Průmyslové exoskelety

Exoskelety používané na pracovišti se označují jako „průmyslové exoskelety“. Jejich účelem je zvýšit, zesílit nebo posílit výkon stávajících tělesných komponent pracovníka – především dolní části zad a horních končetin (paží a ramen). Navzdory nedostatečnému výzkumu výrobci těchto zařízení uvádějí zvýšení produktivity, zlepšení kvality práce a snížení rizika muskuloskeletálních poruch souvisejících s prací (WMSD). Nový komentář NIOSH v časopise American Journal of Industrial Medicine upozorňuje na některé potenciální výhody a rizika průmyslových exoskeletů. Článek upozorňuje, že než dojde k plošnému zavedení průmyslových exoskeletů, je třeba provést výzkum, který by vyhodnotil účinnost exoskeletů v různých průmyslových odvětvích.

V USA rychle roste ekonomický dopad WMSD. V roce 1996 představovaly WMSD celkový ekonomický dopad 367,1 miliardy dolarů a v letech 2009-2011 796,3 miliardy dolarů, což představuje nárůst o 117 %,. Pokud by exoskelety dosáhly snížení mechanických stresorů spojených s ruční manipulací s materiálem, měly by potenciál snížit vysokou míru WMSD pozorovanou v mnoha průmyslových odvětvích.

Existují dva hlavní typy průmyslových exoskeletů. „Aktivní“ exoskelet může být poháněn prostřednictvím aktuátorů, jako jsou elektromotory, pneumatika, hydraulika nebo kombinace těchto technologií, a často se označuje jako „robotický exoskelet“. Přirozený lidský pohyb pohání „pasivní“ exoskelet prostřednictvím pružin a vyvažovacích sil. Většinu komerčně dostupných průmyslových exoskeletů lze rozdělit do následujících kategorií: (a) asistence pro záda, (b) asistence pro ramena a paže, (c) asistence pro držení/podporu nástrojů a (d) asistence pro nohy. Exoskelety s podporou zad se používají především k zajištění obecné podpory bederní páteře, k udržení správného držení těla a k pomoci při zvedání nebo statickém držení. Exoskelety pro podporu ramen a nadpočetné (neantropomorfní) exoskelety pro podporu držení nástrojů se používají k podpoře horních končetin při trvalé práci nad hlavou nebo k podpoře při držení těžkých nástrojů. Zařízení na podporu nohou poskytují oporu kyčelnímu, kolennímu nebo hlezennímu kloubu při jednoduchých pohybech nebo při přenášení břemene, nebo slouží jako alternativa k židli pro úlevu od dlouhého stání.

Nositelné exoskeletové pomůcky mohou být prospěšné při snižování muskuloskeletální zátěže, která není jinak snížena změnami technických procesů, Mohou pak vést ke snížení příznaků WMSD a případně i míry výskytu WMSD. Většina dosavadních studií však zahrnovala pouze malý počet účastníků (mnoho studií s méně než 15 účastníky) v laboratorních podmínkách, což ztěžuje vyvození pevných závěrů o přínosu průmyslových exoskeletů navzdory očekáváním o jejich úloze v prevenci úrazů. Dosavadní výzkumy identifikují následující potenciální přínosy a rizika spojená s používáním exoskeletů na pracovišti.

Potenciální přínosy

Exoskelety pro nízká záda

• Dynamické zvedání s použitím pasivního exoskeletu určeného ke snížení zátěže páteře a zlepšení držení těla zjistilo, že exoskelety snižují svalovou aktivitu a snižují zatížení páteřních svalů, což vede ke snížení celkové únavy páteřních svalů.
• Statické ohýbání trupu snížilo svalovou aktivitu a zatížení páteře.
• Nositelný exoskelet byl navržen tak, aby pomáhal stavebním dělníkům pracovat v neutrálnějších polohách a snižoval tak zátěž dolní části zad.

