zurniimtpeМедицина труда и промышленная экологияRussian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology1026-94282618-8945FSBSI “Izmerov Research Institute of Occupational Health”10.31089/1026-9428-2023-63-7-432-438nbuhynzurniimtpe-3230Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESИсследование влияния использования промышленного экзоскелета для поддержки верхних конечностей на состояние мышц рук и плечевого поясаStudy of the impact of using the industrial exoskeleton to support the upper limbs on the condition of the arms and shoulder girdle muscleshttps://orcid.org/0000-0001-7590-431XШупоринЕвгений СергеевичShuporinEvgeniy S.

Науч. сотр. ФГБНУ «НИИ МТ».

e-mail: ppe-lab@irioh.ru

Research associate of Izmerov Research Institute of Occupational Health.e-mail: ppe-lab@irioh.ru

 

ppe-lab@irioh.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2493-1155НовожиловаАнастасия А.NovozhilovaAnastasia A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7927-2505ГерегейАндрей М.GeregeiAndrei M.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4379-5187ШитоваЕвгения С.ShitovaEvgeniya S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0009-0000-2161-6232НикифорукАнастасия И.NikiforukAnastasia I.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3608-7895ПодопросветовАлексей В.PodoprosvetovAlexey V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5634-9426ОрловИгорь А.OrlovIgor A.noemail@neicon.ruФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова»РоссияIzmerov Research Institute of Occupational HealthRussian FederationФГУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук»РоссияKeldysh Institute of Applied MathematicsRussian Federation202307082023637432438Copyright © Шупорин Е.С., Новожилова А.А., Герегей А.М., Шитова Е.С., Никифорук А.И., Подопросветов А.В., Орлов И.А., 20232023Шупорин Е.С., Новожилова А.А., Герегей А.М., Шитова Е.С., Никифорук А.И., Подопросветов А.В., Орлов И.А.Shuporin E.S., Novozhilova A.A., Geregei A.M., Shitova E.S., Nikiforuk A.I., Podoprosvetov A.V., Orlov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-irioh.ru/jour/article/view/3230Введение

Введение. Уровень профессиональной заболеваемости, связанной с воздействием физических перегрузок и перенапряжением отдельных органов и систем свидетельствует о необходимости проведения своевременной и эффективной профилактики, одним из средств которой является внедрение перспективного типа средств индивидуальной защиты (СИЗ) — промышленных экзоскелетов. Ввиду того, что до сих пор не установлены чёткие требования и критерии их безопасности и эффективности, все исследования в данной области носят экспериментальный характер, что обусловливает необходимость проведения испытаний каждого конкретного вида экзоскелета применительно к выполнению определённых трудовых операций.

Цель исследования — изучение влияния использования промышленного экзоскелета для поддержки верхних конечностей на утомление мышц рук и плечевого пояса.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для исследования был представлен промышленный экзоскелет, предназначенный для снижения нагрузки на верхние конечности при выполнении работ выше уровня головы пользователя. К участию в исследовании были привлечены 11 здоровых добровольцев. В условиях лаборатории была смоделирована трудовая деятельность, аналогичная работе на автомобильном конвейере с классом тяжести 3.2. В ходе выполнения работы, как без использования промышленного экзоскелета, так и с его использованием, с помощью поверхностной электромиографии (ЭМГ) регистрировали биоэлектрическую активность мышц верхних конечностей и плечевого пояса с обеих сторон. Кроме того, до работы и после её окончания проводили миотонометрию и динамометрию с целью регистрации биомеханических свойств исследуемых мышц, а также силы и выносливости рук.

Результаты

Результаты. В результате регистрации ЭМГ-сигнала установлено, что активность передней дельтовидной мышцы справа и двуглавой мышцы плеча справа при использовании промышленного экзоскелета в работе снижается более, чем на 50%. Показатели выносливости и силы, зарегистрированные в ходе динамометрии, снижались после выполнения работы как с применением экзоскелета, так и без него, от 1% до 36%, однако их динамика не соответствовала в полной мере классическим представлениям о развитии мышечного утомления. Анализ данных миотонометрии не показал статистически значимых изменений параметров исследуемых мышц.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Ограничениями данного исследования являются: небольшой размер выборки (11 добровольцев), отсутствие расчёта размера выборки, использование небольшого набора используемых медико-биологических методов оценки состояния человека. 

