Voimasidonta: eksoskeletonit työssä | E&ampT-lehti

Yli 50 vuotta sitten General Electricin insinööri ja robotiikan edelläkävijä Ralph Mosher esitti uraauurtavan teknisen paperin vuoden 1967 Automotive Engineering Congressissa Detroitissa Yhdysvalloissa, jossa hän esitteli näkemyksensä eksoskeletonin käytöstä ja kehittämisestä.

"Ihminen ja kone voidaan yhdistää intiimiksi, symbioottiseksi yksiköksi, joka toimii pohjimmiltaan yhtenä kokonaisuutena", hän kirjoitti. ”Ihmisen adaptiivinen refleksiohjaus voidaan välittää suoraan mekanismiin niin, että mekanismi reagoi ikään kuin se olisi ihmisen luonnollinen jatke. ...Lisäksi ympäristöt, jotka ovat normaalisti ihmisille vihamielisiä, eivät vaikuta koneeseen."

Silloin tämä oli ylevä visio, mutta sellainen, jonka toteuttamiseksi Mosher työskenteli kovasti. "Mosher oli yksi eksoskeletonin varhaisimmista pioneereista, ja hän työskenteli yhdessä Yhdysvaltain armeijan kanssa tuodakseen koneita lähemmäs kehoa", selittää Chris Hunter, kokoelmista ja näyttelyistä vastaava varapuheenjohtaja Museum of Innovation and Sciencessa New Yorkissa. "Yhdessä he kehittivät "Hardimanin" - eksoskeleton, joka koostui kahdesta puvusta, pääpuvusta, joka ohjasi orjapukua, jota myös käyttäjä käyttää."

Orjapuku sai voimansa hydrauliikasta ja sähköstä, ja se lisäsi käyttäjän voimaa kertoimella 25, joten 110 kg:n nostaminen tuntuisi 4,5 kg:n nostamisesta. Valitettavasti itse puku painoi kuitenkin 680 kg ja vasteaika oli uskomattoman hidas, kuten myös sen kävelynopeus. Lisäksi virheet aiheuttivat "koneen väkivaltaista ja hallitsematonta liikettä", kun molempia jalkoja liikutettiin samanaikaisesti. Ei tullut yllätyksenä, kun nämä haasteet päättivät Hardiman-projektin vuonna 1971.

Paljon on muuttunut näiden varhaisten edistysten jälkeen. "Innovaatiot ovat olleet räjähdysmäisesti biomekaniikan, proteesien, robotiikan ja ohjausjärjestelmien, ihmisen ja koneen välisten rajapintojen, päätelaitteiden, mekatronisten osajärjestelmien ja tehonhallinnan aloilla", selittää Kristi Martindale, yhdysvaltalaisen teknologiayrityksen Sarcos Roboticsin tuotejohtaja. "Tämä kehitys on ajan mittaan johtanut eksoskeletonteknologioiden kaupalliseen elinkelpoisuuteen."

"Eksoskeletoista on myös tullut kevyempiä, tehokkaampia ja ne pystyvät jäljittelemään tarkemmin liikettä kuten ihmisen kävelyä", lisää Marc Carrel-Billiard, ylikansallisen asiantuntijapalveluyrityksen Accenturen teknologiainnovaatioiden johtaja. "Tämä tekee niistä turvallisempia ja käytännöllisempiä kuin koskaan ennen."

Tämän seurauksena uusia eksoskeletonyrityksiä on vuosien varrella lisääntynyt. "Olemme olleet mukana alusta asti, mutta nykyään maailmanlaajuisesti yli 80 eksoskeletonyritystä yrittää ratkaista monimutkaisia ​​inhimillisiä tekijöitä eksoskeletonin avulla", selittää Michael Pratt, Kaliforniassa toimivan Ekso Bionicsin varatoimitusjohtaja.

