Teollisuudessa käytettävät luurangot

Työpaikalla käytettäviä luurankoja kutsutaan ”teollisiksi luurangoiksi”. Niiden tarkoituksena on lisätä, voimistaa tai vahvistaa työntekijän olemassa olevien kehon osien – pääasiassa alaselän ja yläraajojen (kädet ja hartiat) – suorituskykyä. Tutkimusten puutteesta huolimatta näiden laitteiden valmistajat väittävät, että tuottavuus paranee, työn laatu paranee ja työperäisten tuki- ja liikuntaelinsairauksien riski pienenee. NIOSH:n American Journal of Industrial Medicine -lehdessä julkaisemassa uudessa kommentissa tuodaan esiin joitakin teollisten ulkoisten luurankojen mahdollisia hyötyjä ja riskejä. Artikkelissa varoitetaan, että ennen kuin teolliset exoskeletit otetaan laajasti käyttöön, tarvitaan tutkimusta exoskelettien tehokkuuden arvioimiseksi eri teollisuudenaloilla.

Yhdysvalloissa WMSD:iden taloudellinen vaikutus kasvaa nopeasti. WMSD-tapausten taloudellinen kokonaisvaikutus oli 367,1 miljardia dollaria vuonna 1996 ja 796,3 miljardia dollaria vuosina 2009-2011, mikä merkitsee 117 prosentin kasvua.,. Jos ulkoiset luurangot vähentäisivät manuaalisiin materiaalinkäsittelytehtäviin liittyviä mekaanisia rasitustekijöitä, ne voisivat vähentää monilla teollisuudenaloilla esiintyviä WMSD-tapauksia.

Teollisuuden ulkoisia luurankoja on kahta päätyyppiä. ”Aktiivinen” ulkoinen luuranko voi saada käyttövoimansa sähkömoottoreiden, pneumatiikan, hydrauliikan tai näiden tekniikoiden yhdistelmän kaltaisten toimilaitteiden avulla, ja sitä kutsutaan usein ”robotti-ulkoiseksi luurangoksi”. ”Passiivinen” luuranko toimii ihmisen luonnollisen liikkeen voimanlähteenä jousien ja vastapainovoimien avulla. Useimmat kaupallisesti saatavilla olevat teolliset ulkoiset luurangot voidaan ryhmitellä seuraaviin luokkiin: (a) selkäavustus, b) olkapää- ja käsivarsiavustus, c) työkalujen pito/tuki ja d) jalka-avustus. Selkäavusteisia luurankoja käytetään ensisijaisesti lannerangan yleiseen tukemiseen, oikean asennon ylläpitämiseen ja avustamiseen nosto- tai staattisten pitotehtävien aikana. Olkapääavustimia ja ylimääräisiä (ei-antropomorfisia) käsivarsien työkalujen pitoa tukevia luurankoja käytetään tukemaan yläraajoja jatkuvan ylätyön aikana tai auttamaan raskaiden työkalujen pitämisessä. Jalkoja avustavat laitteet tukevat lonkka-, polvi- tai nilkkaniveliä yksinkertaisessa liikkeessä tai kuormaa kannettaessa, tai ne toimivat vaihtoehtona tuolille helpottamaan pitkäaikaista seisomista.

Pukeutuvat ulkoiset luurankolaitteet voivat vähentää tuki- ja liikuntaelimistön kuormitusta, jota ei muutoin vähennetä muutoksilla teknisissä prosesseissa.

Näillä ulkoisilla luurankolaitteilla voidaan vähentää tuki- ja liikuntaelimistön sairauksien (WMSD-oireita) oireita, ja ne voivat vähentää WMSD-oireita ja WMSD-oireiden ilmaantuvuutta. Useimmissa tähän mennessä tehdyissä tutkimuksissa on kuitenkin ollut vain pieni määrä osallistujia (monissa tutkimuksissa alle 15 osallistujaa) laboratorio-olosuhteissa, mikä vaikeuttaa varmojen johtopäätösten tekemistä teollisuudessa käytettävien ulkoisten luurankojen hyödyistä huolimatta odotuksista, jotka koskevat niiden merkitystä vammojen ehkäisyssä. Tähän mennessä tehdyissä tutkimuksissa on tunnistettu seuraavat mahdolliset hyödyt ja riskit, jotka liittyvät exoskelettien käyttöön työpaikoilla.

