Los exoesqueletos en tareas de mantenimiento: ayuda en operaciones y prevención de trastornos musculoesqueléticos
Alfonso Domínguez
Unidad de Salud, Robótica Médica
Tecnalia (BRTA - Basque Research and Technology Alliance)
ABSTRACT
Los trastornos musculoesqueléticos relacionados con el trabajo (TMET) son el problema de salud laboral más común en Europa. Su origen se debe a múltiples causas. Salvo los procesos originados únicamente por lesiones accidentales (sobresfuerzos), en casi todos los casos, en la aparición de TMET intervienen varios factores de riesgo, que tienen que ver con la tarea y con la organización del trabajo.
A pesar de los enormes avances en las áreas de robótica y automatización en los últimos años, la fabricación sigue siendo una tarea que requiere mucha mano de obra. Y aunque los trabajadores aportan versatilidad y robustez en la realización de las tareas que a priori las máquinas (robots) no pueden lograr, los seres humanos siguen siendo intrínsecamente frágiles en lo que se refiere a las exigencias físicas del ensamblado manual. El sector de mantenimiento, reparación y revisión se enfrenta a los mismos retos que las industrias manufactureras: la falta de trabajadores cualificados y el envejecimiento de la mano de obra. Los factores de riesgo arriba mencionados aquejan especialmente a los trabajadores de más edad, fisiológicamente más vulnerables.
En los últimos años, los exoesqueletos han sido propuestos como la solución a todos los problemas asociados con las TMETs. Se pensó que, al transferir las cargas de trabajos físicamente exigentes a estos dispositivos mecatrónicos, que siguen y refuerzan cada uno de nuestros movimientos, nos convertiríamos en superhumanos biónicos, insensibles a las tensiones del trabajo manual. Pero la promesa de un trabajo sin esfuerzo gracias a los exoesqueletos aún no se ha cumplido en el mundo real. Esto es debido a las limitaciones inherentes de las tecnologías utilizadas actualmente en los exoesqueletos.
El objetivo del artículo es presentar los exoesqueletos ocupacionales como una tecnología con potencial para la prevención de los trastornos musculoesqueléticos en el trabajo que aún debe mejorar. Para ello comienza haciendo un repaso de los tipos de exoesqueletos existentes, dónde se están utilizando y la evidencia científica de su eficacia existente hasta el momento, y concluye señalando las carencias que dificultan su adopción masiva por la industria y cómo se están abordando los diferentes retos desde el punto de vista tecnológico.
Keywords: Trastornos musculoesqueléticos, Mantenimiento, Prevención, Exoesqueleto ocupacional
1. EL PROBLEMA A ABORDAR: LOS TRASTORNOS MUSCULOESQUELÉTICOS EN EL ENTORNO DE TRABAJO (TMET)
Empezaremos conceptualizando el problema a abordar: el Trastorno Musculoesquelético en el entorno de trabajo (TME o TMET). Un trastorno musculoesquelético relacionado con el trabajo es una lesión de los músculos, tendones, ligamentos, nervios, articulaciones, cartílagos, huesos o vasos sanguíneos de los brazos, las piernas, la cabeza, el cuello o la espalda, que se produce o se agrava por tareas laborales como levantar, empujar o mover objetos. Los síntomas pueden incluir dolor, rigidez, hinchazón, adormecimiento y cosquilleo, lo que provoca por lo general una pérdida de productividad a la vez que supone un riesgo para la salud del empleado.
El origen de los TMET se debe a múltiples causas. Salvo los procesos originados únicamente por lesiones accidentales (sobresfuerzos), en casi todos los casos, en la producción de TMET intervienen varios factores de riesgo, que tienen que ver con la tarea y con la organización del trabajo: la manipulación manual de cargas, la adopción de posturas forzadas estáticas o dinámicas, realizar movimientos repetitivos, las vibraciones mecánicas, junto con la variedad de tareas, ya sea por exceso o por defecto (trabajo monótono y repetitivo), la falta de control sobre la propia tarea, el ritmo de trabajo elevado, la duración de la jornada prolongada y la falta de periodos de descanso y recuperación, etc.
