Industrial Exoskeletons

Exoskeletten die op de werkplek worden gebruikt, worden “industrial exoskeletons” genoemd. Hun doel is de prestaties van de bestaande lichaamscomponenten van een werknemer te vergroten, te versterken of te versterken – voornamelijk de onderrug en de bovenste ledematen (armen en schouders). Ondanks een gebrek aan onderzoek beweren fabrikanten van deze hulpmiddelen dat de productiviteit toeneemt, de kwaliteit van het werk verbetert en het risico van werkgerelateerde spier- en skeletaandoeningen (WMSD’s) afneemt. In een nieuw commentaar van NIOSH in het American Journal of Industrial Medicine worden enkele potentiële voordelen en risico’s van industriële exoskeletten belicht. Het artikel waarschuwt dat voordat grootschalige implementatie van industriële exoskeletten plaatsvindt, onderzoek nodig is om de effectiviteit van exoskeletten in verschillende industriesectoren te evalueren.

In de Verenigde Staten neemt de economische impact van WMSD’s snel toe. WMSD’s waren goed voor een totale economische impact van $ 367,1 miljard in 1996, en $ 796,3 miljard in 2009-2011, een stijging van 117%.,. Als exoskeletten zorgen voor een vermindering van de mechanische belasting die gepaard gaat met het manueel hanteren van materialen, zouden ze het potentieel hebben om de hoge percentages van WMSD’s in veel industrieën te verminderen.

Er zijn twee belangrijke soorten industriële exoskeletten. Een “actief” exoskelet kan worden aangedreven door middel van actuatoren zoals elektromotoren, pneumatiek, hydrauliek, of een combinatie van deze technologieën, en wordt vaak aangeduid als een “robotisch exoskelet.” Natuurlijke menselijke beweging drijft een “passief” exoskelet aan door middel van veren en tegengewichtskrachten. De meeste commercieel beschikbare industriële exoskeletten kunnen in de volgende categorieën worden ingedeeld: (a) rugsteun, (b) schouder- en armsteun, (c) gereedschapshouder/steun, en (d) beensteun. Rugondersteunende exoskeletten worden hoofdzakelijk gebruikt om algemene steun te verlenen aan de lendenwervelkolom, om een correcte houding te handhaven, en om te helpen bij het tillen of bij statische vasthoudtaken. Exoskeletten voor schoudersteun en hulpstukken voor de bovenarm (niet-antropomorf) worden gebruikt om de bovenste ledematen te ondersteunen bij langdurige werkzaamheden boven het hoofd of om te helpen bij het vasthouden van zware gereedschappen. Hulpmiddelen voor de benen bieden steun aan het heup-, knie- of enkelgewricht bij eenvoudige bewegingen of tijdens het dragen van een last, of dienen als alternatief voor een stoel ter verlichting van langdurig staan.

Draagbare exoskelet hulpmiddelen kunnen gunstig zijn voor het verminderen van musculoskeletale belastingen die anders niet worden verminderd door veranderingen in technische processen., Zij kunnen dan leiden tot vermindering van de WMSD-symptomen en, mogelijk, van de WMSD-incidentiecijfers. De meeste studies tot op heden hebben echter slechts betrekking gehad op kleine aantallen deelnemers (veel studies met minder dan 15 deelnemers) in laboratoriumopstellingen, waardoor het moeilijker is om harde conclusies te trekken over de voordelen van industriële exoskeletten, ondanks de verwachtingen over hun rol bij de preventie van letsel. Het onderzoek tot nu toe identificeert de volgende potentiële voordelen en risico’s in verband met het gebruik van exoskeletten op de werkplek.

Potentiële voordelen

Lage rug exoskeletten

• Dynamisch tillen met behulp van een passief exoskelet ontworpen om de belasting van de wervelkolom te verminderen en de houding te verbeteren, toonde aan dat exoskeletten de spieractiviteit verminderden en de belasting van de wervelspieren verminderden, wat resulteerde in een afname van de algehele vermoeidheid van de wervelspieren.
• Statisch buigen van de romp verminderde de spieractiviteit en de belasting van de wervelkolom.
• Een draagbaar exoskelet is ontworpen om bouwvakkers te helpen in neutralere houdingen te werken om de belasting van de lage rug te verminderen.

