Exoscheletele industriale

Exoscheletele utilizate la locul de muncă sunt denumite „exoschelete industriale”. Scopul lor este de a spori, amplifica sau consolida performanța componentelor corporale existente ale unui lucrător – în principal a părții inferioare a spatelui și a extremității superioare (brațe și umeri). În ciuda lipsei de cercetări, producătorii acestor dispozitive pretind creșteri ale productivității, îmbunătățiri ale calității muncii și o reducere a riscului de tulburări musculo-scheletice legate de muncă (WMSD). Un nou comentariu al NIOSH publicat în American Journal of Industrial Medicine evidențiază unele dintre beneficiile și riscurile potențiale ale exoscheletelor industriale. Articolul avertizează că, înainte de implementarea pe scară largă a exoscheletelor industriale, sunt necesare cercetări pentru a evalua eficacitatea exoscheletelor în diverse sectoare industriale.

În Statele Unite, impactul economic al WMSD crește rapid. WMSD au reprezentat un impact economic agregat de 367,1 miliarde de dolari în 1996 și de 796,3 miliarde de dolari în perioada 2009-2011, o creștere de 117%,,,. Dacă exoscheletele ar realiza reduceri ale factorilor de stres mecanic asociați cu sarcinile de manipulare manuală a materialelor, acestea ar avea potențialul de a reduce ratele ridicate de WMSD observate în multe industrii.

Există două tipuri majore de exoschelete industriale. Un exoschelet „activ” poate fi acționat prin intermediul unor dispozitive de acționare, cum ar fi motoare electrice, pneumatice, hidraulice sau o combinație a acestor tehnologii, și este adesea denumit „exoschelet robotizat”. Mișcarea umană naturală alimentează un exoschelet „pasiv” prin intermediul arcurilor și al forțelor de contrabalansare. Majoritatea exoscheletelor industriale disponibile în comerț pot fi grupate în următoarele categorii: (a) asistarea spatelui, (b) asistarea umărului și a brațului, (c) susținerea/susținerea sculelor și (d) asistarea picioarelor. Exoscheletele de asistare a spatelui sunt utilizate în principal pentru a oferi un sprijin general pentru coloana lombară, pentru a menține o postură corectă și pentru a asista în timpul sarcinilor de ridicare sau de menținere statică. Exoscheletele de asistare a umărului și exoscheletele de susținere a sculelor cu brațe supranumerare (neantropomorfe) sunt utilizate pentru a susține extremitățile superioare în timpul muncii susținute deasupra capului sau pentru a ajuta la susținerea sculelor grele. Dispozitivele de asistență pentru picioare oferă sprijin pentru articulația șoldului, genunchiului sau gleznei în mișcări simple sau în timp ce transportă o sarcină,, sau servesc ca alternativă la un scaun pentru ușurarea statului în picioare pentru perioade lungi de timp.

Dispozitivele de exoschelet purtabile pot fi benefice în reducerea sarcinilor musculo-scheletice care nu sunt altfel reduse prin schimbări în procesele inginerești,, Acestea pot duce apoi la reducerea simptomelor WMSD și, posibil, a ratelor de incidență a WMSD. Cu toate acestea, majoritatea studiilor efectuate până în prezent au implicat doar un număr mic de participanți (multe studii cu mai puțin de 15 participanți) în medii de laborator, ceea ce face mai dificilă formularea unor concluzii ferme cu privire la beneficiile exoscheletelor industriale, în ciuda așteptărilor privind rolul acestora în prevenirea leziunilor. Cercetările efectuate până în prezent identifică următoarele beneficii și riscuri potențiale legate de utilizarea exoscheletelor la locul de muncă.

Beneficii potențiale

Exoschelete pentru zona lombară

• Loviturile dinamice cu ajutorul unui exoschelet pasiv conceput pentru a diminua sarcina asupra coloanei vertebrale și pentru a îmbunătăți postura au constatat că exoscheletele au diminuat activitatea musculară și au redus încărcarea mușchilor coloanei vertebrale, ceea ce a dus la o scădere a oboselii generale a mușchilor coloanei vertebrale.
• Flectarea statică a trunchiului a redus activitatea musculară și încărcarea coloanei vertebrale.
• Un exoschelet portabil a fost conceput pentru a ajuta muncitorii din construcții să lucreze în poziții mai neutre pentru a reduce tensiunea lombară.

