Физиолого-гигиеническая оценка безопасности применения промышленного экзоскелета в условиях моделирования трудовой деятельности

Введение. Объектом исследования являлась динамика функционального состояния организма человека при выполнении физической работы с применением промышленного экзоскелета, предназначенного для разгрузки мышц спины и рук при подъёме, опускании, переносе и удерживании грузов массой до 50 кг.

Цель исследования — оценка безопасности применения промышленного экзоскелета при моделировании трудовой деятельности.

Материалы и методы. Оценка функционального состояния человека проводилась в рамках разработанной лабораторной модели трудовой деятельности потенциального потребителя промышленного экзоскелета с использованием медико-биологических методов: врачебный осмотр, регистрация биомеханики движений и анкетирование. Полученные данные подвергали статистическому анализу.

Результаты. Использование промышленного экзоскелета не сказывается на общем функциональном состоянии добровольца и не ограничивает движения в области нижних конечностей, но может частично ограничивать движения в плечевых суставах и затруднять выполнение движений в грудопоясничном отделе позвоночника. Доброволец может испытывать локальный дискомфорт в местах соприкосновения деталей экзоскелета с кожей: в передней поверхности лучезапястного сустава, ладонных поверхностях кисти, передней поверхности бедра, области поясничного отдела позвоночника.

Ограничения исследования. В исследовании участвовали только 12 респондентов, что может ограничивать возможность распространения данных на генеральную совокупность, но в ходе статистической обработки между результатами не было выявлено противоречивых значений у разных участников. Исследование безопасности использования промышленного экзоскелета проводилось в лабораторных условиях, которые не полностью воспроизводили реальные и упускали часть факторов, которые воздействуют на работника на производстве, но условия, связанные напрямую с применением промышленного экзоскелета, были воспроизведены.

Выводы. Исследование позволяет сделать вывод о безопасности использования промышленного экзоскелета в том случае, если производственные операции, выполняемые в нем, аналогичны разработанной лабораторной модели. Не было показано негативного влияния на общее состояние добровольцев и амплитуду движений нижних конечностей. Были отмечены ограничения движений верхних конечностей и в грудопоясничном отделе позвоночника, связанные с конструктивными характеристиками промышленного экзоскелета. Требуется изменение особенностей промышленного экзоскелета, которые могут приводить к формированию микротравм.

Этика. Исследование проведено с соблюдением протокола «Исследование безопасности и эффективности применения промышленного экзоскелета», одобренного Локальным этическим комитетом ФГБНУ «НИИ МТ» (протокол № 1 заседания Локального этического комитета от 25.01.2023 г.).

Участие авторов:
Шупорин Е.С. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование;
Чудова Е.С. — написание текста, редактирование;
Ильенко О.В. — концепция и дизайн исследования, написание текста;
Вага И.Н. — сбор и обработка данных;
Моткова Т.Ю. — сбор и обработка данных.

Финансирование. Финансирование осуществлялось в рамках выполнения Государственного задания по фундаментальным научным исследованиям. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления: 14.11.2024 / Дата принятия к печати: 19.12.2024 / Дата публикации: 07.02.2025

1. Канонин Ю.Н., Тихомиров О.И. Перспективы применения промышленных экзоскелетов на железнодорожном транспорте в качестве средств индивидуальной защиты. Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. 2024; 21(2): 370–379. https://doi.org/10.20295/1815-588X-2024-02-370-379

2. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2023 году: Государственный доклад. Москва: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; 2024: 364.

