Ключевые слова: промышленный экзоскелет, пассивный экзоскелет, пассивная гравитационная компенсация, упругий элемент, упругий шарнир, винтовая пружина сжатия и растяжения.
Промышленные предприятия, строительные и логистические компании сталкиваются с необходимостью повышения эффективности трудовых процессов и безопасности работников, выполняющих физически сложные и трудоемкие операции, в том числе погрузочно-разгрузочные работы, вручную. На предприятиях нефтегазового комплекса при сооружении газопроводов, сетей газораспределения и газопотребления, промысловых трубопроводов, технологических трубопроводов и устройстве модулей инженерных сетей в стесненных условиях строительства, в том числе на территории производственных площадок или населенных пунктов, возникает необходимость переноса различных грузов, в том числе труб малых диаметров, вручную. Это допускается, если трубы имеют малый диаметр и небольшую массу. Примером таких труб являются стальные трубы по ГОСТ 3262-75 [1], полиэтиленовые трубы по ГОСТ Р 58121.2-2018 [2]. Согласно приказу от 28 октября 2020 г. № 753н Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации «Об утверждении правил по охране труда при погрузочно-разгрузочных работах и размещении грузов», осуществление погрузочно-разгрузочных работ допускается при соблюдении предельно допустимых норм разового подъема тяжестей (без перемещения): мужчинами – не более 50 кг; женщинам – не более 15 кг. Погрузка и разгрузка грузов массой от 50 кг до 500 кг должна осуществляться с применением грузоподъемного оборудования и устройств (лебедок, тельферов, блоков, талей и других устройств). Однако в стесненных условиях территории промышленных предприятий, строительных площадок или складских помещений не всегда имеется возможность применения вышеуказанного грузоподъемного оборудования, а подъем и перемещение груза массой даже менее 50 кг вручную в течение одной рабочей смены создает значительные физические нагрузки на спину, поясничный отдел позвоночника и верхний плечевой пояс работников, что может привести к росту профессиональных заболеваний и травм, увеличению утомляемости и снижению производительности труда, вследствие чего актуальной задачей становится разработка технических решений, способных решить данные проблемы. Одним из перспективных направлений для улучшения условий труда и снижения риска травм при погрузо-разгрузочных работах, в том числе в стесненных условиях, не позволяющих использовать грузоподъемное оборудование, в нефтегазовой и других отраслях промышленности на сегодняшний день является использование экзоскелетов.
Авторы статьи разработали конструкцию промышленного экзоскелета для верхней части тела с механизмом пассивной гравитационной компенсации на основе упругих шарниров с заданной силовой характеристикой, соединяющих рабочие звенья экзоскелета, создающих заданный восстанавливающий момент сил [3]. Разрабатываемый экзоскелет не требует подключения к внешнему источнику питания, что делает его удобным в эксплуатации и повышает мобильность пользователя.
Под термином «гравитационная компенсация» понимается свойство отдельных звеньев системы иметь статически устойчивые положения, не зависящие от вертикального перемещения звеньев. Различают активную и пассивную гравитационную компенсацию. Активная гравитационная компенсация достигается за счет использования системы управления, оснащенной приводами. Пассивная гравитационная компенсация может достигаться, например, за счет применения дополнительных масс, изменяющих положение центров масс звеньев системы, или использования упругих элементов, создающих силы, компенсирующие силу тяжести. Использование дополнительных масс, то есть специально подобранных грузов, которые закрепляются на отдельных звеньях системы, позволяет корректировать положение общего центра масс системы и тем самым компенсировать силу тяжести, обеспечивая статическое равновесие. Однако внедрение дополнительных масс может привести к общему увеличению габаритов и массы конструкции экзоскелета, из-за чего снижается его мобильность и удобство при эксплуатации. Использование упругих элементов, которые могут компенсировать действие гравитационных сил, представляется более предпочтительным.
Авторы предлагают использовать в конструкции экзоскелета упругие шарниры с заданной силовой характеристикой, соединяющие рабочие звенья экзоскелета и создающие заданный восстанавливающий момент сил [3], который компенсирует гравитационные силы и поддерживает необходимое статическое равновесие систем.
Корпус упругого шарнира, конструкция которого приведена в [3], выполнен с внутренней полостью заданной расчетной формы, на поверхности которой располагаются центрально-симметричные направляющие кулачковые поверхности, контактирующие с помощью роликов с по меньшей мере двумя радиально-расположенными упругими элементами, симметрично установленными относительно оси вращения вала, расположенного внутри полости корпуса с возможностью поворота вокруг ее центральной оси [3]. При контакте упругого элемента с направляющей кулачковой поверхностью возникает сила реакции опоры ролика, которая создает восстанавливающий момент сил, определяющийся как произведение силы реакции опоры ролика, действующей по нормали к направляющей поверхности, плеча этой силы (расстояния от оси вала до точки контакта ролика с направляющей поверхностью) и количества упругих элементов.