Exoscheleți pentru membrele superioare

• Studii au arătat că exoscheleții pentru membrele superioare pot avea un rol în reducerea WMSD ale umărului. S-a demonstrat că exoscheletele de asistență pentru umăr reduc disconfortul la nivelul umărului, crescând în același timp productivitatea și calitatea muncii în rândul vopsitorilor și sudorilor.
• S-a demonstrat o diminuare a tensiunii mușchiului deltoidian pentru diferite tipuri de sarcini deasupra capului în timp ce se utilizează un exoschelet de asistență pentru umăr.
• Forțele de compresie spinală au scăzut cu aproape 20% și forțele de forfecare au scăzut cu 30% odată cu utilizarea exoscheletelor.
• Când exoscheletele pentru membrele superioare sunt utilizate împreună cu un program ergonomic proactiv, astfel de dispozitive pot reduce factorii de risc asociați cu leziunile umărului legate de muncă.

Riscuri potențiale

• Comisia pentru siguranța produselor de consum din SUA (CPSC) a avertizat că ar putea apărea o întindere musculară în cazul în care un exoschelet motorizat se deplasează dincolo de intervalul normal de mișcare a articulației (articulațiilor) utilizatorului. Dispozitivele purtabile ar putea provoca iritații ale pielii sau arsuri chimice dacă o baterie a exoscheletului prezintă scurgeri de materiale corozive. Dacă o baterie a exoscheletului își descarcă brusc energia stocată, ar putea apărea arsuri termice.
• Un studiu a constatat că utilizarea unei unelte grele (13,6 kg) cu un braț stabilizator montat pe o vestă a dus la creșterea sarcinii la nivelul coloanei vertebrale. Acest lucru ilustrează importanța adaptării corespunzătoare a unui sistem de exoschelet la caracteristicile sarcinii.
• Într-un studiu, dispozitivele de exoschelet pentru membrele superioare nu au redus sarcina totală asupra lucrătorului, ci mai degrabă au transferat sarcina de la umeri la partea inferioară a spatelui și la picioare.
• Alte riscuri includ răni de presiune sau nervi comprimați ca urmare a utilizării prelungite.
• În studiile din industria construcțiilor, lucrătorul și-a exprimat îngrijorarea cu privire la igienă. Atunci când dispozitivele sunt utilizate de mai multe ori, igiena precară ar putea răspândi boli infecțioase, în special în climatele mai calde.
• Câteva exoschelete sunt greoaie sau incomode și pot limita mobilitatea generală a utilizatorului, inclusiv capacitatea de a evita coliziunea cu un obiect în mișcare.
• Câteva exoschelete pot deplasa în mod semnificativ centrul de greutate al utilizatorului, cauzând probleme de echilibru și diminuând capacitatea utilizatorului de a-și reveni după ce își pierde echilibrul.
• Există potențialul unei încrederi excesive în tehnologia exoscheletului. Utilizarea exoscheletelor ar trebui să se limiteze la abordarea riscurilor reziduale – riscuri care nu pot fi eliminate în mod fezabil prin controale tehnice.
• Transferul de risc este un considerent suplimentar. Dacă un exoschelet mărește perioada de timp în care un lucrător poate ține în mână o unealtă, acest lucru ar putea crește alte expuneri care au loc în același timp pentru perioade lungi de timp, cum ar fi vibrațiile transmise de mână, zgomotul și expunerea la toxine respirabile.

