Eksoszkielety przemysłowe

Eksoszkielety używane w miejscu pracy są określane mianem „egzoszkieletów przemysłowych”. Ich celem jest rozszerzenie, wzmocnienie lub zwiększenie wydajności istniejących elementów ciała pracownika – głównie dolnej części pleców i górnej części kończyn (ramion i barków). Pomimo braku badań, producenci tych urządzeń deklarują wzrost wydajności, poprawę jakości pracy i zmniejszenie ryzyka wystąpienia zaburzeń mięśniowo-szkieletowych związanych z pracą (WMSD). Nowy komentarz NIOSH w American Journal of Industrial Medicine zwraca uwagę na niektóre potencjalne korzyści i zagrożenia związane z egzoszkieletami przemysłowymi. Artykuł ostrzega, że zanim dojdzie do powszechnego wdrożenia egzoszkieletów przemysłowych, konieczne są badania mające na celu ocenę skuteczności egzoszkieletów w różnych sektorach przemysłu.

W Stanach Zjednoczonych wpływ ekonomiczny WMSDs gwałtownie wzrasta. Łączny wpływ ekonomiczny WMSD wyniósł 367,1 miliarda dolarów w 1996 roku i 796,3 miliarda dolarów w latach 2009-2011, co stanowi wzrost o 117%. Gdyby egzoszkielety pozwoliły ograniczyć mechaniczne czynniki stresogenne związane z ręcznym przemieszczaniem materiałów, mogłyby potencjalnie zmniejszyć wysokie wskaźniki WMSD obserwowane w wielu branżach.

Istnieją dwa główne typy egzoszkieletów przemysłowych. Egzoszkielet „aktywny” może być napędzany przez siłowniki, takie jak silniki elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne lub połączenie tych technologii, i często określa się go mianem „egzoszkieletu robotycznego”. Naturalny ruch człowieka napędza egzoszkielet „pasywny” poprzez sprężyny i siły równoważące. Większość dostępnych na rynku egzoszkieletów przemysłowych można podzielić na następujące kategorie: (a) wspomaganie pleców, (b) wspomaganie ramion i barków, (c) podtrzymywanie/podtrzymywanie narzędzi oraz (d) wspomaganie nóg. Egzoszkielety wspomagające plecy są stosowane przede wszystkim w celu zapewnienia ogólnego wsparcia dla odcinka lędźwiowego kręgosłupa, utrzymania prawidłowej postawy oraz pomocy podczas podnoszenia lub statycznych zadań wymagających trzymania. Egzoszkielety wspomagające ramię i nadliczbowe (nieantropomorficzne) egzoszkielety wspomagające trzymanie narzędzi na ramieniu są stosowane do wspierania kończyn górnych podczas długotrwałej pracy nad głową lub do pomocy w trzymaniu ciężkich narzędzi. Urządzenia wspomagające kończyny dolne zapewniają wsparcie stawu biodrowego, kolanowego lub skokowego podczas wykonywania prostych ruchów lub podczas przenoszenia ciężarów, lub służą jako alternatywa dla krzesła w celu odciążenia podczas długotrwałego stania.

Nośne urządzenia egzoszkieletowe mogą być korzystne w zmniejszaniu obciążeń układu mięśniowo-szkieletowego, które nie są w inny sposób redukowane przez zmiany w procesach inżynieryjnych. W większości dotychczasowych badań wzięła jednak udział niewielka liczba uczestników (wiele badań z udziałem mniej niż 15 osób) w warunkach laboratoryjnych, co utrudnia wyciągnięcie wiążących wniosków na temat korzyści płynących ze stosowania egzoszkieletów przemysłowych, pomimo oczekiwań co do ich roli w zapobieganiu urazom. W dotychczasowych badaniach zidentyfikowano następujące potencjalne korzyści i zagrożenia związane ze stosowaniem egzoszkieletów w miejscu pracy.

Potencjalne korzyści

Eksoszkielety dolnego odcinka kręgosłupa

• Podnoszenie dynamiczne z wykorzystaniem pasywnego egzoszkieletu zaprojektowanego w celu zmniejszenia obciążenia kręgosłupa i poprawy postawy ciała wykazało, że egzoszkielety zmniejszyły aktywność mięśniową i zredukowały obciążenie mięśni kręgosłupa, co spowodowało zmniejszenie ogólnego zmęczenia mięśni kręgosłupa.
• Statyczne zginanie tułowia zmniejszyło aktywność mięśni i obciążenie kręgosłupa.
• Zaprojektowano nadający się do noszenia egzoszkielet, aby pomóc pracownikom budowlanym pracować w bardziej neutralnych postawach, aby zmniejszyć obciążenie dolnego odcinka kręgosłupa.