En el Anuario 2017 de Estadísticas del Ministerio de Trabajo, Migraciones y Seguridad Social que recoge el Informe Anual de Accidentes de Trabajo en España, se reflejan tanto la forma en que se produjo el accidente, como la acción que produjo la lesión o el contacto con el agente que produjo la lesión. Las formas de accidente más frecuente fueron: los sobreesfuerzos físicos (38,0%), los golpes o choques contra un objeto inmóvil (persona trabajadora en movimiento) (24,7%) y los choques o golpes contra objeto en movimiento (14,4%), que en los tres casos producen y son causa de TMET.
Figura 1: Formas más frecuentes de Accidentes en jornada de trabajo con baja (fuente: Anuario de Estadísticas del Ministerio de Trabajo, Migraciones y Seguridad Social 2017. MITRAMISS. Online)
Si bien ha experimentado una bajada en los últimos 5 años llegando al 33% [1], el sobreesfuerzo sigue siendo la primera causa de TMET, de accidente de trabajo y de baja laboral. Y está directamente ligado a la carga física del trabajo. La carga física de trabajo se analiza a través de dos indicadores, uno es el de las demandas físicas que se imponen a la persona trabajadora al ejecutar su tarea y el otro es el de las molestias musculoesqueléticas que la persona trabajadora achaca a posturas y esfuerzos derivados de su trabajo.
Por sectores, Industria y Servicios son los más afectados por estos accidentes de trabajo a nivel estatal:
Figura 2: Desglose de los accidentes de trabajo por sector (fuente: OSALAN 2013)
Además, y continuando con la exposición anterior, el impacto sobre las áreas corporales referidas se generaliza en los sectores productivos más afectados, tal y como se muestra en el siguiente gráfico:
Figura 3: Afectación porcentual de molestias musculoesqueléticas sobre cada zona anatómica y sector según las personas trabajadoras (fuente: VII ENCT del INSHT)
En lo relativo a la edad del trabajador y trabajadora, un 78% de los trabajadores mayores de 55 años y un 81% de las mujeres trabajadoras sufren de trastornos musculoesqueléticos, un porcentaje que desciende poco (70%) entre la población joven trabajadora que tiene entre 16 y 29 años y que deberían gozar de mejor salud. La causa en este segmento de jóvenes parece ir ligado a la precariedad laboral y la baja formación. Las limitaciones que pueden padecer los trabajadores y las trabajadoras de 55 años y más no solo derivan del envejecimiento natural a nivel individual, sino que debemos sumar el desgaste que provoca la exposición prolongada a riesgos laborales y la antigüedad en el puesto de trabajo. El accidente de trabajo por sobresfuerzos supone el 90% de los accidentes de trabajo sufridos por este colectivo. La precariedad laboral también afecta a las personas mayores y tiene su correlato en la salud: los mayores de 55 años con contrato temporal sufren más accidentes por sobresfuerzo que los del mismo grupo de edad con contrato indefinido.
2. ¿QUÉ ES UN EXOESQUELETO ... OCUPACIONAL?
Los exoesqueletos pueden definirse como sistemas de asistencia personal que afectan al cuerpo de forma mecánica [2], ayudando a su aparato locomotor a realizar una determinada tarea o movimiento. Los exoesqueletos aplicados al ámbito laboral se conocen como exoesqueletos ocupacionales (o “industriales”) y tienen por objetivo reducir el estrés muscular de los trabajadores. Sus funciones son, principalmente, compensar el peso de parte del cuerpo del usuario o de una carga/herramienta, y amplificar la fuerza del portador. Los exoesqueletos ocupacionales pueden dividirse en diferentes categorías en función de la cuestión que se plantee: ¿Es un sistema actuado? ¿Qué partes del cuerpo humano reciben la asistencia? ¿Cómo está construido? ¿Cómo se controla? Etc.