Exoskelety pro horní končetiny

• Studie ukázaly, že exoskelety pro horní končetiny mohou hrát roli při snižování WMSD ramen. Bylo prokázáno, že exoskelety pomáhající ramenům snižují nepohodlí ramen a zároveň zvyšují produktivitu a kvalitu práce u lakýrníků a svářečů.
• Snížení zátěže deltového svalu bylo prokázáno u různých typů prací nad hlavou při používání exoskeletu s ramenní asistencí.
• Při používání exoskeletů se snížily tlakové síly na páteř o téměř 20 % a smykové síly o 30 %.
• Při používání exoskeletů pro horní končetiny spolu s proaktivním ergonomickým programem mohou tato zařízení snížit rizikové faktory spojené s pracovními úrazy ramene.

Potenciální rizika

• Komise USA pro bezpečnost spotřebitelských výrobků (CPSC) varovala, že pokud se poháněný exoskelet pohybuje mimo běžný rozsah pohybu kloubu (kloubů) uživatele, může dojít k přetížení svalů. Nositelná zařízení by mohla způsobit podráždění kůže nebo chemické popáleniny, pokud by z baterie exoskeletu unikly korozivní materiály. Pokud by se baterie exoskeletu náhle vybila svou uloženou energií, mohlo by dojít k tepelným popáleninám.
• Jedna studie zjistila, že používání těžkého nářadí (13,6 kg) se stabilizačním ramenem připevněným na vestě vedlo ke zvýšenému zatížení páteře. To ukazuje, jak je důležité vhodně přizpůsobit systém exoskeletu charakteristikám úkolu.
• V jedné studii zařízení exoskeletu pro horní končetiny nesnížilo celkovou zátěž pracovníka, ale spíše přesunulo zátěž z ramen na dolní část zad a nohy.
• Další rizika zahrnují tlakové rány nebo stlačené nervy při dlouhodobém používání.
• Ve studiích ve stavebnictví pracovníci vyjádřili obavy ohledně hygieny. Při vícenásobném používání přístrojů by špatná hygiena mohla vést k šíření infekčních onemocnění, zejména v teplejších klimatických oblastech.
• Některé exoskelety jsou těžkopádné nebo těžkopádné a mohou omezovat celkovou pohyblivost uživatele, včetně schopnosti vyhnout se kolizi s pohybujícím se předmětem.
• Některé exoskelety mohou výrazně posunout těžiště uživatele, což způsobuje problémy s rovnováhou a snižuje schopnost uživatele zotavit se ze ztráty rovnováhy.
• Existuje možnost přílišného spoléhání se na technologii exoskeletů. Použití exoskeletů by se mělo omezit na řešení zbytkových rizik – rizik, která nelze reálně odstranit pomocí technických kontrol.
• Přenos rizika je dalším aspektem. Pokud exoskelet prodlouží dobu, po kterou může pracovník držet nástroj, může to zvýšit další expozice vyskytující se současně po dlouhou dobu, jako jsou vibrace přenášené rukama, hluk a expozice respirabilním toxinům.

Tento blog se dotýká hlavních bodů týkajících se budoucnosti používání exoskeletů na pracovišti. Podrobnější diskusi naleznete v článku. Než dojde k plošnému zavedení průmyslových exoskeletů, je třeba provést výzkum, který by vyhodnotil účinnost exoskeletů při snižování rizikových faktorů WMSD spojených s různými průmyslovými pracemi v různých průmyslových odvětvích. Výzkumná komunita v oblasti bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a subjekty, které zavádějí používání exoskeletů na pracovišti, by měly spolupracovat na vytvoření výzkumné strategie, která by vyplnila současné mezery ve znalostech v oblasti bezpečnosti a ochrany zdraví a porozuměla přínosům, rizikům a překážkám při zavádění průmyslových exoskeletů. Je také velmi důležité určit, zda lze exoskelety považovat za druh osobních ochranných prostředků, a spolupracovat na prosazování konsensuálních norem, které se zabývají bezpečností exoskeletů.

NIOSH se spolu s několika dalšími federálními agenturami podílí na činnosti výboru ASTM F48 pro exoskelety a exosuity. Tento výbor pro tvorbu norem se zabývá potenciálními riziky prostřednictvím řady normalizačních činností. Mezi aktivní nebo připravovaná témata patří: bezpečnostní hlediska při navrhování a výběru exoskeletů; školení systému; manipulace se zátěží při používání exoskeletu; zaznamenávání podmínek prostředí pro využití pomocí zkušebních metod exoskeletů; označování a informace pro exoskelety a exosuity; a pokyny pro nošení, ošetřování a údržbu.

