Оценка эффективности применения промышленного экзоскелета по уровню энерготрат добровольцев

Введение. Для оценки эффективности применения промышленного экзоскелета необходимо исследовать динамику функционального состояния организма человека при выполнении физической работы с применением промышленного экзоскелета, в частности динамику энерготрат.

 Цель исследования: оценка уровня энерготрат при применении промышленного экзоскелета в условиях моделирования трудовой деятельности.

 Материалы и методы. Проводилось исследование эффективности применения промышленного экзоскелета для трудовой деятельности, включающей в себя подъем, перемещение и удержание груза, путем ее моделирования  в лабораторных условиях с использованием промышленного экзоскелета. 12 добровольцев были распределены на две группы, которые поочередно выполняли производственные операции с экзоскелетом и без него. Состояние добровольцев оценивалось с помощью врачебного осмотра и эргоспирометрии. Полученные данные обрабатывались с помощью статистического анализа, проведенного с применением пакета прикладных программ Statistica 10.0  и MS Office Excel 2019.

 Результаты. Показатели состояния сердечно-сосудистой системы добровольцев на протяжении исследования были в пределах референтных значений и соответствовали интенсивности физической нагрузки. В группе, работающей с применением экзоскелета, по сравнению с контрольной группой, были отмечены статистически значимое увеличение показателя частоты дыхания через первые 30 минут на 8 %, через 60 минут – на 17 %, через 90 минут –  на 21 %, через 120 минут – на 12 %, через 150 минут – на 7 %, через 180 минут – на 8 % и уменьшение значений показателей метаболического эквивалента через 60 минут – на 4 % и через 90 минут – на 6 %, объема вдыхаемого кислорода через 60 минут – на 6 % и через 90 минут – на 3 % и объема выделяемого углекислого газа через 150 минут – на 6 %.

 Выводы. Полученные данные свидетельствуют об эффективности использования промышленного экзоскелета для снижения энерготрат работника при выполнении производственных операций аналогичных разработанной лабораторной модели трудовой деятельности.

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. Т. 21. № 2. C. 370–379. doi: 10.20295/1815-588X-2024-02-370-379

2. Schmalz T, Schändlinger J, Schuler M, et al. Biomecha nical and metabolic effectiveness of an industrial exoskeleton for overhead work. Int J Environ Res Public Health. 2019;16(23):4792. doi: 10.3390/ijerph16234792

3. Blanco A, Catalán JM, Martínez-Pascual D, García-Pérez JV, García-Aracil N. The effect of an active upper-limb exoskeleton on metabolic parameters and muscle activity during a repetitive industrial task. IEEE Access. 2022;10:16479-16488. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3150104

4. Qu X, Qu C, Ma T, et al. Effects of an industrial pas sive assistive exoskeleton on muscle activity, oxygen consumption and subjective responses during lifting tasks. PLoS ONE. 2021;16(1):e0245629. doi: 10.1371/journal.pone.0245629

5. Geregei AM, Shitova ES, Malakhova IS, et al. Up-to-date techniques for examining safety and physiological effi ciency of industrial exoskeletons. Health Risk Analysis. 2020;(3):147-158. doi: 10.21668/health.risk/2020.3.18.eng

6. Мальчиков А.В., Яцун А.С., Белов А.Ю., Репкин А.В. Анализ эффективности применения экзоскелета в производственном процессе промышленного предприятия // Юность и знания – гарантия успеха. 2019 : сборник научных трудов 6-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 18-19 сентября 2019 года / Курск: Юго-Западный государственный университет. 2019. Т. 3. С. 234–237. EDN HOVULK.

7. Орлов И.А., Алисейчик А.П., Меркулова А.Г., Комаро ва С.В., Белая О.В., Грибков Д.А. и др. Актуальность исполь зования промышленных экзоскелетов для снижения количества профессиональных заболе - ва ний опорно-двигательного аппарата верхней части тела // Медицина труда и промышленная экология. 2019. № 7. doi:10.31089/1026-9428-2019-59-7-412-416

8. Яцун А.С., Щербакова М.П., Мальчиков А.В. Примене ние ЭМГ для оценки эффективности и безопасности промышленного экзоскелета в трудовой деятельности // Известия Юго-Западного государственного универ си тета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2024. № 14 (4). С. 78–97. doi: 10.21869/2223-1536-2024-14-4-78-97

9. Герегей А.М., Глухов Д.В., Ефимов А.Р. Промышленные экзоскелеты. Нормативно-методическое регулирова - ние // Медицина труда и промышленная экология. 2019. № 9. С. 598–598. doi: 10.31089/1026-9428-2019-59-9-598-599

10. Hoffmann N, Prokop G, Weidner R. Methodologies for evaluating exoskeletons with industrial appli cations. Ergonomics. 2021;65(2):276-295. doi: 10.1080/00140139.2021.1970823

11. Theurel J, Desbrosses K. Occupational exoskeletons: Overview of their benefits and limitations in preventing work-related musculoskeletal disorders. IISE Trans Occup Ergon Hum Factors. 2019;7(3–4):264-280. doi: 10.1080/24725838.2019.1638331

12. Lowe BD, Billotte WG, Peterson DR. ASTM F48 formation and standards for industrial exoskeletons and exosuits. IISE Trans Occup Ergon Hum Factors. 2019;7(3–4):230-236. doi: 10.1080/24725838.2019.1579769

13. Hefferle M, Lechner M, Kluth K, Christian M. Development of a standardized ergonomic assessment methodology for exoskeletons using both subjective and objective measurement techniques. In: Chen J, ed. Advances in Human Factors in Robots and Unmanned Systems. AHFE 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham; 2020;962. doi: 10.1007/978-3-030-20467-9_5

14. Reimeir B, Calisti M, Mittermeier R, Ralfs L, Weidner R. Effects of back-support exoskeletons with different functional mechanisms on trunk muscle activity and kinematics. Wearable Technol. 2023;4:e12. doi: 10.1017/wtc.2023.5

15. Falcone T, Del Ferraro S, Molinaro V, Zollo L, Lenzuni P. Estimation of the metabolic rate in the occupational f ield: A regression model using accelerometers. Int J Ind Ergon. 2023;96:103454. doi: 10.1016/j.ergon.2023.103454

16. Maurice P, Čamernik J, Gorjan D, et.al. Objective and subjective effects of a passive exoskeleton on overhead work. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2020;28(1):152-164. doi: 10.1109/TNSRE.2019.2945368

17. Гамза Н.А., Гринь Г.Р., Жукова Т.В. // Функциональные пробы в спортивной медицине. Минск: Белорусский государственный университет физической культуры; 2012. 57 c.

18. Weir JB. New methods for calculating metabolic rate with special reference to protein metabolism. J Physiol. 1949;109(1-2):1-9. doi: 10.1113/jphysiol.1949.sp004363

19. Mansell PI, Macdonald IA. Reappraisal of the Weir equation for calculation of metabolic rate. Am J Physiol. 1990;258(6 Pt 2):R1347-R1354. doi: 10.1152/ajpregu.1990.258.6.R1347