Publicación: Exoesqueleto ocupacional para brindar confort y reducir esfuerzo durante el levantamiento de cargas
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Resumen en español
RESUMEN: los trastornos musculoesqueléticos (TME) son la principal causa de discapacidad laboral en el mundo, donde prevalecen el dolor de espalda y dolor en articulaciones del miembro superior, que suelen estar asociados a tareas de alta demanda física como la manipulación manual de cargas. Recientes avances en tecnología de asistencia han permitido el desarrollo de exoesqueletos ocupacionales con el potencial para mejorar el desempeño y prevenir TME, ofreciendo una alternativa para las situaciones en las cuales no es posible sustituir la mano de obra humana por procesos automatizados. Estos dispositivos suelen brindar soporte durante actividades que requieren tener los brazos elevados por encima de la cabeza, o levantamiento de cargas a la altura de los codos. Normalmente los exoesqueletos suelen asistir una sola articulación, y considerar un solo movimiento durante la tarea, pero no consideran movimientos compuestos que involucren varias articulaciones, ni manipulación manual de cargas (MMC) en posiciones críticas, de acuerdo con las normas de salud y seguridad en el trabajo (SST). El objetivo de esta investigación es disñear un exoesqueleto que brinde confort y reduzca el esfuerzo durante la MMC por encima de los hombros. La propuesta comienza desde el análisis biomecánico de la actividad y la construcción de un modelo teórico para definir los momentos críticos. El proceso de diseño se realizó utilizando una metodología de diseño híbrida apoyada en el método de análisis por elementos finitos. El prototipo se evalúa con electromiografía de superficie, test de fuerza, análisis de rango de movimiento y NASA TLX. Se implementó un sistema de asistencia pasivo para el movimiento compuesto que actúa en función de la biomecánica del MMC hasta la altura de la cabeza. El dispositivo aumenta la fuerza del miembro superior en un 53%, reduce hasta un -17% la actividad muscular del bíceps, y hasta un -9% del tríceps, y genera una disminución teórica la carga en la articulación del hombro y el codo alrededor de -77% y -73% respectivamente. La percepción de esfuerzo de la actividad se redujo -53% y se encontró una percepción positiva de comodidad durante la actividad. El prototipo cumple el objetivo propuesto durante la realización de pruebas en entornos relevantes, y demuestra la reducción de esfuerzo y concuerda con la percepción de confort del usuario.
Resumen en inglés
ABSTRACT: musculoskeletal disorders (MSDs) are the main cause of occupational disability worldwide, where back pain and joint pain in the upper limb prevail. These are usually associated with high physical demand tasks such as manual handling of loads. Recent advances in assistive technology have allowed the development of occupational exoskeletons with the potential to improve performance and prevent MSDs, offering an alternative for situations where it is not possible to replace human labor with automated processes. These devices usually provide support during activities that require having the arms raised above the head, or lifting loads at elbow height. Normally, exoskeletons usually assist a single joint, and consider a single movement during the task, but they do not consider compound movements that involve several joints, nor manual handling of loads (MHL) in critical positions, according to health and safety at work (HSW) standards. The objective of this research is to design an exoskeleton that provides comfort and reduces effort during MHL above the shoulders. The proposal begins from the biomechanical analysis of the activity and the construction of a theoretical model to define critical moments. The design process was carried out using a hybrid design methodology supported by the finite element analysis method. The prototype is evaluated with surface electromyography, strength test, range of motion analysis, and NASA TLX. A passive assistance system was implemented for the compound movement that acts based on the biomechanics of the MHL up to the height of the head. The device increases the strength of the upper limb by 53%, reduces up to -17% the muscular activity of the biceps, and up to -9% of the triceps, and generates a theoretical decrease in the load on the shoulder and elbow joint around -77% and -73% respectively. The perception of effort of the activity was reduced by -53% and a positive perception of comfort was found during the activity. The prototype meets the proposed objective during the performance of tests in relevant environments and demonstrates the reduction of effort and agrees with the user’s comfort perception.