NIOSH plánuje několik výzkumných projektů, včetně (1) posouzení účinků exoskeletů s podporou zad při ruční manipulaci s materiálem v odvětví velkoobchodu a maloobchodu; (2) posouzení dlouhodobých zdravotních účinků pasivních ramenních exoskeletů ve výrobním odvětví, (3) vyhodnocení bezpečnostních rizik potenciálně spojených s exoskelety při práci na vyvýšených plochách ve stavebnictví, (4) prověření možnosti využití exoskeletů pro bezpečnou manipulaci s pacienty ve zdravotnictví, (5) prozkoumání využití exoskeletů v těžebním průmyslu a (6) vyhodnocení systémů exoskeletů pro snížení vibrací přenášených rukama.

Pokud jste použili nebo uvažujete o použití exoskeletů na svém pracovišti, uveďte prosím v níže uvedeném komentáři odpovědi na následující otázky:

1. Jaké máte zkušenosti s používáním exoskeletů při práci v průmyslu?
2. S jakými překážkami jste se setkali při zavádění exoskeletů na vašem pracovišti?
3. Jaké problémy nebo obavy byste rádi viděli řešeny v konsensuálních normách pro průmyslové exoskelety?

Doktor John Howard je ředitelem Národního institutu pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci.

Vladimir Murashov, PhD, je vedoucím vědeckým pracovníkem v kanceláři ředitele NIOSH.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, je výzkumný průmyslový inženýr v oddělení terénních studií a inženýrství NIOSH.

Jack Lu, PhD, CPE, je výzkumný ergonom v oddělení terénních studií a inženýrství NIOSH a manažer programu NIOSH Musculoskeletal Health Cross-Sector Program.

Pro více informací

Sborník příspěvků ze sympozia Ergo-X 2018: Exoskelety na pracovišti – hodnocení bezpečnosti, použitelnosti a produktivity

Centrum pro výzkum pracovní robotiky

Exoskelety ve stavebnictví: Goldenhar LM, LaMontagne AD, Katz T, Heaney C, Landsbergis P. The intervention research process in occupational safety and health: an overview from the National Institute for Occupational Safety and Health intervention effectiveness research team. J Occup Environ Med. 2001;43(7):616-622. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11464392

Americká akademie ortopedických chirurgů. Iniciativa pro kosti a klouby v USA. The Burden of Musculoskeletal Diseases in the United States [Zátěž muskuloskeletálních onemocnění ve Spojených státech]. 3rd Ed. Rosemont, Illinois: U.S. Bone and Joint Initiative; 2016. https://www.boneandjointburden.org/docs/The%20Burden%20of%20Musculoskeletal%20Diseases%20in%20the%20United%20States%20(BMUS)%203rd%20Edition%20(Dated%2012.31.16).pdf

Yelin E, Weinstein S, King T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Semin Arthritis Rheu. 2016;46(3):259-260. https://doi.org/10.1016/j.semarthrit.2016.07.013

Bostelman R, Messina E, Foufou S. Cross-industry standard test method developments: from manufacturing to wearable robots. Front Inform Technol Electron Eng. 2017;18(10):1447-1457.

Marinov B. Typy a klasifikace exoskeletů. Exoskeleton Report. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Přístup 1. září 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Exoskelety pro průmyslové využití a jejich potenciální vliv na fyzickou pracovní zátěž. Ergonomie. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Ergonomické hodnocení nositelného asistenčního zařízení pro práci nad hlavou. Ergonomics. 2014; 57(12):1864-1874. https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682

Zoss AB, Kazerooni H, Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX). IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2006;11(2):128-138. https://ieeexplore.ieee.org/document/1618670

Kim W, Lee H, Kim D, Han J, Han C. Mechanical design of the Hanyang exoskeleton assistive robot (HEXAR). 14. Mezinárodní konference o řízení, automatizaci a systémech (ICCAS 2014). https://ieeexplore.ieee.org/document/6988049. Accessed October 31, 2019.

