitate Technologies také vytvořila exoskelet horní části těla – takový, o kterém Joseph Zawaideh, viceprezident firmy pro marketing a obchodní rozvoj, říká, že je dostatečně nízkoprofilový, dostatečně lehký, dostatečně funkční a dostatečně prodyšný, aby byl praktický. a nosí je každý den koncový uživatel. „Tato praktičnost usnadňuje použití, což má za následek větší osvojení koncovými uživateli,“ vysvětluje. "Je to jediný exoskelet horní části těla, který byl klasifikován a nařízen jako osobní ochranné prostředky (OOP) světovými výrobci."

Průmyslový exoskelet EVO od Ekso Bionics umožňuje uživateli zvedat a držet elektrické nářadí, jako by vůbec nic nevážilo. „Náš průmyslový exoskelet druhé generace, EVO, má nové principy designu, které rozšiřují schopnosti průmyslových sportovců a podporují je fyzickou podstatou jejich každodenní práce,“ říká Pratt. „EVO bylo vyvinuto na základě rozsáhlých zkušeností s aplikacemi v reálném světě. Pokud jde o exoskeletony horní části těla, EVO je jedinečně lehký, flexibilní a odolný. Nový design EVO sleduje přirozený pohyb těla a umožňuje neomezený rozsah pohybu pro nejlepší podporu nositele a zároveň zvyšuje jeho odolnost.

I když jsou všechna tato řešení neuvěřitelně působivá, v současnosti je na trhu pouze jeden celotělový exoskelet napájený baterií, který úspěšně převádí Rosherovu ranou vizi do reality – a to je Guardian XO společnosti Sarcos Robotics.

Za 20 let výroby Guardian XO využívá více než 125 roboticky integrovaných senzorů k detekci podmínek prostředí a pohybu operátora. Hmotnost obleku, stejně jako jeho užitečné zatížení, se přenáší konstrukcí obleku na zem a vede k odlehčení 100 procent hmotnosti, kterou pracovník nese, i hmotnosti samotného obleku. To znamená, že operátor může v obleku vykonávat hodiny fyzicky náročné práce, opakovaně zvedat a manipulovat s těžkými předměty, aniž by si způsobil jakoukoli námahu nebo zranění svého těla.

„Guardian XO je navržen tak, aby zvládl náročnou práci v nestrukturovaných prostředích,“ vysvětluje Martindale. „Za tímto účelem může zvednout až 200 liber [90 kg]. Je v poslední fázi vývoje."

Hloubka a šířka těchto řešení nezůstane bez povšimnutí – ve skutečnosti si některé z největších světových průmyslových firem již uvědomují výhody těchto řešení exoskeleton. Automobilové výrobní závody BMW Group v Německu například údajně používají řešení od Ekso Bionics i Noonee. Řešení společnosti Levitate eliminovalo zranění a kompenzační náklady pracovníků za určité režijní práce v Toyota Motor Manufacturing North America.

Německá automobilka Audi používá ve své výrobě židli bez židle. Mezitím Ford po úspěšném pilotním programu přidal první generaci nositelného exoskeletu Ekso Bionics, EksoVest, do 15 montážních závodů v sedmi zemích. A jeden z největších britských dodavatelů, Willmott Dixon, vyzkoušel EksoVest jako řešení na několika staveništích po celé zemi.

„K cti průmyslových zaměstnavatelů je třeba říci, že mnozí nyní hledají ergonomická řešení v rámci omezení požadavků opakujících se fyzických prací,“ říká Pratt. „Primárními průmyslovými odvětvími jsou zpracovatelský průmysl, automobilový průmysl, potravinářský průmysl a stavebnictví. Naši zákazníci používají naše řešení exoskeleton k podpoře předvídatelného výkonu a produktivity.

„Kromě toho naši zákazníci těží také z náboru a udržení talentů, snížení nákladů na absenci, lepší zapojení zaměstnanců a vyšší úroveň morálky u pracovníků, kteří se cítí chráněni a podporováni při vykonávání své každodenní práce. .“

Mezitím ve snaze urychlit komercializaci svého produktu Sarcos Robotics vytvořila skupinu Exoskeleton Technical Advisory Group, která zahrnuje společnosti napříč průmyslovou výrobou, automobilovým průmyslem, letectvím, letectvím, stavebnictvím, ropou a plynem a veřejnými službami, včetně společnosti Bechtel. , Caterpillar, Delta, GE a Schlumberger, mimo jiné. Tyto společnosti spolupracují se společností Sarcos od března 2018 na identifikaci klíčových požadavků na výkon a bezpečnost.

Delta Airlines je první společností, jejíž zaměstnanci v první linii spolupracovali přímo se společností Sarcos na určení potenciálního provozního využití Guardian XO. „V lednu 2020 jsme oznámili partnerství se společností Delta a na výstavě Consumer Electronics Show 2020 jsme ukázali první veřejnou ukázku XO,“ říká Martindale. "Delta oznámila zkoušky XO se svými předními pracovníky pro úkoly manipulace se zavazadly."

S ohledem na tyto pokroky je snadné nadchnout se pro současnou aplikaci exoskeletonů – a odborníci se shodují, že před námi je ještě vzrušující budoucnost.

„V budoucnu by exoskeletony mohly fungovat také jako připojená zařízení, která poskytují určitou úroveň sledovatelnosti – poskytují pohled za dokončením úkolu a do podrobností o tom, jak byl úkol dokončen,“ říká Carrel-Billiard. „S konzumerizací můžeme navíc očekávat, že více exoskeletů bude podporovat každodenní aktivity v ještě více sektorech. Mimo průmyslový prostor již vidíme nové případy použití pro trénink, rehabilitaci a dokonce i rekreaci a očekáváme, že v budoucnu uvidíme ještě více aplikací, jak se technologie vyvine.“

Zawaideh očekává, že se exoskelety stanou standardním OOP stejně jako ochranné brýle, bezpečnostní obuv a postroje na ochranu proti pádu. "Očekáváme, že exoskeletony budou nařízeny mnoha průmyslovými odvětvími a také očekáváme, že budou nakonec dostupné spotřebitelům ve velkých obchodech, jako je Home Depot," říká.

Hoffman souhlasí: „Téma ergonomie na pracovišti je stále důležitější a v mnoha společnostech je již dobře implementováno,“ říká. „Proto budou v budoucnu exoskeletony nedílnou součástí pracovního světa. Jakmile jednou vyzkoušíte výhody exoskeletonů, není cesty zpět."