В качестве упругих элементов в шарнирах предлагается использовать винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения, которые при деформации аккумулируют потенциальную энергию, компенсируя воздействие гравитационных сил при подъеме и перемещении груза. При сгибании и разгибании верхних конечностей и спины при подъеме и укладке груза ролики, находящиеся внутри корпуса шарнира, перемещаются по направляющей поверхности, пружины при этом отклоняются на определенный угол от их первоначального положения (вертикали), величина которого зависит от количества пружин в шарнире и, в свою очередь, влияет на величину угла поворота самого шарнира. Недостатком конструкции упругого шарнира, приведенного в [3], является малый угол поворота упругого шарнира, что связано с тем, что направляющие кулачковые поверхности имеют центрально-симметричное расположение, что позволяет использовать только четное количество упругих элементов. При использовании двух упругих элементов центральный элемент шарнира обладает низким сопротивлением перемещению в направлении, перпендикулярном оси упругих элементов, а при установке четырех и более упругих элементов угол поворота шарнира становится меньше 90°, что ограничивает его использование в конструкции экзоскелетов [4]. Предпочтительным для использования в разрабатываемой конструкции экзоскелета является упругий шарнир с заданной силовой характеристикой, на внутренней поверхности корпуса которого также имеются направляющие для роликов заданной расчетной формы; внутри центрального элемента корпуса шарнира также расположен вал, который может вращаться вокруг оси корпуса, но при этом шарнир в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, содержит три упругих элемента, которые прикреплены к центральному элементу корпуса и взаимодействуют с направляющими поверхностями корпуса с помощью роликов, причем угол между упругими элементами составляет 120° [4].
Предлагаемая конструкция пассивного экзоскелета для верхней части тела основывается на системе из упругих шарниров и жестких стержней, которые образуют механическую структуру, обеспечивающую поддержку пользователя при выполнении работ по подъему и перемещению груза вручную. Жесткие стержни выполняют функцию силового каркаса экзоскелета, передавая нагрузку между элементами экзоскелета и поддерживая устойчивость пользователя при движении с грузом в руках, а упругие шарниры являются рабочим механизмом, благодаря которому компенсируется воздействие гравитационных сил (силы тяжести, веса груза) при подъеме и перемещении груза.
Для осуществления механизма пассивной гравитационной компенсации в данной работе предлагается соединить рабочие звенья экзоскелета в единую конструкцию с помощью упругих шарниров с заданной силовой характеристикой. На рисунке 1 представлена схема соединения рабочих звеньев экзоскелета с помощью упругих шарниров.
РИСУНОК 1. Схема соединения рабочих звеньев экзоскелета с помощью упругих шарниров с заданной силовой характеристикой
Авторы статьи разработали 3D-модель экзоскелета для верхней части тела с механизмом пассивной гравитационной компенсации на основе упругих шарниров с заданной силовой характеристикой. Упругие шарниры, соединяющие жесткие стержни, предлагается разместить в локтевой, плечевой и поясничной зонах экзоскелета. Размещение упругих шарниров в поясничной зоне направлено на снижение нагрузки на спину при подъеме груза в наклонном положении тела, а в локтевой и плечевой зонах – на уменьшение усилий, затрачиваемых на удержание груза верхними конечностями при его перемещении. Количество упругих шарниров, необходимое для создания требуемого восстанавливающего момента, в настоящее время уточняется расчетом.
Рассматривается несколько вариантов размещения упругих шарниров в локтевой, плечевой и поясничной зонах экзоскелета. На рисунке 2 представлена 3D-модель экзоскелета, в которой применяется шестнадцать упругих шарниров:
-
в локтевой зоне, в области локтевого сустава правой и левой верхних конечностей – восемь шарниров, по четыре шарнира в области локтевого сустава каждой конечности;
-
в плечевой зоне, в области плечевых суставов правой и левой верхних конечностей – четыре шарнира, по два шарнира в области плечевого сустава каждой конечности;
- в поясничной зоне – четыре шарнира, соединяющих платформу, поддерживающую поясничную зону, с жесткими стержнями; по два шарнира с правой и левой стороны.
РИСУНОК 2. Разработанная 3D-модель экзоскелета
РИСУНОК 3. Размещение 3D-модели экзоскелета на верхней части тела пользователя
Предполагается также использование меньшего количества шарниров в локтевой зоне – не восьми, а четырех, по два шарнира в области локтевого сустава правой и левой верхних конечностей, что также необходимо обосновать расчетом.
