Промышленные экзоскелеты: силовые доспехи для горняков

В фильмах, комиксах и компьютерных играх экзоскелеты помогают героям обрести сверхсилу, делая их практически неуязвимыми и возводя в ранг супергероев. В реальности такая конструкция вряд ли позволит своему носителю спасти мир от вселенского зла. А вот помочь ему поднять груз намного тяжелее привычного и при этом не сорвать спину или в течение длительного времени работать в неудобном положении — запросто.

Сразу оговоримся: на современном рынке представлено несколько видов экзоскелетов: медицинские, военные, досуговые (например, для туристов или альпинистов). Мы же будем говорить о промышленных, предназначенных для повышения физических возможностей работников, снижения нагрузки и уровня травматизма.

Стоит отметить, что горнодобывающие компании довольно активно интегрируют решения, которые ещё недавно казались фантазией футуристов: спецтехника, работающая без оператора, технологии виртуальной реальности, цифровые двойники и, конечно, нейросети — всё это уже можно найти на предприятиях отрасли, в том числе в России.

Читайте также:

Цифровая революция под землёй: беспилотные самосвалы и искусственный интеллект в российских шахтах

Прототипы экзоскелетов и современные решения

Промышленные экзоскелеты пополнили этот перечень технологических новинок относительно недавно: первые упоминания о тестировании такого оборудования на отечественных предприятиях ГМК относятся к 2019-2020 годам. Но, как это часто бывает с передовыми технологиями, идея создания внешнего каркаса для усиления возможностей тела человека, заложенных в него природой, появилась задолго до того, как это стало возможным реализовать на практике. 

История этого изобретения уходит корнями в XIX век, к разработкам русского инженера-механика Николая Ягна. В 1890-х годах он запатентовал несколько идей, которые можно считать прототипом экзоскелета. Правда, материального воплощения конструкция, призванная помочь носителю с лёгкостью перемещаться в пространстве, так и не получила. 

В середине 1960-х годов инженер Корнельского университета Нил Майзен разработал 15,8-килограммовый носимый каркасный экзоскелет, получивший название «костюм сверхчеловека» или «человеческий усилитель». С его помощью можно было поднимать груз весом более 450 кг каждой рукой. Примерно в то же время американская компания General Electric представила концепт экзоскелета Hardiman. Модель, состоящая из закреплённого на человеке костюма и внешнего каркаса, должна была увеличить силу оператора в 25 раз.

В обоих случаях работа механизмов оказалась нестабильной, и проекты пришлось свернуть. Последующие разработки долгое время обрывались на уровне прототипов, но каждая из них приближала учёных к конечной цели. Они не теряли надежду найти решение, чтобы сделать человека сильнее и выносливее. И добились своего: с развитием 3D-печати, появлением лёгких и прочных сплавов проблема создания эргономичных и надёжных деталей экзокостюмов была решена.

Следующим шагом стало обеспечение силовой конструкции источником энергии: чтобы роботизированный «внешний скелет» работал дольше, батарея должна быть мощной, но не тяжёлой, иначе вместо оптимизации оператор получит дополнительную нагрузку. Холодный ядерный синтез, к которому прибег персонаж вселенной Marvel Тони Старк для создания своего «Железного человека», нам пока недоступен. Но альтернативы инженеры всё же нашли: чаще всего в автономные экзоскелеты встроены литий-ионные аккумуляторы. Для стационарной работы используют приводные модели с кабелем питания.

1. Источник энергии необходим, если речь идёт об активных, или силовых экзоскелетах — так называют механизмы, оснащённые электроприводами, которые помогают существенно увеличить силу, выносливость и грузоподъёмность человека, снижая травматизм на производстве.
2. В отличие от них пассивные экзоскелеты не оборудованы сервоприводами, пневматикой или электрикой. Принцип их работы основан на гидравлических приводах или других схожих механизмах. Эта более простая конструкция тем не менее тоже может быть весьма полезна на производстве, поскольку позволяет оператору перераспределить нагрузку на мышцы и опорно-двигательный аппарат, расширить его физические возможности и защитить от травм, а в перспективе предотвратить профессиональные заболевания, вызванные длительной физической активностью.
3. Официальная классификация промышленных экзоскелетов включает также полуактивный тип оборудования. Этот промежуточный вариант сочетает пассивную рычажную структуру с активными элементами (блокаторами, тормозами), но без мощных электроприводов. Если активные экзоскелеты усиливают движения человека с помощью моторов, то полуактивные блокируют сочленения, позволяя удерживать тяжёлый инструмент или груз длительное время без энергозатрат человека.