Upper Extremity Exoskeletons

• Studies hebben aangetoond dat exoskeletten voor de bovenste extremiteit een rol kunnen spelen bij het verminderen van WMSDs aan de schouder. Van schouderondersteunende exoskeletten is aangetoond dat ze het schouderongemak verminderen en tegelijkertijd de productiviteit en werkkwaliteit bij schilders en lassers verhogen.
• Er is aangetoond dat de deltaspier minder wordt belast bij verschillende soorten taken boven het hoofd bij gebruik van een schouderondersteunend exoskelet.
• De drukkrachten op de rug zijn met bijna 20% afgenomen en de afschuifkrachten met 30% bij gebruik van exoskeletten.
• Wanneer exoskeletten voor de bovenste extremiteit worden gebruikt in combinatie met een proactief ergonomisch programma, kunnen dergelijke hulpmiddelen risicofactoren verminderen die verband houden met werkgerelateerde schouderblessures.

Potentiële risico’s

• De Amerikaanse Consumer Product Safety Commission (CPSC) waarschuwde dat spierspanning kan optreden als een aangedreven exoskelet buiten het normale bewegingsbereik van de gewrichten van een gebruiker beweegt. Draagbare apparaten kunnen huidirritatie of chemische brandwonden veroorzaken als een batterij van een exoskelet bijtende stoffen lekt. Als een exoskeletbatterij zijn opgeslagen energie plotseling ontlaadt, zouden thermische brandwonden ontstaan.
• Eén studie wees uit dat het gebruik van een zwaar werktuig (13,6 kg) met een op het vest gemonteerde stabiliserende arm resulteerde in een verhoogde belasting van de wervelkolom. Dit illustreert het belang van het afstemmen van een exoskeletsysteem op de taakkenmerken.
• In één studie verminderden exoskeletapparaten voor de bovenste ledematen de totale belasting van de werknemer niet, maar verschoven ze de belasting eerder van de schouders naar de onderrug en de benen.
• Andere risico’s zijn drukwonden of beknelde zenuwen bij langdurig gebruik.
• In proeven in de bouwnijverheid hebben werknemers hun bezorgdheid geuit over de hygiëne. Wanneer apparaten door meerdere mensen worden gebruikt, zou slechte hygiëne infectieziekten kunnen verspreiden, vooral in warmere klimaten.
• Sommige exoskeletten zijn log of onhandig en kunnen de algehele mobiliteit van de gebruiker beperken, inclusief het vermogen om een botsing met een bewegend object te vermijden.
• Sommige exoskeletten kunnen het zwaartepunt van de gebruiker aanzienlijk verschuiven, wat evenwichtsproblemen veroorzaakt en het vermogen van de gebruiker om te herstellen van het verliezen van zijn evenwicht vermindert.
• Er is kans op overmatig gebruik van exoskelettechnologie. Het gebruik van exoskeletten moet worden beperkt tot het aanpakken van restrisico’s – risico’s die niet op een haalbare manier kunnen worden geëlimineerd door middel van technische controles.
• Overdracht van risico’s is een bijkomende overweging. Als een exoskelet de hoeveelheid tijd verhoogt dat een werknemer een gereedschap kan vasthouden, kan dit andere blootstellingen verhogen die tegelijkertijd gedurende lange perioden voorkomen, zoals door de hand overgedragen trillingen, lawaai en blootstelling aan respirabel toxine.

Deze blog behandelt de belangrijkste punten met betrekking tot de toekomst van het gebruik van exoskeletten op de werkplek. Een meer diepgaande discussie kan worden gevonden in het artikel. Voordat industriële exoskeletten op grote schaal worden geïmplementeerd, is onderzoek nodig om de effectiviteit van exoskeletten te evalueren bij het verminderen van de risicofactoren voor WMSD’s die gepaard gaan met verschillende industriële werkzaamheden in verschillende industriesectoren. De onderzoeksgemeenschap op het gebied van veiligheid en gezondheid op het werk en degenen die het gebruik van exoskeletten op de werkplek implementeren, moeten samenwerken om een onderzoeksstrategie te ontwikkelen om de huidige hiaten in de kennis over veiligheid en gezondheid op te vullen en inzicht te krijgen in de voordelen, risico’s en barrières voor de toepassing van industriële exoskeletten. Het is ook van cruciaal belang om te bepalen of exoskeletten kunnen worden beschouwd als een soort persoonlijke beschermingsmiddelen en samen te werken om consensusnormen te bevorderen die de veiligheid van exoskeletten aanpakken.

