A nehéz szerszámok, tárgyak kezeléséből, hajolgatásból és egyéb fizikailag megerőltető munkából adódó betegségek és sérülések a mai napig igen komoly problémát jelentenek a gyártóiparban. Bár fejlesztésük kezdeti fázisában vannak, mégis hatékony megoldást jelenthetnek az ipari exoskeletonok.
Ma, amikor egyre többet hallunk az ipari digitalizációról, automatizációról és okos gyárakról, hajlamosak vagyunk megfeledkezni az emberi munkaerő fontosságáról. Kétségtelen, hogy a nehezen végezhető, repetitív fizikai munkát célszerű robotokkal végeztetni, hiszen amellett, hogy sokkal nagyobb a teherbírásuk, nem sérülnek le és állandó munkavégzésre is képesek.
Egy dinamikus gyártói vagy raktári környezetben viszont, ahol sok termék készül viszonylag kis sorozatokban, az automatizáció vagy kivitelezhetetlen vagy nagyon költséges. Ilyenkor nélkülözhetetlen az emberi munkaerő. A fizikai munkát végző alkalmazottak azonban hatalmas megterhelésnek vannak kitéve, ezért nagy százalékuknál lépnek fel különböző vázizomzati megbetegedések, hát-, nyak- és váll fájdalmak, ennek következtében pedig akár gyógyíthatatlan sérülések is.
A problémás munkakörülmények felszámolására a washingtoni székhelyű NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health = Munkahelyi Biztonság és Egészség Nemzeti Intézménye) által meghatározott kockázatkezelési hierarchia számít irányadó stratégiának. Ez alapján elsősorban a munkakörülmények újratervezésével (szerszámok és alapanyagok súlyának csökkentése, a munkaterület átalakítása, stb.) orvosolhatjuk leghatékonyabban az esetleges veszélyforrásokat. Ez a megoldás viszont, – forráshiány vagy éppen fizikai korlátok miatt – a legtöbb esetben sajnos nem megvalósítható.
Éppen emiatt válik egyre fontosabbá az exoskeletonok, azaz mesterséges külső vázak használata. A technológia nem annyira új keletű, mint gondolnánk, a kezdeti fejlesztések egészen a 60-as évekig nyúlnak vissza, noha a piacképes modellek csak a 21. század elején jelentek meg. Ezeket kezdetben főként az egészségügyi ipar számára fejlesztették (Lokomat), a 2000-es évek végére pedig számos katonai alkalmazás is napvilágot látott (BLEEX, HULC).
Hocoma Lokomat járás rehabilitáló exoskeleton
Az igazi áttörést a következő évtized hozta, az egészségügyi és katonai modellek mellett ugyanis egyre több vállalat kezdett ipari exoskeletonok fejlesztésébe. Ma ugyan még több egészségipari alkalmazás létezik, a közeljövőben ez az arány jelentősen megváltozhat. Ennek két fő oka, hogy a gyártóipari cégek potenciálisan sokkal többet tudnak ebbe fektetni, valamint ezen a területen három nagyon fontos előnyt kínálnak: kevesebb sérülést és betegszabadságot, ezáltal alacsonyabb egészségügyi költségeket; könnyített munkavégzést, így csökkentett fáradékonyságot és megnövekedett produktivitást; valamint a tapasztalt szakemberek munkabíró képességének meghosszabbítását.
De mi is az az exoskeleton?
A mesterséges külső vázak olyan viselhető, mechanikus rendszerek, melyek képesek növelni egy ember fizikai teherbírását. Többféleképpen kategorizálhatók, így megkülönböztethetünk aktív (az emberi izmokat és ízületeket motorikusan, hidraulikusan vagy pneumatikusan segítő) és passzív (mozgási energiát tároló és ezzel mozgást vagy egy adott póz megtartását segítő) exoskeletonokat. Emellett csoportosíthatjuk őket a támogatott testrészek (alsó végtagok, felsőtest, teljes-test), illetve az ember antropometriájához való igazodásuk szerint, azaz, hogy milyen mértékben tudják leutánozni az emberi mozgásokat.
Exoskeletonok a gyártásban
A fizikai munkát végzők számára a legnagyobb megterheléssel járó feladatokat a nehéz alapanyagok emelése és mozgatása, illetve a nehéz szerszámok kezelése jelenti. Ennek megfelelően a gyártásban használt exoskeletonok célja az ilyen műveletekből adódó terhek csökkentése. Eszerint 6 különböző kategóriába sorolhatók:
- Szerszámtartó exoskeleton: általában passzív külső váz, ami egy rugós kar segítségével segíti a nehéz szerszámok megtartását
- Szék nélküli szék: munkanadrágra húzható, kimerevíthető, könnyűsúlyú váz, ami a sok állást vagy guggolást igénylő folyamatokban segíti a póz megtartását
- Háttámaszos exoskeleton: ez a váz segíti a hát megfelelő tartását és csökkenti a gerincre és hátizmokra eső terhelést hajolgatás közben
- Motoros kesztyű: mechanikus kesztyű, amely segít a szorításban (pl. szerszámok megfogásánál)
- Teljes testes motorizált öltözet: a teljes test teljesítőképességét növelő külső váz (ma már kevés ilyet fejlesztenek, de néhány évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy gyártói környezetben ez lesz a leggyakoribb típus)
- Segéd robotika: plusz kezekként funkcionáló exoskeleton, amelyet a szerszámok vagy munkadarabok megtartására használnak (a szerszámtartó exoskeletonokhoz képest ezek aktív, külön vezérelhető külső vázak)
A fejlesztések jelenlegi helyzete
Tekintve, hogy a piacon csak az elmúlt néhány évben kezdtek megjelenni az ipari modellek, az erre szakosodó vállaltok száma még relatíve alacsony, fejlesztéseik gyerekcipőben járnak. Ennek ellenére már most is számos különböző megközelítés és alkalmazás létezik, amik a jövő tömeggyártásának alapját jelenthetik.