Mahdolliset hyödyt

Matalan selän exoskeletit

• Dynaamisessa nostossa, jossa käytettiin passiivista exoskelettiä, joka oli suunniteltu vähentämään selkärangan kuormitusta ja parantamaan ryhtiä, havaittiin, että exoskeletit vähensivät lihasten aktiivisuutta ja vähensivät selkärangan lihasten kuormitusta, mikä johti siihen, että selkärangan lihasten yleinen väsymys väheni.
• Vartalon staattinen taivutus vähensi lihasaktiivisuutta ja selkärangan kuormitusta.
• Pukeutuva exoskeleton on suunniteltu auttamaan rakennustyöntekijöitä työskentelemään neutraalimmissa asennoissa alaselän rasituksen vähentämiseksi.

Yläraajojen exoskeletit

• Tutkimukset ovat osoittaneet, että yläraajojen exoskeleteilla voi olla merkitystä olkapään WMSD-oireiden vähentämisessä. Olkapäätä avustavien ulkoisten luurankojen on osoitettu vähentävän olkapäävaivoja ja lisäävän samalla tuottavuutta ja työn laatua maalareilla ja hitsaajilla.
• Deltalihaksen rasituksen on osoitettu vähentyneen erityyppisissä yläpuolella suoritettavissa työtehtävissä olkapäätä avustavaa exoskelettiä käytettäessä.
• Selkärangan puristusvoimat vähenivät lähes 20 % ja leikkausvoimat 30 % exoskelettien käytön myötä.
• Kun yläraajojen exoskeletoneja käytetään yhdessä ennakoivan ergonomiaohjelman kanssa, tällaiset laitteet voivat vähentää työhön liittyviin olkapäävammoihin liittyviä riskitekijöitä.

Potentiaaliset riskit

• Yhdysvaltain kuluttajatuotteiden turvallisuuskomissio (CPSC) varoitti, että lihasten venähdyksiä voi esiintyä, jos sähkökäyttöinen exoskeletti liikkuu käyttäjän nivelen (nivelten) normaalia liikerataa pidemmälle. Puettavat laitteet voivat aiheuttaa ihoärsytystä tai kemiallisia palovammoja, jos exoskeletonin akusta vuotaa syövyttäviä aineita. Jos ulkoisen luurangon akku purkautuu äkillisesti varastoidusta energiasta, voi syntyä lämpöpalovammoja.
• Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että raskaan työkalun (13,6 kg) käyttö liiviin kiinnitetyn stabiloivan käsivarren kanssa johti selkärangan kuormituksen lisääntymiseen. Tämä osoittaa, kuinka tärkeää on sovittaa ulkoinen luurankojärjestelmä asianmukaisesti tehtävän ominaisuuksiin.
• Yksi tutkimuksessa yläraajojen ulkoiset luurankolaitteet eivät vähentäneet työntekijän kokonaiskuormitusta, vaan pikemminkin siirsivät kuormitusta hartioista alaselkään ja jalkoihin.
• Muihin riskeihin kuuluvat painehaavat tai puristuneet hermot pitkäaikaisessa käytössä.
• Rakennusteollisuudessa tehdyissä kokeissa työntekijä on esittänyt huolen hygieniasta. Kun laitteita käytetään useita kertoja, huono hygienia voi levittää tartuntatauteja erityisesti lämpimässä ilmastossa.
• Jotkut ulkoiset luurangot ovat raskasrakenteisia tai hankalia ja voivat rajoittaa käyttäjän yleistä liikkuvuutta, mukaan lukien kykyä välttää törmäys liikkuvan esineen kanssa.
• Jotkut ulkoiset luurangot voivat siirtää merkittävästi käyttäjän painopistettä aiheuttaen tasapaino-ongelmia ja heikentää käyttäjän kykyä toipua tasapainon menettämisestä.
• On mahdollista, että exoskeleton-teknologiaan luotetaan liikaa. Exoskelettien käyttö olisi rajoitettava jäännösriskeihin – riskeihin, joita ei voida poistaa teknisen valvonnan avulla.
• Riskin siirtyminen on lisähuomion aihe. Jos exoskeleton lisää aikaa, jonka työntekijä voi pitää työvälinettä kädessään, tämä voi lisätä muita altisteita, jotka esiintyvät samaan aikaan pitkiä aikoja, kuten käsien välittämää tärinää, melua ja altistumista hengitettäville toksiineille.