Опыт применения: экзоскелеты на российских предприятиях ГМК

Как мы уже говорили ранее, в отечественной горно-металлургической отрасли средства автоматизации внедряют активно, однако ряд производственных процессов всё ещё характеризуется высокой долей ручного труда. В основном он сохраняется при техническом обслуживании оборудования, монтажных работах и выполнении вспомогательных операций, а также при работе в труднодоступных условиях. 

Ручные операции повышают риски травматизма и снижают производительность, поэтому на предприятиях задумались о том, чтобы не заменять людей роботами, а повысить их безопасность и продуктивность другим способом — с помощью промышленных экзоскелетов.

«Норникель»: от прототипа до серийного производства

В 2019 году стало известно, что за разработку такой конструкции взялись специалисты «Цифровой лаборатории» — R&D-подразделения «Норникеля» вместе с учёными Юго-Западного госуниверситета и компанией «Смирнов Дизайн». А уже в начале 2020-го на базе вуза состоялась презентация промышленного экзоскелета ExoHeaver. 

Он позиционируется разработчиками как пассивный экзоскелет, выполненный из авиационного алюминия и способный поднимать до 60 кг, принимая при этом на себя до 90% нагрузки. Модель подходит для применения в шахтах и бункерах, где использование тяжёлой техники попросту невозможно из-за её размеров. 

Испытания прототипов экзоскелета проходили при участии сотрудников подразделений «Норниркеля», в том числе ООО «Норильскникельремонт». Заместитель директора компании Виктор Диконенко отметил, что с помощью этого оборудования один работник может выполнять тот же объём задач, связанных с тяжёлыми физическими нагрузками, что и трое человек без аналогичной экипировки.

Разработчики подчёркивали наличие ряда конструктивных особенностей ExoHeaver:

• защита плеч с электрической лебёдкой для поднятия тяжестей;
• «третья рука» — механический манипулятор, способный удерживать вместо оператора тяжёлый инструмент;
• упоры для сидения, позволяющие долго работать в положении сидя.

Говоря о перспективах совершенствования экзоскелета, заведующий кафедрой механики, мехатроники и робототехники Сергей Яцун отмечал курс на интеллектуализацию этого оборудования. Речь шла об установке датчиков для отслеживания веса поднимаемого груза и мониторинга окружающей обстановки. 

В 2020 году компания объявила о выпуске предсерийного образца с элементами интеллектуализации. По словам руководителя проекта Сергея Радькова, помимо самого экзоскелета, конструкция предусматривает наличие бортового компьютера, который в режиме реального времени помогает отслеживать в том числе уровень загазованности воздуха, температуру, освещённость и режим работы пользователя. Все данные выводятся на мобильное устройство или в корпоративную сеть.

В 2024 году стало известно, что устройство передали по лицензии группе компаний «ТехноСпарк» (входит в контур «Роснано»). Для запуска серийного производства промышленных экзоскелетов была создана компания LoadAssist — по заявлению учредителей, её производственных мощностей достаточно для выпуска до 1000 комплектов оборудования в год. Помимо флагманской модели весом 20 кг и грузоподъёмностью до 60 кг, компания объявила о разработке ещё трёх модификаций, уже без лебёдки: 

• облегчённый вариант экзоскелета, 
• модель для поддержки спины,
• устройство для разгрузки рук.

«Металлоинвест»: экзоскелеты на горно-обогатительных комбинатах

Как отмечали участники проекта ExoHeaver, прототипы промышленного экзоскелета тестировали в пилотном режиме не только на собственных площадках «Норникеля», но и на других предприятиях: «Северсталь», «Газпромнефть» и «РУСАЛ». Работы по улучшению конструкции велись с учётом их рекомендаций. Также в компании отметили, что интерес к разработке проявляли другие участники отрасли, такие как ММК, «ЕВРАЗ», ОМК, «Роснефть», НЛМК, «АЛРОСА» и другие.

Так, в 2020 году испытания промышленных экзоскелетов прошли в ГК «Металлоинвест» — на Лебединском ГОКе в рамках пилотного проекта по трансформации системы технического обслуживания и ремонта. В качестве площадки для тестовых работ была выбрана фабрика окомкования, где как раз стартовали ремонтные работы. Ежедневно специалистам приходилось монтировать на обжиговые тележки по 24 ролика, каждый весом от 47 до 58 кг.

Чтобы облегчить этот труд, в помощь им выдали экзоскелеты двух моделей: ExoHeaver LOWEBACKER, предназначенный для транспортировки объектов весом до 30 кг, и ExoHeaver Active Electric, рассчитанный на подъём грузов массой до 60 кг. Испытания подтвердили, что такая экипировка значительно снижает нагрузку на позвоночник и мышцы сотрудников, а также предохраняет их от ударов и других механических повреждений. 