A legelőrehaladottabb projekt, a US Bionics-hoz tartozó suitX által fejlesztett MAX rendszer. A MAX három, akár önállóan is használható modulból összeálló, teljes testes, passzív külső váz. A rendszer a legkritikusabb testrészek, tehát a hát (backX), a váll (shoulderX) és a láb (legX) terhelését enyhítik. A backX két nyomatékgenerátorral segíti a nehéz tárgyak emelését és a hajolgatást, ezzel akár 60%-kal is képes csökkenteni a derékcsigolyák terhelését. A shoulderX szintén nyomatékgenerátorral működik, ezzel a karokra és vállra nehezedő gravitációs erőt redukálja. A legX a térdízületeket és combfeszítő izmokat érő terhelésen enyhít, guggolás vagy hosszabb ideig tartó állás közben. Ezt a modult akár rögzíteni is lehet, így szék nélküli székként is funkcionál.
suitX MAX teljes testes exoskeleton
Bár léteznek más, fejlesztés alatt álló, teljes testes külső vázak (Sarcos Guardian XO), a MAX, moduláris felépítése, ergonomikus, felhasználóbarát kialakítása, tesztelt eredményei és elérhető ára miatt egyedülállónak számít. Az exoskeletonok piacán jelenleg egyébként is főként az egy-egy kritikus testrészt célzó modellek jellemzőek.
Hát, gerinc, derék
Leggyakoribbak ezek közül a háttámaszos, tehát a hát izmait, a derékcsigolyákat és a gerincet érő terhelést enyhítő modellek. Ezek között vannak a fenti backX-hez hasonló passzív, de egyszerűbb kialakítású vázak: a Laevo V2-es modellje hajoláskor, a derekat érő terhelés egy részét a combokra helyezi, ezzel kímélve a kényes csigolyákat. Még ennél is egyszerűbb koncepcióra épül a StrongArm két ErgoSkeletonja: az FLX modell szimplán kialakításával gátolja, hogy használója helytelen testtartást vegyen fel, a V22-es modell pedig ezt a funkciót egészíti ki egy kábelrendszerrel, ami nehéz tárgyak emelésénél továbbítja a derékra és vállakra nehezedő terhet a teljes felsőtestnek.
De léteznek aktív változatok is, például a RoboMate Active Trunk, illetve az Atoun Model A és Model Y motoros hajtású vázai.
Atoun Model Y aktív háttámaszos exoskeleton
Vállak, karok
Szintén több vállalat kínálatában találunk felsőtestes, főként szerszámtartó exoskeletonokat, amik a vállak és karok terhelését könnyítik. A Lockheed Martin által fejlesztett Fortis első ránézésre akár teljes testes külső váz is lehetne. A szerszámot, a kezelhetőség érdekében egy giroszkóp tartja, ez csatlakozik egy rugós karhoz, ami a Fortis derékrészéhez van rögzítve. Az alsó végtagokhoz igazodó keret pedig a szerszám súlyának föld felé továbbításáért felel. Hasonló elven működik a Levitate Technologies AIRFRAME-je, azzal a különbséggel, hogy ez a váz nem a földnek, hanem a teljes felsőtestnek továbbítja a tartott súlyt.
Lockheed Martin Fortis szerszámtartó exoskeleton
A már említett RoboMate két szerszámtartó exoskeletont is kínál: míg az Active Arms korszerű huzalrendszerrel növeli a dolgozók teherbírását pakolás közben, a Passive Arms rugók segítségével támogatja a karokat. Ehhez hasonló passzív exoskeleton az Ekso Bionics által fejlesztett EksoVest is.
Lábak, térdek
A lábizmok és térdízületek tehermentesítéséért, illetve derékfájdalmak enyhítéséért, megelőzéséért főként a szék nélküli székek felelnek. A fentiekhez képest ezek egyszerűbb konstrukciók, ebből adódóan használatuk is könnyebb. A szék nélküli székként is funkcionáló legX mellett a noonee és az archelis is fejleszt ilyen termékeket.
noonee szék nélküli szék
A külső vázak jövője
A külső vázak ipari alkalmazása iránti érdeklődés még csak alig egy évtizede alakult ki, ma mégis számos piaci modell és aktív projekt létezik, az elkövetkezendő években pedig várhatóan ezek száma jelentősen megugrik. A fejlesztések most még korai stádiumban vannak, sok koncepciót csak laboratóriumi körülmények között teszteltek, az esetleges negatív hatásokat (megnövekedett lábizom aktivitás, nagyfokú diszkomfort, a támogatott izomzat igénybevételének hiánya, stb.) pedig még nem vizsgálták áthatóan.
Az eredmények ennek ellenére biztatóak, az esetek nagy részében az adott izomcsoportra, ízületre jutó terhelés jelentős mértékben csökkenthető, tehát potenciálisan visszaszorítható a munkahelyi fájdalmak, betegségek, sérülések kialakulásának mértéke. A technológiai korlátok és a szükséges biztonsági szabványok hiánya miatt a tömeges gyártásig még hosszú az út, de az irány már megvan és az első lépéseken is túl vagyunk.
Források:
https://www.researchgate.net/publication/282658769_Exoskeletons_for_industrial_application_and_their_potential_effects_on_physical_work_load
https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2016/03/04/exoskeletons/
https://exoskeletonreport.com/2016/04/exoskeletons-for-industry-and-work/