Tämä blogi käsittelee tärkeimpiä kohtia, jotka koskevat exoskeletonien käytön tulevaisuutta työpaikoilla. Syvällisempi keskustelu löytyy artikkelista. Ennen kuin teollisten exoskelettien laajamittainen käyttöönotto tapahtuu, tarvitaan tutkimusta, jossa arvioidaan exoskelettien tehokkuutta erilaisten teollisuustöihin liittyvien WMSD-vaurioiden riskitekijöiden vähentämisessä eri teollisuudenaloilla. Työturvallisuuden ja -terveyden tutkimusyhteisön ja niiden, jotka toteuttavat eksoluurankojen käyttöä työpaikoilla, olisi työskenneltävä yhdessä tutkimusstrategian kehittämiseksi, jotta voidaan täyttää nykyiset työturvallisuuteen ja -terveyteen liittyvät tietämysvajeet ja ymmärtää teollisten eksoluurankojen hyötyjä, riskejä ja käyttöönottoon liittyviä esteitä. On myös ratkaisevan tärkeää määrittää, voidaanko luurankoja pitää eräänlaisena henkilönsuojaimena, ja työskennellä yhdessä edistääkseen yhteisymmärrykseen perustuvia standardeja, jotka koskevat luurankojen turvallisuutta.

NIOSH osallistuu useiden muiden liittovaltion virastojen ohella ASTM:n luurankoja ja pukuja käsittelevään komiteaan F48. Tämä standardien kehittämiskomitea käsittelee mahdollisia riskejä useiden standardointitoimien avulla. Aktiivisia tai kehitteillä olevia aiheita ovat muun muassa seuraavat: turvallisuusnäkökohdat luurankojen suunnittelussa ja valinnassa; järjestelmäkoulutus; kuorman käsittely luurankoa käytettäessä; ympäristöolosuhteiden tallentaminen luurankojen testausmenetelmien käyttöä varten; luurankojen ja pukujen merkinnät ja tiedotus; sekä käyttö-, hoito- ja huolto-ohjeet.

NIOSH suunnittelee useita tutkimushankkeita, mukaan lukien (1) selkäavusteisten eksoluurankojen vaikutusten arviointi manuaalisessa materiaalinkäsittelyssä tukku- ja vähittäiskaupan alalla; (2) passiivisten olkapäiden ulkoisten luurankojen pitkittäisten terveysvaikutusten arviointi valmistusteollisuudessa, (3) ulkoisiin luurankoihin mahdollisesti liittyvien turvallisuusriskien arviointi työskenneltäessä korotetuilla pinnoilla rakennusalalla, (4) ulkoisten luurankojen käytön toteutettavuuden tutkiminen potilaan turvalliseen käsittelyyn terveydenhuoltoalalla, (5) ulkoisten luurankojen soveltamisen tutkiminen kaivosteollisuudessa ja (6) ulkoisten luurankojen järjestelmien arviointi käsien välityksellä välittyvän tärinän vähentämiseksi.

Jos olet käyttänyt tai harkinnut exoskelettien käyttöä työpaikallasi, pyydämme sinua vastaamaan seuraaviin kysymyksiin alla olevassa kommenttiosassa.

1. Millaisia kokemuksia sinulla on ollut exoskelettien käytöstä teollisuustyössä?
2. Millaisia esteitä olette kohdanneet ottaessanne eksoluurankoja käyttöön työpaikallanne?
3. Mitkä kysymykset tai huolenaiheet haluaisitte nähdä käsiteltävän teollisuuden eksoluurankoja koskevissa yksimielisissä standardeissa?

Tohtori John Howard on kansallisen työturvallisuus- ja työterveysinstituutin johtaja.

Vladimir Murashov, PhD, on vanhempi tutkija NIOSH:n johtajan toimistossa.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, on tutkimusinsinööri NIOSH:n kenttätutkimusten ja tekniikan osastolla.

Jack Lu, PhD, CPE, on tutkimusergonomi NIOSH:n kenttätutkimusten ja -tekniikan osaston tutkimusergonomi ja NIOSH:n tuki- ja liikuntaelimistön terveyttä koskevan monialaisen ohjelman johtaja.