3. Geregei A.M., Shitova E.S., Malakhova I.S., Shuporin E.S., Bondaruk E.V., Efimov A.R., Takh V.Kh. Up-to-date techniques for examining safety and physiological efficiency of industrial exoskeletons. Health Risk Analysis. 2020; 3: 148–159. https://doi.org/10.21668/health.risk/2020.3.18.eng

4. De Looze M.P., Bosch T., Krause F., Stadler K.S., O’Sullivan L.W. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomic. 2015; 59(5): 671–681. https://doi.org/10.1080/00140139.2015.1081988

5. Zheng L., Lowe B., Hawke A., Wu J. Evaluation and Test Methods of Industrial Exoskeletons In Vitro, In Vivo, and In Silico: A Critical Review. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 2021; 49(4): 1–13 https://doi.org/10.1615/CritRevBiomedEng.2022041509

6. Li-Baboud Y.-S., Virts A., Bostelman R., Yoon S., Rahman A., Rhode L. et.al. Evaluation Methods and Measurement Challenges for Industrial Exoskeletons. Sensors. 2023; 23(12): 5604. https://doi.org/10.3390/s23125604

7. Hoffmann N., Prokop G., Weidner, R. Methodologies for evaluating exoskeletons with industrial applications. Ergonomics. 2021; 65(2): 276–295. https://doi.org/10.1080/00140139.2021.1970823

8. Kuber P.M., Rashedi E. Product ergonomics in industrial exoskeletons: potential enhancements for workforce efficiency and safety. Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2020; 22(6): 729–752. https://doi.org/10.1080/1463922X.2020.1850905

9. Cho K., Kim Y., Yi D., Jung M., Lee K. Analysis and evaluation of a combined human — exoskeleton model under two different constraints condition. In: Conference: International Summit on Human Simulation 2012, At St. Pete Beach, FL; 2012.

10. Masood J., Nieto A., Victor A., Blanco M., Voilque A., Bou J. Industrial wearable exoskeleton and exosuit assessment process. 4th International Symposium on Wearable Robotics "WeRob2018". 2018: 234−238.

11. Гамза Н.А., Гринь Г.Р., Жукова Т.В. Функциональные пробы в спортивной медицине. Минск: Белорусский государственный университет физической культуры; 2012.

12. Cardoso A., Colim A., Sousa N. The Effects of a Passive Exoskeleton on Muscle Activity and Discomfort in Industrial Tasks. In: Arezes P. et al. Occupational and Environmental Safety and Health II. Studies in Systems, Decision and Control. 2020; 277: https://doi.org/10.1007/978-3-030-41486-3_26

13. Bosch T., Eck J., Knitel K., Looze M. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 2016; 6: 212–217.

14. Скворцова В.И., Иванова Г.Е., Скворцов Д.В. Исследование биомеханики движений комплекса онтогенетически ориентированной кинезотерапии. Лечебная физкультура и спортивная медицина. 2010; 5(77): 13–18.

15. Кауркин С.Н., Скворцов Д.В., Иванова Г.Е. Содружественные движения плечевых суставов и туловища у здоровых испытуемых. Физиология человека. 2020; 46(2): 30–37. https://doi.org/10.31857/S013116462002006X

16. Huysamen K., de Looze M., Bosch T., Ortiz J., Toxiri S., O'Sullivan L.W. Assessment of an active industrial exoskeleton to aid dynamic lifting and lowering manual handling tasks. Applied Ergonomics. 2018; 68: 125–131. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.004

17. Grazi L., Trigili E., Caloi N., Ramella G., Giovacchini F., Vitiello N. et. al. Kinematics-Based Adaptive Assistance of a Semi-Passive Upper-Limb Exoskeleton for Workers in Static and Dynamic Tasks. IEEE Robotics and Automation Letters. 2022; 7(4): 8675–8682. https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3188402

18. Zhou X., Zheng L. Model-Based Comparison of Passive and Active Assistance Designs in an Occupational Upper Limb Exoskeleton for Overhead Lifting. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2021; 9(3–4): 167–185. https://doi.org/10.1080/24725838.2021.1954565

19. Jones R., Arbor A. Pneumatically Powered Lower Limb Exoskeletons. Department of Mechanical Engineering the University of Michigan. https://vk.cc/cI3CJV

20. Goniometric assessment of shoulder range of motion: comparison of testing in supine and sitting positions. https://clck.ru/3Fjfbv