Luger T, Cobb TJ, Seibt R, Rieger MA, Steinhilber B. Subjective evaluation of a passive lower-limb industrial exoskeleton used during simulated assembly. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-10. https://doi.org/10.1080/24725838.2018.1560376

Lowe BD, Dick RB, Hudock S, Bobick T. Wearable exoskeletons to reduce physical load at work. Vědecký blog NIOSH. 2016. https://blogs. cdc.gov/niosh-science-blog/2016/03/04/exoskeletons/. Přístup 1. září 2019.

Lowe B, Billotte WG, Peterson DR. Tvorba a normy ASTM F48 pro průmyslové exoskelety a exosuity. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-7. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1579769

Bosch T, van Eck J, Knitel K, de Looze M. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work [Vliv pasivního exoskeletu na svalovou aktivitu, nepohodlí a dobu výdrže při práci v předklonu]. Appl Ergon. 2016;54:212-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2015.12.003

Theurel J, Desbrosses K, Roux T, Savescu A. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Appl Ergon. 2018;67:211-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.10.008

Kim S, Nussbaum MA, Esfahani MIM, Alemi MM, Alabdulkarim S,Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Část I-„Očekávané“ účinky na nepohodlí, aktivitu ramenních svalů a výkonnost pracovního úkolu. Appl Ergon. 2018;70:315-322. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.025

Kim S, Nussbaum MA, Esfahani MIM, Alemi MM, Jia B, Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Část II – „neočekávané“ účinky na pohyb ramen, rovnováhu a zatížení páteře. Appl Ergon. 2018;70:328-330. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.024

Baltrusch SJ, van Dieen JH, van Bennekom CAM, Houdijk H. The effects of a passive trunk exoskeleton on functional performance in healthy individuals. Appl Ergon. 2018;72:94-106. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.04.007

Huysamen K, Bosch T, de Looze M, Stadler KS, Graf S, O’Sullivan LW. Hodnocení pasivního exoskeletu pro statické polohy horních končetin. Appl Ergon. 2018;70:148-155. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.009

Weston EB, Alizadeh M, Knapik GG, Wang X, Marras WS. Biomechanické hodnocení vlivu používání exoskeletu na zatížení bederní páteře. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Vlivy různých konstrukcí exoskeletů a hmotnosti nástrojů na fyzickou náročnost a výkonnost při simulovaném vrtání nad hlavou. Appl Ergon. 2019;74:55-66. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.08.004

Cho YK, Kim K, Ma S, Ueda J. A robotic wearable exoskeleton for construction worker’s safety and health. Kongres stavebního výzkumu 2018: Safety and disaster management-Selected papers from the Construction Research Congress, 19.-28. dubna 2018. https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784481288.003. Přístup 1. září 2019.

Butler T. Exoskeleton technology. Bezpečnější a produktivnější pracovníci. Prof. Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. EMG analýza exoskeletu horní části těla při montáži automobilů. 42. Výroční zasedání Americké biomechanické společnosti, Rochester, MN. August 8th-11th, 2018. https://www.researchgate.net/publication/327187565_EMG_analysis_of_an_upper_body_exoskeleton_during_automotive_assembly. Přístupné od 1. září 2019.

Smets M. A field evaluation of arm-support exoskeletons for overhead work applications in automotive assembly. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-7.

Consumer Product Safety Commission. Potential hazards associated with emerging and future technologies [Potenciální nebezpečí spojená s novými a budoucími technologiemi]. Zpráva útvarů Komise, 18. ledna 2017. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Accessed September 1, 2019.

Kim S, Moore A, Srinivasian D, et al. Potential of exoskeleton technologies to enhance safety, health, and performance in construction: industry perspectives and future research directions. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors, 1-7. https://doi.org/10.1080/24725838.2018.1561557

Zingman A, Earnest GS, Lowe BD, Branche CM. Exoskelety ve stavebnictví: sníží, nebo vytvoří nebezpečí? Vědecký blog NIOSH. June 15, 2017 (český překlad). https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletons-in-construction/. Přístup 1. září 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. The effects of exoskeleton vest on hand transmitted vibration [Vliv vest s exoskeletem na vibrace přenášené rukama]. Sborník 14. mezinárodní konference o vibracích přenášených na ruce, 21.-24. května 2019, Bonn, Německo, s. 69-70. https://www.dguv.de/medien/ifa/de/vera/2019_hav/hav_2019_abstracts.pdf. Přístup 1. září 2019.

.