Tämän maailmanlaajuisen ponnistelun odotetaan johtavan todelliseen markkinoiden kasvuun. ABI Research ennustaa, että robottien eksoskeletonmarkkinoiden arvo saavuttaa 1,8 miljardia dollaria vuonna 2025, kun se vuonna 2014 oli 68 miljoonaa dollaria. Sen jälkeen se kasvaa massiivisiin 11,5 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, ja koko keholla toimivien teollisten eksoskeletonjen osuus tästä määrästä on lähes 50 prosenttia. "Nämä ovat merkittäviä lukuja, ja ne todella korostavat eksoskeletonin markkinamahdollisuuden kokoa", Martindale sanoo.

Tämän kasvun myötä käyttökohteet lisääntyvät, erityisesti rakennus- ja valmistustoimialoilla, joissa työntekijät kuljettavat ja siirtävät raskaita kuormia ja liikkuvat toistuvasti.

"Selkävammat ovat tällä hetkellä toiseksi yleisin työkyvyttömyyden syy Yhdysvalloissa, ja niiden taloudellinen vaikutus on arviolta 100 miljardia dollaria vuodessa", Carrel-Billiard sanoo. ”Eksoskeletonit antavat työntekijälle enemmän voimaa, ketteryyttä ja kestävyyttä ja voivat antaa heille mahdollisuuden nostaa raskaita esineitä, mikä vähentää henkilöstön kokonaiskuormitusta. Samaan aikaan passiiviset eksoskeletonit – sellaiset, jotka eivät vaadi ulkoista virtaa – ovat kustannustehokas vaihtoehto fyysisen rasituksen vähentämiseen, ja ne voidaan tarjota tuhansien työntekijöiden käyttöön.”

"Työ rakennustyömaalla on fyysisesti vaativaa työtä", lisää Saskia Duch, Hiltin Pohjois-Euroopan aluetuotepäällikkö. ”Työntekijät suorittavat päivän aikana lukuisia tehtäviä, joilla voi olla negatiivinen vaikutus heidän mukavuuteensa sekä terveyteensä ja turvallisuuteensa. Exoskeleton-järjestelmä tarjoaa oikean tason tuen näiden sovellusten suorittamiseen mukavammin, mikä vähentää väsymystä ja estää muita tehtäviä estymästä. Eksoskeleton on myös suunniteltu kestämään ympäristöjä, joissa on pölyä, mikä on tärkeä tekijä työmaiden tuottavuuden ja turvallisuuden kannalta."

Juuri näissä skenaarioissa useat yritykset edistyvät todellisuudessa. Esimerkiksi Nooneen tuoliton tuoli tukee käyttäjiä heidän kyykistyessään tai seisoessaan samassa asennossa pitkiä aikoja.

"Chairless Chair 2.0 on nyt kolmas tuotesukupolvi, ja sitä on kehitetty jatkuvasti yhteistyössä tunnettujen autonvalmistajien kanssa", selittää Katrin Hoffmann, Nooneen tiedottaja. ”Exoskeleton ohjaa 64 prosenttia jalkojen kantamasta kehonpainosta ja lievittää selän rasitusta. Tämä tekee tuolittomasta tuolista niin erityisen. Ylävartalon eksoskeletonit tukevat voimaa, mutta eksoskeletonin ylimääräinen paino on kannettava. Tuoliton tuoli puolestaan ​​siirtää suurimman osan painosta eksoskeleton jalkojen kautta maahan."

Hiltin ratkaisu puolestaan ​​keskittyy yleiskustannuksiin. "Exoskeleton on ainutlaatuinen lisä Hilti-tuotevalikoimaan ja tarjoaa asiakkaille seuraavan tason tukea työskentelyn aiheuttaman väsymyksen ja kivun vähentämisessä", Duch selittää. "Se on suunniteltu oikealla tasapainolla tukivoiman, liikkumisvapauden ja mukavuuden välillä, jotta asiakkaat voivat käyttää sitä koko päivän."

Duch sanoo, että Hilti-järjestelmä parantaa tuottavuutta, koska se antaa työntekijöille mahdollisuuden suorittaa vaikeita tehtäviä vähemmän kipua ja väsymystä. "Järjestelmä luo voimat, jotka tukevat kuljettajan käsivartta työskentelyn aikana, vähentäen olkanivelten kuormitusta ja vähentäen olkanivelvamman riskiä, ​​jota voi usein esiintyä työskenneltäessä pään yläpuolella säännöllisesti", hän sanoo. "Lisää tähän kalustohallintamme, suoramyyntimme ja digitaaliset palvelumme, niin saat ainutlaatuisen tarjouksen."