Выводы

Выводы. Применение исследуемого промышленного экзоскелета при выполнении моделируемых трудовых операций снижает биоэлектрическую активность основных задействованных в работе мышц, что доказывает его эффективность. Разработанная методика поверхностной ЭМГ может в дальнейшем быть использована при проведении подобных работ. Динамометрия и миотонометрия не показали достаточной чувствительности в проведённом исследовании, что обусловливает необходимость разработки специальных методик для решения аналогичных задач.

Этика

Этика. Протокол исследования был одобрен Локальным этическим комитетом при ФГБНУ «НИИ МТ» (протокол заседания № 3 от 20.04.2022 г.).

Участие авторов

Участие авторов:Шупорин Е.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;Новожилова А.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;Герегей А.М. — концепция и дизайн исследования, написание и редактирование текста;Шитова Е.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;Никифорук А.И. — сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;Подопросветов А.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных;Орлов И.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста.

Финансирование

Финансирование. Работа выполнена за счёт гранта РНФ (проект № 18-71-10112 П).

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления

Дата поступления: 07.06.2023 / Дата принятия к печати: 30.06.2023 / Дата публикации: 05.08.2023

Introduction. The level of occupational morbidity associated with the effects of physical overload and overstrain of individual organs and systems indicates the need for timely and effective prevention, one of the means of which is the introduction of a promising type of PPE — industrial exoskeletons. Since there are no clear requirements and criteria of their safety and efficiency, all the researches in this field are of experimental character, which dictates the necessity of testing each particular type of exoskeleton in relation to the performance of certain labor operations.The study aims assess the influence of using industrial exoskeleton for support of upper limbs on the arm and shoulder girdle muscles fatigue.

Materials and methods. The researchers used the presented industrial exoskeleton designed to reduce the load on the upper limbs when performing work above the level of the user's head. Eleven healthy volunteers participated in the study. In laboratory conditions, the authors simulated labor activity similar to work on an automobile conveyor with a gravity class 3.2. During the work, both without the use of an industrial exoskeleton and with its use, scientists measured the bioelectric activity of the muscles of the upper extremities and shoulder girdle on both sides using surface EMG. In addition, before and after the work, the authors performed myotonometry and dynamometry in order to register the biomechanical properties of the studied muscles, as well as strength and endurance of the hands.Results. As a result of recording the EMG-signal, scientists found that the activity of the anterior deltoid muscle on the right and the biceps muscle of the shoulder on the right when using an industrial exoskeleton in work is reduced by more than 50%. The indicators of endurance and strength recorded during dynamometry decreased after performing work both with and without an exoskeleton, from 1% to 36%, but their dynamics did not fully correspond to classical ideas about the development of muscle fatigue. The analysis of myotonometry data did not show statistically significant changes in the parameters of the studied muscles.Limitations. The limitations of this study are: a small sample size (eleven volunteers), the lack of calculation of the sample size, the use of a small set of used biomedical methods for assessing the human condition.Conclusion. The use of the studied industrial exoskeleton when performing simulated labor operations reduces the bioelectric activity of the main muscles involved in the work, which proves its effectiveness. The developed technique of surface EMG can be used in the future when carrying out such work. Dynamometry and myotonometry did not show sufficient sensitivity in the study, which necessitates the development of special techniques for solving similar problems.Ethics. The Local Ethics Committee of Izmerov Research Institute of Occupational Health have approved the Protocol of the study (the protocol No.3 dated 04/20/2022).Contribution:Shuporin E.S. — the concept and design of the study, data collection and processing, writing and editing of text;Novozhilova A.A. — the concept and design of the study, data collection and processing, writing and editing of text;Geregey A.M. — the concept and design of the study, writing and editing of text;Shitova E.S. — the concept and design of the study, data collection and processing, writing and editing of text;Nikiforuk A.I. — data collection and processing, writing and editing of text;Podoprosvetov A.V. — the concept and design of the study, data collection and processing;Orlov I.A. — the concept and design of the study, data collection and processing, writing and editing of text.Funding. This work was funded by a grant from the Russian Science Foundation (Project No. 18-71-10112 P).

Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.Received: 07.06.2023 / Accepted: 30.06.2023 / Published: 05.08.2023

 

 

промышленный экзоскелетмышечное утомлениеэлектромиографиямиотонометриядинамометриямедицина трудапрофессиональная заболеваемостьindustrial exoskeletonmuscle fatigueelectromyographymyotometrydynamometryoccupational healthoccupational morbidityReferencesHazreen H. Harith, Muhammad Fuad Mohd, Sharence Nai Sowat. A preliminary investigation on upper limb exoskeleton assistance for simulated agricultural tasks. Applied Ergonomics. 2021; 95. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103455Hazreen H. Harith, Muhammad Fuad Mohd, Sharence Nai Sowat. A preliminary investigation on upper limb exoskeleton assistance for simulated agricultural tasks. Applied Ergonomics. 2021; 95. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103455Kirsten Huysamen, Tim Bosch, Michielde Looze, Konrad S. Stadler, Eveline Graf, Leonard W. O'Sullivan. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb activities. Applied ergonomics. 2018; 70: 148–155. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.009Kirsten Huysamen, Tim Bosch, Michielde Looze, Konrad S. Stadler, Eveline Graf, Leonard W. O'Sullivan. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb activities. Applied ergonomics. 2018; 70: 148–155. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.009Jean Theurel, Kevin Desbrosses, Terence Roux, Adriana Savescu. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Applied Ergonomics. 2018; 67: 211–217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.10.008Jean Theurel, Kevin Desbrosses, Terence Roux, Adriana Savescu. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Applied Ergonomics. 2018; 67: 211–217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.10.008Peng Yin, Liang Yang, Shengguan Qu, Chao Wang. Effects of a passive upper extremity exoskeleton for overhead tasks. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2020; 55. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2020.102478Peng Yin, Liang Yang, Shengguan Qu, Chao Wang. Effects of a passive upper extremity exoskeleton for overhead tasks. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2020; 55. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2020.102478Voilqué A., Masood J., Fauroux J., Sabourin L. and Guezet O. Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural Analysis, and Structural Complexity Indicator. In: 2019 Wearable Robotics Association Conference (WearRAcon), 25–27 March 2019, Scottsdale, AZ, USA, pp. 13–20. https://doi.org/10.1109/WEARRACON.2019.8719395Voilqué A., Masood J., Fauroux J., Sabourin L. and Guezet O. Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural Analysis, and Structural Complexity Indicator. In: 2019 Wearable Robotics Association Conference (WearRAcon), 25–27 March 2019, Scottsdale, AZ, USA, pp. 13–20. https://doi.org/10.1109/WEARRACON.2019.8719395Bogue R. Exoskeletons — a review of industrial applications. Industrial Robot. 2019; 45(5): 585–590. https://doi.org/10.1108/IR-05-2018-0109Bogue R. Exoskeletons — a review of industrial applications. Industrial Robot. 2019; 45(5): 585–590. https://doi.org/10.1108/IR-05-2018-0109Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadler & Leonard W. O’Sullivan. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics. 2016; 59(5): 671–681. https://doi.org/10.1080/00140139.2015.1081988Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadler & Leonard W. O’Sullivan. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics. 2016; 59(5): 671–681. https://doi.org/10.1080/00140139.2015.1081988Tasha McFarland, Steven Fischer. Considerations for Industrial Use: A Systematic Review of the Impact of Active and Passive Upper Limb Exoskeletons on Physical Exposures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019: 7(3–4): 322–347. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1684399Tasha McFarland, Steven Fischer. Considerations for Industrial Use: A Systematic Review of the Impact of Active and Passive Upper Limb Exoskeletons on Physical Exposures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019: 7(3–4): 322–347. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1684399Mona Bär, Benjamin Steinhilber, Monika A. Rieger, Tessy Luger. The influence of using exoskeletons during occupational tasks on acute physical stress and strain compared to no exoskeleton — A systematic review and meta-analysis. Applied Ergonomics. 2021; 94. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103385Mona Bär, Benjamin Steinhilber, Monika A. Rieger, Tessy Luger. The influence of using exoskeletons during occupational tasks on acute physical stress and strain compared to no exoskeleton — A systematic review and meta-analysis. Applied Ergonomics. 2021; 94. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103385Pacifico I., Parri A., Taglione S., Sabatini A.M., Violante F.S., Molteni F. et al. Exoskeletons for workers: A case series study in an enclosures production line. Applied Ergonomics. 2022; 101: 103679. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2022.103679Pacifico I., Parri A., Taglione S., Sabatini A.M., Violante F.S., Molteni F. et al. Exoskeletons for workers: A case series study in an enclosures production line. Applied Ergonomics. 2022; 101: 103679. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2022.103679Sander De Bock, Jo Ghillebert, Renée Govaerts, Bruno Tassignon, Carlos Rodriguez-Guerrero, Simona Crea et al. Benchmarking occupational exoskeletons: An evidence mapping systematic review. Applied Ergonomics. 2022; 98. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103582Sander De Bock, Jo Ghillebert, Renée Govaerts, Bruno Tassignon, Carlos Rodriguez-Guerrero, Simona Crea et al. Benchmarking occupational exoskeletons: An evidence mapping systematic review. Applied Ergonomics. 2022; 98. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103582Ehsan Rashedi, Sunwook Kim, Maury A. Nussbaum & Michael J. Agnew. Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work. Ergonomics. 2014; 57(12): 1864–1874, https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682Ehsan Rashedi, Sunwook Kim, Maury A. Nussbaum & Michael J. Agnew. Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work. Ergonomics. 2014; 57(12): 1864–1874, https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682Aijse de Vries, Michiel de Looze. The Effect of Arm Support Exoskeletons in Realistic Work Activities: A Review Study. Journal of ergonomics. 2019; 9(4): 1–9. https://doi.org/10.35248/2165-7556.19.9.255Aijse de Vries, Michiel de Looze. The Effect of Arm Support Exoskeletons in Realistic Work Activities: A Review Study. Journal of ergonomics. 2019; 9(4): 1–9. https://doi.org/10.35248/2165-7556.19.9.255Aijse de Vries, Molly Murphy, Reinier Könemann, Idsart Kingma, Michiel de Looze. The Amount of Support Provided by a Passive Arm Support Exoskeleton in a Range of Elevated Arm Postures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019; 7(3–4): 311–321. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1669736Aijse de Vries, Molly Murphy, Reinier Könemann, Idsart Kingma, Michiel de Looze. The Amount of Support Provided by a Passive Arm Support Exoskeleton in a Range of Elevated Arm Postures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019; 7(3–4): 311–321. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1669736Dong Jin Hyun, Kihyeon Bae, KyuJung Kim, Seungkyu Nam. A light-weight passive upper arm assistive exoskeleton based on multi-linkage spring-energy dissipation mechanism for overhead tasks. Robotics and Autonomous Systems. 2019; 122. https://doi.org/10.1016/j.robot.2019.103309Dong Jin Hyun, Kihyeon Bae, KyuJung Kim, Seungkyu Nam. A light-weight passive upper arm assistive exoskeleton based on multi-linkage spring-energy dissipation mechanism for overhead tasks. Robotics and Autonomous Systems. 2019; 122. https://doi.org/10.1016/j.robot.2019.103309Kim S., Nussbaum M.A., Mokhlespour Esfahani M.I., Alemi M.M., 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. Applied Ergonomics. 2018; 70: 315–322. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.025Kim S., Nussbaum M.A., Mokhlespour Esfahani M.I., Alemi M.M., 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. Applied Ergonomics. 2018; 70: 315–322. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.025Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. Р 2.2.2006-05. Ивановский НИИ охраны труда; Российский государственный медицинский университет; НИИ проблем охраны труда; ГУ НИИ медицины труда РАМН; НИИ охраны труда; Всероссийский НИИ железнодорожной гигиены; ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Санкт-Петербург; Тверской государственный университет. М.: Деан, 2006 г.Guidelines for the hygienic assessment of the factors of the working environment and the labor process. Criteria and classification of working conditions. R 2.2.2006-05. Ivanovo research institute of labor protection; Russian State Medical University; Research Institute of Labor Protection Problems; State Research Institute of Occupational Medicine of the Russian Academy of Medical Sciences; research institute of labor protection; All-Russian Research Institute of Railway Hygiene; Federal State Unitary Enterprise Central Research Institute im. acad. A.N. Krylov St. Petersburg; Tver State University. M.: Dean; 2006 Hermens H.J., Freriks B., Disselhorst-Klug C., Rau G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal Electromyography and Kinesiolody. 2000; 10(5): 361–74. https://doi.org/10.1016/S1050-6411(00)00027-4 (in Russian).Muckelt P.E., Warner M.B., Cheliotis-James T. et al. Protocol and reference values for minimal detectable change of MyotonPRO and ultrasound imaging measurements of muscle and subcutaneous tissue. Scientific Reports. 2022; 12. https://doi.org/10.1038/s41598-022-17507-2Muckelt P.E., Warner M.B., Cheliotis-James T. et al. Protocol and reference values for minimal detectable change of MyotonPRO and ultrasound imaging measurements of muscle and subcutaneous tissue. Scientific Reports. 2022; 12. https://doi.org/10.1038/s41598-022-17507-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.