После того как персонал подтвердил готовность внедрить экзоскелеты в практику работы, учёные Юго-Западного государственного университета совместно со специалистами ГОКа проработали методику применения экзоскелетов на различных производственных участках. Затем сотрудники комбината прошли обучение на базе вуза — во Всероссийском центре по теоретической и практической подготовке специалистов к применению в работе экзоскелетов.

А уже в 2025 году эффективность экзоскелетов проверили на Михайловском ГОКе: силовые костюмы передали работникам дренажной шахты, а также в мастерские  — столярную и механическую. Экипировка ProEXO — разработка компании «Ростех — Доверенные платформы Робототехнические комплексы», запущенная в производство в 2021 году. Модель, которую выбрали для испытаний на ГОКе, достаточно лёгкая в сравнении с теми, о которых шла речь выше, — около 4 кг. При этом грузоподъёмность устройства составляет до 50 кг. Экзоскелет принимает на себя две трети веса груза, который перемещает оператор, — то есть вместо полусотни килограммов человек ощущает лишь 20.

В компании не уточняют, какая именно модель ProEXO используется на производстве. На сегодняшний день в линейке промышленных экзоскелетов этого бренда, производителем которых заявлено ООО «ЭКЗО СОЛЮШЕНС», более десятка наименований, включая отдельные поддерживающие устройства для рук и поясницы. 

Экзоскелет — решение эффективное, но не универсальное

В «Северстали» тоже не стали останавливаться на одной модели экзоскелета. Интерес к этому оборудованию специалисты компании проявили ещё в 2018 году, и в тот момент их внимание привлекли разработки «Норникеля». Возможности ExoHeaver специалисты протестировали на нескольких площадках холдинга, включая ресурсное предприятие «Воркутауголь». 

Затем компания закупила партию из 30 промышленных экзоскелетов в ООО «Экзорайз» (EXORISE) для испытаний на Череповецком металлургическом комбинате. После того как устройства X-Soft получили положительную оценку работников нескольких участков (в частности, в цехе отделки металла № 1, цехе полимерных покрытий № 1 и в комплексе доменной печи № 4), их запустили в опытно-промышленную эксплуатацию.

Любопытно, что в 2019 году, когда в «Норникеле» только начинали разработку промышленного экзоскелета, компания провела практическую конференцию по применению такого оборудования в ГМК. Мероприятие прошло на Медном заводе — по словам организаторов, не случайно: именно здесь, где зафиксирована большая доля ручного труда, и родилась идея использовать вспомогательные устройства для облегчения работы персонала.

В ожидании запуска производства собственного «детища» в «Норникеле» продолжили работу по поиску оптимальных решений для повышения производительности труда и снижения травматизма среди персонала. Очередным шагом на пути к внедрению экзоскелетов стало приобретение партии экзоскелетов EXORISE.

В 2023 году 52 устройства пассивного типа X-Soft поступили в цех электролиза меди (ЦЭМ) Медного завода. В компании отметили, что производитель доработал существующую модель экзоскелета под конкретные условия производства. Эргономичная конструкция позволяет снизить нагрузку оператора на позвоночник до 30%. Такой эффект достигается благодаря применению запатентованной системы эластомеров и рессор, которые обладают способностью накапливать и отдавать энергию.

В процессе испытаний работники завода заявили, что для выполнения некоторых операций данная модель экзоскелета не подходит. В то же время на ряде участков персонал высоко оценил преимущества нового снаряжения — например, на участке готовой продукции, где его используют при перемещении и складировании катодов меди весом от 60 до 120 кг.

К таким же противоречивым выводами пришли и сотрудники Кольской горно-металлургической компании, дочерней структуры «Норникеля». Здесь испытаниям подверглись две модели промышленных экзоскелетов EXORISE: уже упомянутые X-Soft, которые снимают нагрузку с позвоночника, и X-Rise — эта модификация предназначена для поддержки плечевого пояса (здесь также используются эластомеры, которые обеспечивают длительную фиксацию рук в верхнем положении).

Возможности экзоскелетов проверяли работники аварийно-спасательной службы, транспортного цеха, цеха электролиза никеля и рафцеха Кольской ГМК. Оказалось, что не для всех видов работ такое оборудование подходит. Так, спасатели по результатам плановых пожарно-тактических занятий отметили, что модель X-Soft облегчает движения при подъёме и опускании груза.

Однако надеть экзокостюм быстро не получится, и это снижает мобильность сотрудников и оперативность реагирования в чрезвычайной ситуации. В то же время работники транспортного цеха отметили немало преимуществ нового вида СИЗ, включая отличную поддержку рук и спины. Впрочем, и им нашлось что предложить для повышения эффективности устройств — например, сделать крепления более удобными и предусмотреть разные степени захвата рук.