Чтобы определить форму направляющей поверхности, по которой двигается ролик во внутренней полости корпуса упругого шарнира при растяжении или сжатии пружины при подъеме, перемещении и укладке груза, необходимо рассчитать расстояние от центра ролика до центра упругого шарнира при различных значения угла отклонения пружины от вертикали и в зависимости от него – величину, на которую изменяется длина пружины при повороте.
Упругий шарнир создает восстанавливающий момент сил 
, который определяется по формуле
, (1)
где а – количество пружин в шарнире;
– сила реакции опор ролика, действующая по нормали к направляющей поверхности;
h – плечо силы реакции опор ролика.
При перемещении ролика по направляющей поверхности и отклонении одной из пружин на угол φ от первоначального положения (вертикали) момент сопротивления системы для одной пружины определяется по формуле
, (2)
где П – потенциальная энергия одной пружины;
φ – угол поворота пружины (угол отклонения пружины от первоначального положения (вертикали)).
Потенциальная энергия одной пружины определяется по формуле [3]
, (3)
где с – жесткость пружины;
– изменение длины пружины при повороте при движении ролика по направляющей поверхности.
Изменение длины пружины при повороте при движении ролика по направляющей поверхности определяется по формуле [3]
, (4)
где L0 – длина ненапряженной пружины;
a, b – постоянные величины по схеме упругого шарнира с двумя пружинами, приведенной в [3];
– расстояние от центра ролика до центра упругого шарнира.
При подстановке формул (3) и (4) в выражение (2) получено уравнение [3]
. (5)
Решением дифференциального уравнения (5) в [1] получена зависимость расстояния от центра ролика до центра упругого шарнира от угла φ для схемы упругого шарнира, приведенной в [3].
В данной работе выполнен расчет расстояния от центра шарнира до направляющей поверхности для ролика (далее будем называть данный параметр радиусом направляющей поверхности) и определено изменение длины пружины при повороте при движении ролика по направляющей поверхности (далее будем называть данный параметр деформацией пружины) при изменении угла поворота пружины 0 до 90 градусов при подъеме и перемещении груза массой от 30 до 90 кг для схемы упругого шарнира, приведенной на рисунке 3.
РИСУНОК 4. Схема упругого шарнира, принятая для расчета
Исходные данные для расчета:
Длина ненапряженной пружины L0 = 80 мм.
Максимальная осадка пружины 
= 40 мм.
Угол поворота пружины φ = 0, 30, 45, 60 и 90 градусов.
Масса поднимаемого груза m = 30, 50, 70, 90 кг.
Плечо силы l = 500 мм (принята в зависимости от средней длины плечевой кости или длины спины пользователя экзоскелета).
Жесткость пружины: с = 50 Н/мм для груза массой m = 30, 50 кг; с = 100 Н/мм для груза массой m = 70, 90 кг (принята в зависимости от массы поднимаемого груза).
Выполнение расчета.
В качестве примера приведем расчет радиуса направляющей поверхности для ролика и деформации пружины в упругом шарнире, размещенном в плечевой зоне экзоскелета, для поднимаемого груза массой 50 и 90 кг.
Расчет для поднимаемого груза массой 50 кг.
Предполагается, что в плечевой зоне экзоскелета располагается четыре шарнира – по два шарнира в области плечевого сустава правой и левой конечностей. Тогда при массе поднимаемого груза m = 50 кг нагрузка на один шарнир в плечевой зоне определяется по формуле
(6)
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 0 градусов, определяется по формуле
. (7)
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
(8)
Деформация пружины определяется по формуле
(9)
Аналогичный расчет выполняется для значений угла поворота пружины φ, равных 30, 45, 60 и 90 градусов.
При 
:
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 30 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
При 
:
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 45 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
При 
:
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 60 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
При 
:
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 90 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
Расчет для поднимаемого груза массой 90 кг производится аналогично, с учетом того, что жесткость пружины при массе поднимаемого груза m = 90 кг принимается равной 100 Н/мм.
При массе поднимаемого груза m = 90 кг нагрузка на один шарнир в плечевой зоне определяется по формуле
.
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 0 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
Аналогичный расчет выполняется для значений угла поворота пружины φ, равных 30, 45, 60 и 90 градусов.
При :
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 0 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
.
При :
Коэффициент деформации упругого шарнира при угле поворота пружины, равном 0 градусов, определяется по формуле
.
Радиус направляющей поверхности определяется по формуле
Деформация пружины определяется по формуле
, и так далее.
Расчет для груза массой 30 и 70 кг производится аналогично.