Eksoszkielety kończyn górnych

• Badania wykazały, że egzoszkielety kończyn górnych mogą odgrywać pewną rolę w zmniejszaniu WMSD barków. Wykazano, że egzoszkielety wspomagające bark zmniejszają dyskomfort barku, zwiększając jednocześnie wydajność i jakość pracy wśród malarzy i spawaczy.
• Zmniejszono napięcie mięśnia deltoidalnego przy wykonywaniu różnego rodzaju czynności nad głową podczas korzystania z egzoszkieletu wspomagającego bark.
• Siły ściskające kręgosłup zmniejszyły się o prawie 20%, a siły ścinające o 30% w przypadku stosowania egzoszkieletów.
• Gdy egzoszkielety kończyn górnych są używane wraz z proaktywnym programem ergonomii, takie urządzenia mogą zmniejszyć czynniki ryzyka związane z urazami barku związanymi z pracą.

Potencjalne zagrożenia

• U.S. Consumer Product Safety Commission (CPSC) ostrzegła, że może dojść do nadwyrężenia mięśni, jeśli zasilany egzoszkielet porusza się poza normalnym zakresem ruchu stawu(ów) użytkownika. Urządzenia do noszenia mogą powodować podrażnienia skóry lub oparzenia chemiczne, jeśli z baterii egzoszkieletu wyciekną materiały żrące. Jeśli bateria egzoszkieletu nagle rozładuje zmagazynowaną energię, może dojść do poparzeń termicznych.
• Jedno z badań wykazało, że używanie ciężkiego narzędzia (13,6 kg) z ramieniem stabilizującym zamontowanym na kamizelce spowodowało zwiększone obciążenie kręgosłupa. Ilustruje to znaczenie odpowiedniego dopasowania systemu egzoszkieletu do charakterystyki zadania.
• W jednym z badań urządzenia egzoszkieletowe dla górnych kończyn nie zmniejszyły całkowitego obciążenia pracownika, ale raczej przesunęły obciążenie z barków na dolną część pleców i nogi.
• Inne zagrożenia obejmują rany uciskowe lub uciśnięte nerwy w wyniku długotrwałego użytkowania.
• W badaniach przeprowadzonych w branży budowlanej pracownicy wyrazili obawy dotyczące higieny. Kiedy urządzenia są używane przez wielu użytkowników, słaba higiena może rozprzestrzeniać choroby zakaźne, szczególnie w cieplejszym klimacie.
• Niektóre egzoszkielety są nieporęczne lub niewygodne i mogą ograniczać ogólną mobilność użytkownika, w tym zdolność do uniknięcia kolizji z poruszającym się obiektem.
• Niektóre egzoszkielety mogą znacząco przesunąć środek ciężkości użytkownika, powodując problemy z równowagą i zmniejszając zdolność użytkownika do odzyskania równowagi po utracie równowagi.
• Istnieje możliwość nadmiernego polegania na technologii egzoszkieletów. Stosowanie egzoszkieletów powinno być ograniczone do ryzyka rezydualnego, czyli ryzyka, którego nie można wyeliminować za pomocą kontroli inżynieryjnych.
• Dodatkową kwestią jest przenoszenie ryzyka. Jeżeli egzoszkielet zwiększa czas, przez jaki pracownik może trzymać narzędzie, może to zwiększyć inne narażenia występujące w tym samym czasie przez dłuższy czas, takie jak wibracje przenoszone na ręce, hałas i narażenie na toksyny respirabilne.

Niniejszy blog porusza główne kwestie dotyczące przyszłości stosowania egzoszkieletów w miejscu pracy. Bardziej dogłębną dyskusję można znaleźć w artykule. Zanim dojdzie do powszechnego wdrożenia egzoszkieletów przemysłowych, konieczne są badania oceniające skuteczność egzoszkieletów w ograniczaniu czynników ryzyka WMSD związanych z różnymi pracami przemysłowymi w różnych sektorach przemysłu. Społeczność badawcza zajmująca się bezpieczeństwem i zdrowiem w pracy oraz osoby wdrażające egzoszkielety w miejscu pracy powinny wspólnie opracować strategię badawczą w celu wypełnienia obecnych luk w wiedzy na temat bezpieczeństwa i zdrowia, zrozumienia korzyści, zagrożeń i barier w stosowaniu egzoszkieletów przemysłowych. Niezbędne jest również ustalenie, czy egzoszkielety można uznać za rodzaj środków ochrony osobistej oraz współpraca w celu opracowania norm konsensusu dotyczących bezpieczeństwa egzoszkieletów.