NIOSH neemt, samen met verschillende andere federale agentschappen, deel aan ASTM-Comité F48 over Exoskeletten en Exosuits. Deze commissie voor normontwikkeling pakt potentiële risico’s aan door middel van een aantal normactiviteiten. De onderwerpen die actief zijn of in ontwikkeling zijn, omvatten: veiligheidsoverwegingen bij het ontwerpen en selecteren van exoskeletten; systeemtraining; het hanteren van lasten bij het gebruik van een exoskelet; het registreren van omgevingsomstandigheden voor gebruik met exoskelettestmethoden; etikettering en informatie voor exoskeletten en exosuits; en slijtage-, zorg- en onderhoudsinstructies.

NIOSH plant verschillende onderzoeksprojecten, waaronder (1) het beoordelen van de effecten van rugondersteunende exoskeletten bij het manueel hanteren van materialen in de groot- en detailhandelsector; (2) beoordeling van de longitudinale gezondheidseffecten van passieve schouder exoskeletten in de productiesector, (3) evaluatie van veiligheidsrisico’s die mogelijk verband houden met exoskeletten tijdens het werken op verhoogde oppervlakken in de bouwsector, (4) onderzoek naar de haalbaarheid van het gebruik van exoskeletten voor het veilig hanteren van patiënten in de gezondheidszorg, (5) onderzoek naar de toepassing van exoskeletten in de mijnbouw; en (6) evaluatie van exoskeletsystemen voor het verminderen van door de hand overgebrachte trillingen.

Als u exoskeletten op uw werkplek hebt gebruikt of overweegt te gebruiken, geef dan uw mening over de volgende vragen in het commentaargedeelte hieronder.

1. Wat is uw ervaring met het gebruik van exoskeletten voor industrieel werk?
2. Welke belemmeringen heeft u ondervonden bij het gebruik van exoskeletten op uw werkplek?
3. Welke kwesties of problemen zou u graag behandeld zien in consensusnormen voor industriële exoskeletten?

John Howard, MD, is de directeur van het National Institute for Occupational Safety and Health.

Vladimir Murashov, PhD, is een Senior Scientist in het NIOSH Office of the Director.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, is een Research Industrial Engineer in de NIOSH Division of Field Studies and Engineering.

Jack Lu, PhD, CPE, is een Research Ergonomist in de NIOSH Division of Field Studies and Engineering en Manager van het NIOSH Musculoskeletal Health Cross-Sector Program.

Voor meer informatie

Proceeding of the 2018 Ergo-X Symposium: Exoskeletten op de werkplek – Beoordeling van veiligheid, bruikbaarheid en productiviteit

The Center for Occupational Robotics Research

Exoskeletten in de bouw: 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. 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

American Academy of Orthopaedic Surgeons. U.S. Bone and Joint Initiative. The Burden of Musculoskeletal Diseases in the United States. 3e 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. Types en classificaties van exoskeletten. Exoskeleton Rapport. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Accessed September 1, 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Exoskeletten voor industriële toepassing en hun potentiële effecten op fysieke werkbelasting. Ergonomics. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Ergonomische evaluatie van een draagbaar hulpmiddel voor werk boven het hoofd. 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). 14e internationale conferentie over controle, automatisering en systemen (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 Wetenschapsblog. 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 formation and standards for industrial exoskeletons and exosuits. 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. De effecten van een passief exoskelet op spieractiviteit, discomfort en uithoudingsduur bij vooroverbuigend werk. 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: Deel I-“Verwachte” effecten op ongemak, schouderspieractiviteit, en taakprestatie. 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: Deel II-“Onverwachte” effecten op schouderbeweging, evenwicht en belasting van de wervelkolom. 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. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb postures. 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. Biomechanische evaluatie van exoskeletgebruik op belasting van de lumbale wervelkolom. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Invloeden van verschillende exoskeletontwerpen en gereedschapsmassa op fysieke eisen en prestaties bij een gesimuleerde bovenhandse boortaak. 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: Veiligheid en rampenbeheersing-Selected papers from the Construction Research Congress, 19-28 april, 2018. https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784481288.003. Accessed September 1, 2019.

Butler T. Exoskeletontechnologie. Werknemers veiliger en productiever maken. Prof Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. EMG analyse van bovenlichaam exoskelet tijdens autoassemblage. 42e jaarlijkse bijeenkomst van de American Society of Biomechanics, Rochester, MN. 8-11 augustus, 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. Potential hazards associated with emerging and future technologies. Personeelsrapport, 18 januari 2017. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Geraadpleegd op 1 september 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. Exoskeletten in de bouw: zullen ze gevaren verminderen of creëren? NIOSH Wetenschapsblog. 15 juni 2017. https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletten-in-de-bouw/. Accessed September 1, 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. The effects of exoskelet vests on hand transmitted vibration. 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.