Los exoesqueletos pueden clasificarse como activos o pasivos atendiendo al origen de la energía que asiste el movimiento del portador. Un exoesqueleto activo comprende uno o más actuadores que aumentan el poder del ser humano y ayudan a activar las articulaciones humanas. Estos actuadores pueden ser motores eléctricos, actuadores hidráulicos, músculos neumáticos u otros tipos. Un sistema estrictamente pasivo no utiliza ningún tipo de actuador, sino que utiliza materiales, muelles o amortiguadores con la capacidad de almacenar la energía cosechada por el movimiento humano y utilizarla cuando sea necesario para apoyar una postura o un movimiento [3]. Un exoesqueleto pasivo, por ejemplo, puede almacenar energía cuando una persona se inclina hacia adelante, y mientras está en esta posición, esta energía puede ayudar a la persona a mantener esa posición o a levantar el cuerpo mientras levanta un objeto. Sin embargo, la capacidad de almacenamiento de energía de los sistemas pasivos es reducida, por lo que ofrecen posibilidades limitadas de liberación de cargas en comparación con los diseños activos.
También podemos distinguir los exoesqueletos ocupacionales por las partes del cuerpo soportadas. La tendencia de los fabricantes es desarrollar pequeños exoesqueletos especializados en una tarea y/o área corporal. Por ello, en el mercado existe prácticamente un tipo de exoesqueleto por/para cada parte del cuerpo humano: brazos (Besk-Gogoa, PaexoShoulder-Ottobock), espalda (HeroWear-Apex, Laevo-Laevo, Aldak-Gogoa), piernas (Nonee-Nonee), manos (Ironhand-Bioservo), cuello (Paexo Neck-Ottobock) y/o dedo pulgar (Prexer- Iturri). Y ésta es sólo una pequeña muestra del catálogo disponible.
Por último, y en referencia a cómo están construidos, la presencia o no de una estructura cinemática permite diferenciarlos entre exoesqueletos rígidos, que son aquellos que presentan una cadena de enlaces rígidos, y flexibles, que no presentan dicha cadena y están construidos con elementos elásticos y/o dúctiles. En el caso de los exoesqueletos rígidos, cómo se asemeja y adapta esa estructura cinemática al cuerpo humano permite un último grado de diferenciación entre exoesqueletos antropomórficos y los no antropomórficos.
Los exoesqueletos ocupacionales son un mercado emergente por el que muchas empresas están decidiendo apostar. El número total de empresas dedicadas a producir o distribuir exoesqueletos industriales ha aumentado un 350% entre 2015 (16 empresas) y 2020 (56 empresas) [4]. Y tiene visos de continuar en los próximos años. El mercado total posible (TAM-Total Available Market) para exoesqueletos industriales ha sido únicamente de 9.5 millones de $USA en 2018 (es claramente un mercado emergente), pero se espera que crezca con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR-Compound Anual Growth Rate)del 58,8%, hasta alcanzar los 364,7 millones de $USA en el año 2025 [5]. Por segmentos dentro de la industria, el mercado más atractivo es el de la producción, que representa más de la mitad del mercado total (50.8%), seguido a corta distancia por la construcción (37.35%), siendo el sector de la logística el menos importante, con únicamente el 11.85%. No obstante, todos los sectores crecen a ritmos superiores al 50% anuales. Para dimensionar el mercado potencial, resulta más útil trabajar con número de unidades vendidas en lugar de con cifras de ingresos globales, ya que los precios en este sector no son uniformes, variando mucho en función del tipo de exoesqueleto. En cuanto al número de unidades de exoesqueletos industriales que se venderán, la previsión es la siguiente: se espera pasar de tan solo 310 exoesqueletos industriales vendidos en el 2019 a más de 10.000 en el 2025.
3. ¿DÓNDE SE ESTÁN APLICANDO EN ESPAÑA?
Los exoesqueletos ocupacionales están siendo testeados en diferentes sectores a lo largo y ancho de la geografía española. En el sector automovilístico, Ford (Almussafes), Iveco (Valladolid, Madrid) y Stellantis (Vigo), han llevado a cabo pilotos de uso de exoesqueletos ocupacionales de soporte de espalda, hombro y extremidad inferior. El área de logística de IKEA (Badalona) ha realizado pruebas con exoesqueletos lumbares. En el sector de ferroviario, Telice (León) ha probado exoesqueletos lumbares para ayudar en el desplazamiento de cargas en trabajos de suelo y de hombro en trabajos de altura como la instalación y mantenimiento de catenarias y la sustitución de las canaletas de comunicaciones. Por, último, en el sector sanitario, IMQ (Bilbao) probará diferentes exoesqueletos lumbares para dar soporte a los celadores en maniobras de movilización de pacientes y de equipamiento pesado sobre ruedas (camas eléctricas, carros de comida, etc.).