NIOSH, wraz z kilkoma innymi agencjami federalnymi, uczestniczy w pracach Komitetu ASTM F48 ds. egzoszkieletów i kombinezonów. Ten komitet opracowujący normy zajmuje się potencjalnymi zagrożeniami poprzez szereg działań normalizacyjnych. Tematy, które są aktywne lub w trakcie opracowywania obejmują: względy bezpieczeństwa przy projektowaniu i wyborze egzoszkieletów; szkolenia systemowe; przenoszenie obciążeń podczas używania egzoszkieletu; rejestrowanie warunków środowiskowych do wykorzystania w metodach testowania egzoszkieletów; oznakowanie i informacje dotyczące egzoszkieletów i egzokombinezonów; instrukcje dotyczące zużycia, pielęgnacji i konserwacji.

NIOSH planuje kilka projektów badawczych, w tym (1) ocenę skutków stosowania egzoszkieletów wspomagających plecy przy ręcznym przemieszczaniu materiałów w sektorze handlu hurtowego i detalicznego; (2) ocena długoterminowych skutków zdrowotnych pasywnych egzoszkieletów barkowych w sektorze produkcyjnym, (3) ocena zagrożeń bezpieczeństwa potencjalnie związanych z egzoszkieletami podczas pracy na podwyższonych powierzchniach w sektorze budowlanym, (4) zbadanie możliwości wykorzystania egzoszkieletów do bezpiecznego przemieszczania pacjentów w sektorze opieki zdrowotnej, (5) zbadanie zastosowania egzoszkieletów w przemyśle górniczym oraz (6) ocena systemów egzoszkieletów w celu zmniejszenia wibracji przenoszonych przez ręce.

Jeśli stosowałeś lub rozważałeś zastosowanie egzoszkieletów w swoim miejscu pracy, prosimy o udzielenie odpowiedzi na następujące pytania w poniższej sekcji komentarzy.

1. Jakie były Twoje doświadczenia w stosowaniu egzoszkieletów w pracy przemysłowej?
2. Jakiego rodzaju przeszkody napotkali Państwo w stosowaniu egzoszkieletów w miejscu pracy?
3. Jakie kwestie lub obawy chcieliby Państwo, aby zostały uwzględnione w normach konsensusu dotyczących egzoszkieletów przemysłowych?

John Howard, MD, jest dyrektorem Narodowego Instytutu Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy.

Vladimir Murashov, PhD, jest starszym naukowcem w Biurze Dyrektora NIOSH.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, jest inżynierem przemysłowym w Wydziale Badań Terenowych i Inżynierii NIOSH.

Jack Lu, PhD, CPE, jest ergonomistą w dziale badań terenowych i inżynierii NIOSH oraz kierownikiem programu międzysektorowego Musculoskeletal Health NIOSH.

Więcej informacji

Proceeding of the 2018 Ergo-X Symposium: Exoskeletons in the 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. 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. 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. Rodzaje i klasyfikacje egzoszkieletów. Exoskeleton Report. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Dostęp 1 września 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Egzoszkielety do zastosowań przemysłowych i ich potencjalny wpływ na obciążenie pracą fizyczną. Ergonomics. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Ergonomiczna ocena noszonego urządzenia wspomagającego przy pracach wykonywanych nad głową. 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). 14th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014). https://ieeexplore.ieee.org/document/6988049. Dostęp 31 października 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/. Dostęp 1 września 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. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. 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: Part I-„Expected” effects on discomfort, shoulder muscle activity, and work task performance. 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: Część II-„Nieoczekiwany” wpływ na ruchy ramion, równowagę i obciążenie kręgosłupa. 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. Biomechaniczna ocena wykorzystania egzoszkieletu na obciążenie odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Influences of different exoskeleton designs and tool mass on physical demands and performance in a simulated overhead drilling task. 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. Dostęp 1 września 2019.

Butler T. Exoskeleton technology. Czynienie pracowników bezpieczniejszymi i bardziej produktywnymi. Prof Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. EMG analysis of upper body exoskeleton during automotive assembly. 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. Dostęp 1 września 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. Potencjalne zagrożenia związane z pojawiającymi się i przyszłymi technologiami. Raport służbowy, 18 stycznia 2017 r. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Dostęp 1 września 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. Egzoszkielety w budownictwie: czy zmniejszą czy stworzą zagrożenia? NIOSH Science Blog. June 15, 2017. https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletons-in-construction/. Dostęp 1 września 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. The effects of exoskeleton 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.