Результаты расчета приведены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Результаты расчета характеристик упругого шарнира
По результатам расчета можно сделать вывод, что при увеличении угла поворота пружины величина радиуса направляющей поверхности уменьшается, а деформация пружины увеличивается.
При увеличении массы поднимаемого груза деформация пружины при одних и тех же значениях угла поворота и при одинаковом значении жесткости также возрастает.
Для поднятия и перемещения груза массой более 90 кг необходимо применять пружины с большими значениями жесткости.
По результатам расчета в зависимости от жесткости пружины подобраны стандартные винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения для упругого шарнира для компенсации нагрузок до 50 кг и до 90 кг включительно по ГОСТ 13771-86 [5].
Технические характеристики пружины для компенсации нагрузки до 50 кг включительно приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Технические характеристики винтовой цилиндрической пружины сжатия и растяжения № 484 по ГОСТ 13771-86 [3]
Шаг витка пружины определяется по формуле
= 4,7. (10)
Необходимо округлить полученное значение до ближайшего целого числа, чтобы был получен целый шаг витка пружины. Следовательно, в пружине будет 5 витков.
Чтобы проверить, выдержит ли подобранная пружина принятую расчетную жесткость пружины, равную 
, необходимо разделить жесткость одного витка на количество витков: 
Следовательно, подобранная пружина выдержит нагрузку до 50 кг при жесткости пружины, равной 
Аналогично подобрана пружина для компенсации нагрузки до 90 кг.
Исходя из полученных результатов, построены графики изменения радиуса направляющей поверхности для ролика упругого шарнира в зависимости от угла поворота пружины и массы поднимаемого груза. На рисунке 4 представлен график изменения радиуса направляющей поверхности для ролика упругого шарнира в зависимости от угла поворота пружины для подъема груза массой 50 кг. Построенная кривая дает нам представление о форме направляющей поверхности для роликов упругого шарнира.
РИСУНОК 5. Форма направляющей поверхности для ролика упругого шарнира при подъеме груза массой 50 кг
Литература
1. ГОСТ 3262-75. Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия. – Введ. 1977-01-01. – Москва: Издательство стандартов, 1977: переиздание с изм. – Москва: Стандартинформ, 2007. – 7 с.
2. ГОСТ Р 58121.2-2018 (ИСО 4437-2:2014). Пластмассовые трубопроводы для транспортирования газообразного топлива. Полиэтилен (ПЭ). Часть 2. Трубы. – Введ. 2019-01-01. – Москва: Стандартинформ, 2019: переиздание с изм. – Москва: Стандартинформ, 2024. – 20 с.
3. Патент на изобретение RU 2582629 C1. Упругий шарнир с заданной силовой характеристикой / Валеев А.Р., Зотов А.Н., Аптыкаев Г.А., Свиридов М.В., Вахитов Д.Р. – Заявка № 2014154166/11 от 30.12.2014; опубл. 27.04.2016, Бюл. № 12.
4. Патент на полезную модель RU 243072 U1. Упругий шарнир / Афанасенко В.Г., Зотов А.Н., Рубцов А.В., Мазидуллин Д.Н. – Заявка № 2025132296 от 19.11.2025; опубл. 24.04.2026, Бюл. № 12.
5. ГОСТ 13771-86. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков. – Введ. 1988–07–01. – Москва: Издательство стандартов, 1986: переиздание с изм. № 1. – Москва: Стандартинформ, 1999. – 21 с.
6. Кожаева К.В., Шарнина Г.С. Врезки и перекрытия. Повышение надежности проведения ремонтных работ на магистральных трубопроводах под давлением. – Издательство: ООО Информационное агентство Neftegaz.RU. Деловой журнал Neftegaz.RU, 2021 г., № 3 (111). – С. 94–98.
7. Ханов М.Б., Шарнина Г.С., Рафиков С.К. Анализ возможности применения серобетона для бетонирования сварных стыков морских трубопроводов. – Трубопроводный транспорт – 2020: тезисы докладов XV Международной учебно-научно-практической конференции / редкол: Р.Н. Бахтизин, С.М. Султанмагомедов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. – С. 208–210.
8. Патент на изобретение RU 2556163 C2. Способ оценки напряженно-деформированного состояния магистрального трубопровода с дефектными сварными стыками / Бахтизин Р.Н., Шарипов Ш.Г., Рафиков С.К,, Аскаров Р.М., Быков Л.И., Бакиев Т.А., Аскаров Г.Р., Шарнина Г.С. – Заявка № 2016114205 от 12.04.2016 г., опубл. 31.05.2018. Бюл. № 16. – 17 с.