Kalifornialainen Levitate Technologies on myös luonut ylävartalon eksoskeleton – sellaisen, jonka yrityksen markkinoinnista ja liiketoiminnan kehittämisestä vastaava varajohtaja Joseph Zawaideh sanoo olevan riittävän matalaprofiilinen, riittävän kevyt, riittävän toimiva ja hengittävä ollakseen käytännöllinen. ja loppukäyttäjä käyttää sitä päivittäin. "Tämä käytännöllisyys tekee siitä helpon käyttää, mikä lisää loppukäyttäjien omaksumista", hän selittää. "Se on ainoa ylävartalon eksoskeleton, jonka maailmanluokan valmistajat ovat luokitelleet ja määrääneet henkilösuojaimille (PPE).

Ekso Bionicsin EVO Industrial Exoskeletonin avulla käyttäjä voi nostaa ja pitää sähkötyökaluja ikään kuin ne eivät painaisi ollenkaan. "Toisen sukupolven teollisen eksoskeletonissamme EVO:ssa on uudet suunnitteluperiaatteet, jotka lisäävät teollisuusurheilijoiden kykyjä ja tukevat heitä heidän päivittäisen työnsä fyysisessä luonteessa", Pratt sanoo. ”EVO kehitettiin laajan kokemuksen perusteella tosielämän sovelluksista. Mitä tulee ylävartalon eksoskeletoneihin, EVO on ainutlaatuisen kevyt, joustava ja kestävä. EVO:n uusi muotoilu seuraa vartalon luonnollista liikettä ja mahdollistaa rajoittamattoman liikeradan, joka tukee käyttäjää parhaiten ja parantaa samalla hänen kestävyyttään.

Vaikka nämä ratkaisut ovat kaikki uskomattoman vaikuttavia, markkinoilla on tällä hetkellä vain yksi kokovartaloinen, akkukäyttöinen eksoskeleton, joka onnistuu kääntämään Rosherin varhaisen vision todellisuudeksi – ja se on Sarcos Roboticsin Guardian XO.

Kaksikymmentä vuotta valmistetussa Guardian XO:ssa käytetään yli 125 robottiin integroitua anturia ympäristöolosuhteiden ja käyttäjän liikkeen havaitsemiseen. Puvun paino ja hyötykuorma siirtyvät puvun rakenteen kautta maahan ja kuormittavat 100 prosenttia työntekijän kantamasta painosta sekä itse puvun painosta. Tämä tarkoittaa, että käyttäjä voi tehdä tuntikausia fyysisesti vaativaa työtä puvussa nostaen ja käsittelemällä raskaita esineitä toistuvasti aiheuttamatta rasitusta tai vammoja keholleen.

"Guardian XO on suunniteltu selviytymään haastavista töistä järjestäytymättömissä ympäristöissä", Martindale selittää. "Sitä varten se voi nostaa jopa 90 kg. Se on kehityksen loppuvaiheessa."

Näiden ratkaisujen syvyys ja leveys eivät jää huomaamatta – itse asiassa jotkut maailman suurimmista teollisuusyrityksistä ovat jo ymmärtäneet näiden eksoskeletonratkaisujen edut. Esimerkiksi BMW Groupin Saksan autotehtaiden kerrotaan käyttävän sekä Ekso Bionicsin että Nooneen ratkaisuja. Levitaten ratkaisu on eliminoinut tapaturmat ja työntekijöiden korvauskulut tietyistä yleisistä töistä Toyota Motor Manufacturing North Americassa.

Saksalainen autovalmistaja Audi käyttää tuolitonta tuolia tuotantokerroksessa. Samaan aikaan Ford on lisännyt Ekso Bionicsin ensimmäisen sukupolven puettavan eksoskeleton, EksoVestin, 15 kokoonpanotehtaalle seitsemässä maassa onnistuneen pilottiohjelman jälkeen. Ja yksi Britannian suurimmista urakoitsijoista, Willmott Dixon, on kokeillut EksoVestiä ratkaisuna useilla rakennustyömailla eri puolilla maata.