Lisätietoa

Proceeding of the 2018 Ergo-X Symposium: Exoskeletons in Workplace-Assessing Safety, Usability, and Productivity

The Center for Occupational Robotics Research

Exoskeletons in Construction: Will they reduce or create hazards?

Wearable Exoskeletons to Reduce Physical Load at Work

Wearable Technologies for Improved Safety and Health on Construction Sites

Goldenhar LM, LaMontagne AD, Katz T, Heaney C, Landsbergis P. Interventiotutkimusprosessi työturvallisuuden ja -terveyden alalla: yleiskatsaus Kansallisen työturvallisuuden ja -terveyden instituutin (National Institute for Occupational Safety and Health, National Institute for Occupational Safety and Health) interventioiden vaikuttavuustutkimusryhmältä. J Occup Environ Med. 2001;43(7):616-622. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11464392

American Academy of Orthopaedic Surgeons. U.S. Bone and Joint Initiative. The Burden of Musculoskeletal Diseases in the United States. 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. Exoskeletonin tyypit ja luokitukset. Exoskeleton Report. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Käytetty 1. syyskuuta 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Ylätyössä käytettävän puettavan apuvälineen ergonominen arviointi. Ergonomics. 2014; 57(12):1864-1874. https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682

Zoss AB, Kazerooni H, Chu A. Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) biomekaaninen suunnittelu. 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. Hanyang exoskeleton assistive robotin (HEXAR) mekaaninen suunnittelu. 14th International Conference on Control, Automation and Systems (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. NIOSH Science Blog. 2016. https://blogs. cdc.gov/niosh-science-blog/2016/03/04/exoskeletons/. Accessed on September 1, 2019.

Lowe B, Billotte WG, Peterson DR. ASTM F48 -muodostelma ja standardit teollisille exoskeleteille ja exosuiteille. 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. Passiivisen exoskeletonin vaikutukset lihasaktiivisuuteen, epämukavuuteen ja kestoaikaan eteenpäin taivutustyössä. Appl Ergon. 2016;54:212-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2015.12.003

Theurel J, Desbrosses K, Roux T, Savescu A. Fysiological consequences of using an upper ramb 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. Passiivisen, yläraajan exoskeletaalisen liivin vaikutuksen arviointi käsivarren kohottamista edellyttävissä tehtävissä: Osa I – ”Odotetut” vaikutukset epämukavuuteen, hartialihasten toimintaan ja työtehtävien suorittamiseen. 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: Osa II – ”Odottamattomat” vaikutukset olkapään liikkeisiin, tasapainoon ja selkärangan kuormitukseen. 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. Passiivisen eksoluurangon arviointi staattisia yläraajan asentoja varten. 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. Eksoskeletonien käytön biomekaaninen arviointi lannerangan kuormituksesta. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Eri exoskeleton-mallien ja työkalun massan vaikutus fyysisiin vaatimuksiin ja suorituskykyyn simuloidussa yläpuolisessa poraustehtävässä. 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. Construction Research Congress 2018: Safety and disaster management-Selected papers from the Construction Research Congress, April 19-28, 2018. https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784481288.003. Accessed September 1, 2019.

Butler T. Exoskeleton technology. Making workers safe and more productive. Prof Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. EMG-analyysi ylävartalon exoskeletonista autojen kokoonpanon aikana. 42nd Annual Meeting of the American Society of Biomechanics, Rochester, MN. August 8th-11th, 2018. https://www.researchgate.net/publication/327187565_EMG_analysis_of_an_upper_body_exoskeleton_during_automotive_assembly. Accessed September 1, 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. Kehitteillä oleviin ja tuleviin teknologioihin liittyvät mahdolliset vaarat. Henkilöstön raportti, 18. tammikuuta 2017. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Viitattu 1. syyskuuta 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. Exoskeletonit rakentamisessa: vähentävätkö vai aiheuttavatko ne vaaroja? NIOSH Science Blog. June 15, 2017. https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletons-in-construction/. Accessed September 1, 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. Exoskeleton-liivien vaikutukset käsien välittämään tärinään. Proceedings of the 14th International Conference on Hand-Arm Vibration, May 21-24,2019, Bonn, Germany, pp. 69-70. https://www.dguv.de/medien/ifa/de/vera/2019_hav/hav_2019_abstracts.pdf. Accessed September 1, 2019.