4. ¿Y FUNCIONAN? ¿ME PUEDEN AYUDAR EN MI CASO DE USO ESPECÍFICO?
Existen multitud de estudios a nivel de laboratorio que recogen el potencial de los exoesqueletos lumbares y de hombros para reducir las cargas mecánicas y la actividad muscular ( [6], [7]). La bibliografía muestra una gran variedad de enfoques de diseño experimental para la evaluación. Esta variabilidad entre los estudios dificulta la comparación directa de los resultados. A pesar de un notable incremento en los últimos años, se han realizado relativamente pocos estudios de campo en comparación con los estudios de laboratorio. La ratio de estudios de campo frente estudios de laboratorio es de 1 a 10 para exoesqueletos de apoyo lumbar y de 1 a 3 para exoesqueletos de soporte de hombro [8].
Sin embargo, los resultados de estos estudios de campo no son generalizables. La adopción de un exoesqueleto ocupacional requiere un enfoque basado en el conocimiento por etapas, desde la observación de las tareas y rutinas de los trabajadores (para identificar la tecnología que más se ajusta a sus necesidades), pasando por la familiarización y el uso de la tecnología (para evaluar la experiencia de los usuarios), hasta la reorganización final del espacio de la planta y la rutina diaria para apoyar la adopción de la tecnología. Primero deben comprenderse las necesidades del trabajador. Analizar las rutinas de los usuarios y su interacción con el entorno, y cuantificar los riesgos ergonómicos constituye la base para evaluar si un exoesqueleto ocupacional tendría un impacto positivo significativo en la calidad del trabajo y la salud del trabajador. Después del análisis, se debe realizar una evaluación del uso del exoesqueleto desde un punto de vista multifacético y no sólo de aspectos biomecánicos. Los cuestionarios y las métricas psicofisiológicas pueden capturar aspectos de usabilidad y aceptación relacionados con el entorno y con la organización del trabajo usando un exoesqueleto ocupacional. Por último, si la fase de pruebas concluye con resultados positivos, la decisión de adopción requiere simples modificaciones de los espacios y las prácticas cotidianas (de forma similar a otros equipos de protección individual).
5. BARRERAS PARA SU ADOPCIÓN
Tal y como se ha visto, los exoesqueletos ocupacionales tienen el potencial de aumentar el rendimiento y reducir significativamente las cargas físicas en condiciones específicas. Sin embargo, varias cuestiones técnicas dificultan su adopción por la industria.
Los exoesqueletos ocupacionales pasivos, por simplicidad y coste, son los más aceptados por la industria actualmente. Sin embargo, su capacidad de asistencia es limitada y son poco transparentes de cara a su portador. En lo que respecta a los exoesqueletos activos, se necesitan actuadores más ligeros, compactos y asequibles. Una encuesta sobre los requisitos de diseño para un brazo robótico supernumerario portátil destinado a la construcción, reveló que los trabajadores dan prioridad a un menor peso, a una mayor destreza, una autonomía ajustable y la transparencia de la intención del robot [9]. En segundo lugar, se necesitan estrategias de control más eficientes y sólidas para promover la movilidad diestra. En tercer lugar, se necesitan baterías más ligeras, densas y duraderas. En cuarto lugar, pocos exoesqueletos del mercado han sido certificados para cumplir la nueva normativa de seguridad internacional [10].
Además, otro obstáculo para la aceptación de los exoesqueletos ocupacionales es la incomodidad general: por la presión ejercida en los puntos en contacto del exoesqueleto con la región torácica [11], por la fricción y colisión de la estructura del exoesqueleto con la axila [12], por el calor y falta de transpirabilidad de los tejidos [13], etc.