"Teollisuuden työnantajien kunniaksi monet etsivät nyt ergonomisia ratkaisuja toistuvien fyysisten töiden asettamien rajoitusten puitteissa", Pratt sanoo. ”Päätoimialat ovat valmistus, autoteollisuus, elintarviketeollisuus ja rakentaminen. Asiakkaamme käyttävät exoskeleton-ratkaisuamme parantaakseen ennustettavaa suorituskykyä ja tuottavuutta.

"Tämän lisäksi asiakkaamme hyötyvät myös osaajien rekrytoinnista ja säilyttämisestä, poissaolojen alenemista kustannuksista, parantuneesta työntekijöiden sitoutumisesta ja korkeammasta moraalista työvoimassa, joka tuntee olevansa suojattu ja tuettu päivittäisessä työssään. .”

Sillä välin nopeuttaakseen tuotteensa kaupallistamista Sarcos Robotics on perustanut Exoskeleton Technical Advisory Groupin, johon kuuluu yrityksiä teollisuustuotannosta, autoteollisuudesta, ilmailusta, ilmailusta, rakentamisesta, öljystä ja kaasusta sekä yleishyödyllisistä yrityksistä, mukaan lukien Bechtel. , Caterpillar, Delta, GE ja Schlumberger. Nämä yritykset ovat työskennelleet Sarcosin kanssa maaliskuusta 2018 lähtien tunnistaakseen keskeiset suorituskyky- ja turvallisuusvaatimukset.

Delta Airlines on ensimmäinen yritys, jonka etulinjan työntekijät ovat työskennelleet suoraan Sarcosin kanssa selvittääkseen Guardian XO:n mahdollisia käyttötarkoituksia. "Tammikuussa 2020 ilmoitimme yhteistyöstä Deltan kanssa ja näytimme XO:n ensimmäisen julkisen esittelyn vuoden 2020 Consumer Electronics Show'ssa", Martindale sanoo. "Delta ilmoitti XO:n kokeista etulinjan työntekijöiden kanssa matkatavaroiden käsittelytehtävissä."

Nämä edistysaskeleet huomioon ottaen on helppo innostua eksoskeletonin nykyisestä sovelluksesta – ja asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että edessä on vielä jännittävämpi tulevaisuus.

"Tulevaisuudessa eksoskeletonit voisivat toimia myös yhdistettyinä laitteina, jotka tarjoavat tietyn tason jäljitettävyyttä – tarjoavat tietoa tehtävän suorittamisen jälkeen ja yksityiskohtiin siitä, kuinka tehtävä on suoritettu", Carrel-Billiard sanoo. "Lisäksi kulutuksen myötä voimme odottaa enemmän eksoskeletoneja tukemaan jokapäiväistä toimintaa entistä useammilla sektoreilla. Teollisuustilojen lisäksi näemme jo uusia käyttötapoja koulutukseen, kuntoutukseen ja jopa virkistykseen, ja odotamme näkevämme entistä enemmän sovelluksia tulevaisuudessa tekniikan kehittyessä.

Zawaideh odottaa, että ulkopuolisista luurankoista tulee tavallisia henkilönsuojaimia, kuten suojalaseja, turvajalkineita ja putoamissuojavaljaita. "Odotamme monien teollisuudenalojen valtuuttavan eksoskeletoneja, ja odotamme myös niiden olevan lopulta kuluttajien saatavilla suurissa myymäläliikkeissä, kuten Home Depot", hän sanoo.

Hoffman on samaa mieltä: "Työpaikan ergonomia on yhä tärkeämpi aihe ja se on jo hyvin toteutettu monissa yrityksissä", hän sanoo. ”Siksi eksoskeletonit ovat tulevaisuudessa olennainen osa työelämää. Todellakin, kun olet kokenut eksoskeleton edut, ei ole paluuta."