Acest blog atinge punctele majore privind viitorul utilizării exoscheletului la locul de muncă. O discuție mai aprofundată poate fi găsită în articol. Înainte de implementarea pe scară largă a exoscheletelor industriale, sunt necesare cercetări pentru a evalua eficacitatea exoscheletelor în reducerea factorilor de risc pentru WMSD asociate cu diverse activități industriale în diferite sectoare industriale. Comunitatea de cercetare în domeniul securității și sănătății la locul de muncă și cei care implementează utilizarea exoscheletelor la locul de muncă ar trebui să colaboreze pentru a dezvolta o strategie de cercetare pentru a umple lacunele actuale de cunoștințe în materie de securitate și sănătate, înțelegând beneficiile, riscurile și barierele în calea adoptării exoscheletelor industriale. De asemenea, este esențial să se stabilească dacă exoscheletele pot fi considerate un tip de echipament de protecție personală și să se colaboreze pentru a avansa standarde de consens care să abordeze siguranța exoscheletelor.

NIOSH, împreună cu alte câteva agenții federale, participă la Comitetul ASTM F48 privind exoscheletele și exosuetele. Acest comitet de elaborare a standardelor abordează riscurile potențiale printr-o serie de activități de standardizare. Subiectele care sunt active sau în curs de elaborare includ: considerente de siguranță în proiectarea și selectarea exoscheletelor; formarea sistemului; manipularea încărcăturii atunci când se utilizează un exoschelet; înregistrarea condițiilor de mediu pentru utilizarea cu metode de testare a exoscheletelor; etichetarea și informațiile pentru exoschelete și exosuți; și instrucțiuni de purtare, îngrijire și întreținere.

NIOSH planifică mai multe proiecte de cercetare, inclusiv (1) evaluarea efectelor exoscheletelor de asistență pentru spate în manipularea manuală a materialelor în sectorul comerțului cu ridicata și cu amănuntul; (2) evaluarea efectelor longitudinale asupra sănătății ale exoscheletelor pasive pentru umăr în sectorul manufacturier; (3) evaluarea pericolelor de siguranță potențial asociate cu exoscheletele în timpul lucrului pe suprafețe ridicate în sectorul construcțiilor; (4) examinarea fezabilității utilizării exoscheletelor pentru manipularea sigură a pacienților în sectorul sănătății; (5) explorarea aplicării exoscheletelor în industria minieră; și (6) evaluarea sistemelor de exoschelete pentru reducerea vibrațiilor transmise de mână.

Dacă ați utilizat sau aveți în vedere utilizarea exoscheletelor la locul de muncă, vă rugăm să vă exprimați opinia cu privire la următoarele întrebări în secțiunea de comentarii de mai jos.

1. Care a fost experiența dvs. în utilizarea exoscheletelor pentru munca industrială?
2. Ce fel de bariere ați întâmpinat în adoptarea exoscheletelor la locul de muncă?
3. Ce probleme sau preocupări ați dori să vedeți abordate de standardele de consens pentru exoscheletele industriale?

John Howard, MD, este directorul Institutului Național pentru Securitate și Sănătate în Muncă.

Vladimir Murashov, PhD, este cercetător științific principal în cadrul Biroului directorului NIOSH.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, este inginer industrial de cercetare în cadrul Diviziei de studii de teren și inginerie a NIOSH.

Jack Lu, PhD, CPE, este cercetător în domeniul ergonomiei în cadrul NIOSH Division of Field Studies and Engineering și manager al NIOSH Musculoskeletal Health Cross-Sector Program.

Pentru mai multe informații

Proceeding of the 2018 Ergo-X Symposium: Exoscheletele la locul de muncă-Assessing Safety, Usability, and Productivity

Centrul de cercetare în domeniul roboticii ocupaționale

Exoscheletele în construcții: Vor reduce sau vor crea pericole?

Exoscheletele purtabile pentru reducerea încărcăturii fizice la locul de muncă

Tehnologii purtabile pentru îmbunătățirea securității și sănătății pe șantierele de construcții

Goldenhar LM, LaMontagne AD, Katz T, Heaney C, Landsbergis P. Procesul de cercetare a intervenției în domeniul securității și sănătății în muncă: o prezentare generală din partea echipei de cercetare a eficienței intervenției de la Institutul Național pentru Securitate și Sănătate în Muncă. J Occup Environ Med. 2001;43(7):616-622. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11464392

American Academy of Orthopaedic Surgeons. Inițiativa americană pentru oase și articulații. The Burden of Musculoskeletal Diseases in the United States (Povara bolilor musculo-scheletice în Statele Unite). Ed. a 3-a. 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. Tipuri și clasificări ale exoscheletelor. Exoskeleton Report. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Accesat la 1 septembrie 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Exoscheletele pentru aplicații industriale și efectele lor potențiale asupra sarcinii fizice de lucru. Ergonomie. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Evaluarea ergonomică a unui dispozitiv asistiv portabil pentru munca deasupra capului. Ergonomie. 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). A 14-a Conferință internațională privind controlul, automatizarea și sistemele (ICCAS 2014). https://ieeexplore.ieee.org/document/6988049. Accesat la 31 octombrie 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/. Accesat la 1 septembrie 2019.

Lowe B, Billotte WG, Peterson DR. Formarea și standardele ASTM F48 pentru exoscheletele și exosuetele industriale. 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. Efectele unui exoschelet pasiv asupra activității musculare, a disconfortului și a timpului de anduranță în munca de îndoire înainte. Appl Ergon. 2016;54:212-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2015.12.003

Theurel J, Desbrosses K, Roux T, Savescu A. Consecințele fiziologice ale utilizării unui exoschelet pentru membrele superioare în timpul sarcinilor de manipulare manuală. 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. Evaluarea influenței unei veste exoscheletale pasive a membrelor superioare pentru sarcini care necesită ridicarea brațului: Partea I- Efecte „așteptate” asupra disconfortului, activității mușchilor umărului și performanței sarcinilor de lucru. 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. Evaluarea influenței unei veste exoscheletice pasive, de extremitate superioară pentru sarcini care necesită ridicarea brațului: Partea II- Efecte „neașteptate” asupra mișcării umărului, echilibrului și încărcării coloanei vertebrale. 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. Efectele unui exoschelet de trunchi pasiv asupra performanței funcționale la persoanele sănătoase. 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. Evaluarea unui exoschelet pasiv pentru posturile statice ale membrelor superioare. 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. Evaluarea biomecanică a utilizării exoscheletului asupra încărcării coloanei lombare. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Influențele diferitelor modele de exoschelet și masa sculei asupra solicitărilor fizice și a performanțelor într-o sarcină simulată de găurire deasupra capului. Appl Ergon. 2019;74:55-66. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.08.004

Cho YK, Kim K, Ma S, Ueda J. Un exoschelet robotic portabil pentru siguranța și sănătatea lucrătorilor din construcții. Congresul de cercetare în construcții 2018: Managementul siguranței și al dezastrelor – Lucrări selectate de la Congresul de cercetare în construcții, 19-28 aprilie 2018. https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784481288.003. Accesat la 1 septembrie 2019.

Butler T. Tehnologia exoscheletului. Făcând lucrătorii mai siguri și mai productivi. Prof Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. Analiza EMG a exoscheletului părții superioare a corpului în timpul asamblării automobilelor. 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. Accesat la 1 septembrie 2019.

Smets M. O evaluare pe teren a exoscheletelor de susținere a brațelor pentru aplicații de lucru deasupra capului în asamblarea automobilelor. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-7.

Consumer Product Safety Commission. Pericole potențiale asociate cu tehnologiile emergente și viitoare. Raport al personalului, 18 ianuarie 2017. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Accesat la 1 septembrie 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. Exoscheletele în construcții: vor reduce sau vor crea pericole? Blogul științific al NIOSH. 15 iunie 2017. https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletons-in-construction/. Accesat la 1 septembrie 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. Efectele vestelor de exoschelet asupra vibrațiilor transmise de mână. Proceedings of the 14th International Conference on Hand-Arm Vibration, 21-24 mai,2019, Bonn, Germania, pp. 69-70. https://www.dguv.de/medien/ifa/de/vera/2019_hav/hav_2019_abstracts.pdf. Accesat la 1 septembrie 2019.

.