Por último, a pesar de los esfuerzos realizados para desarrollar herramientas de evaluación que demuestren que los exoesqueletos están preparados para su aplicación generalizada en el lugar de trabajo, la información sobre la eficacia de los exoesqueletos industriales para reducir los resultados de las lesiones y aumentar la productividad es insuficiente. La introducción de una nueva tecnología en el puesto de trabajo requiere de confianza en ella por parte del trabajador y empresario. La ausencia de esa información genera desconfianza lo que dificulta su adopción.
6. TENDENCIAS EN INVESTIGACIÓN
Con el fin de superar las carencias de los exoesqueletos ocupacionales, hay en marcha una serie de iniciativas tecnológicas cuyo fin último es mejorar la aceptabilidad y adopción de los exoesqueletos.
Hasta la fecha, la mayoría de los fabricantes se ha centrado en desarrollar pequeños exoesqueletos pasivos especializados en una tarea y/o área corporal. Esta pasividad, si bien ayuda a reducir el peso y la complejidad de los mecanismos, les resta capacidad de adaptación. Los exoesqueletos pasivos no tienen capacidad de distinguir el contexto y activarse en función de la necesidad, por lo que la responsabilidad recae en su portador a través de interruptores manuales. En el mercado ya se empiezan a ver soluciones que incorporan cierta inteligencia en base a componentes puramente mecánicos. Es el caso del exoesqueleto lumbar de Ottobock [14], que se activa o desactiva de forma automática dependiendo de si el usuario va a levantar una carga o está andando. La tendencia es seguir creciendo en inteligencia y capacidad de adaptación, empezando por pequeños componentes electromecánicos que ayuden en la activación/desactivación en función de la necesidad para llegar a exoesqueletos activos con algoritmos de detección de intención para una interacción más natural y que el exoesqueleto sea lo más transparente posible para su portador. En esta línea trabaja el proyecto Exosasun [15]. Por, otro lado, la especialización de los exoesqueletos actuales choca con la naturaleza multitarea de los puestos de trabajo. Los exoesqueletos modulares constan de varios exoesqueletos que pueden trabajar de forma independiente o conjunta en función de las necesidades del trabajo [16].
Los estudios de laboratorio y campo realizados hasta la fecha tienen su propio diseño experimental. Esto hace que sus resultados sean difícilmente comparables. El primer intento hacia un enfoque de prueba estandarizado se realizó con el desarrollo de una batería de pruebas de rendimiento funcional que incluye 12 tareas para evaluar el apoyo y el estorbo del usuario por el exoesqueleto [17]. En esta línea, el proyecto H2020 Eurobench [18], tiene como objetivo el desarrollo de un marco de referencia para la evaluación comparativa de sistemas robóticos. Si bien está centrado en sistemas bípedos (exoesqueletos activos de extremidad inferior y humanoides), su filosofía, conceptos y desarrollos podría extenderse a los exoesqueletos ocupacionales.
Los estudios de campo a gran escala y a largo plazo deben complementar los estudios detallados de laboratorio para supervisar los efectos del uso diario de los exoesqueletos, y en particular para verificar la relación causal entre la reducción de la carga física del cuerpo y la aparición de TME específicos relacionados con el trabajo. Dichos estudios pueden ayudar a identificar, controlar y cuantificar los posibles efectos secundarios no deseados relacionados con el uso del exoesqueleto [19]. Estos estudios longitudinales son caros en tiempo y recursos. Los modelos de interacción humano-exoesqueleto- ambiente en entornos de simulación permiten evaluar miles de ciclos de trabajo en cuestión de segundos. Este enfoque se está probando en el sector automovilístico para la optimización de sus procesos [20].
Para facilitar el proceso de evaluación y validación de los exoesqueletos, se han propuesto herramientas basadas en la realidad virtual para la integración del exoesqueleto en las líneas industriales que ayudaría a la identificación de las áreas y tareas óptimas para su aplicación, al ajuste fino de los elementos activos del exoesqueleto en base a los resultados de la simulación y a la formación eficaz y segura de los trabajadores en el uso correcto de los diferentes exoesqueletos [21]. El proyecto Intex [22] propone el uso de bancos de pruebas instrumentalizados y modulares para simular un proceso de fabricación específico y medir de forma cuantitativa el valor añadido de un exoesqueleto sin la necesidad de realizar pruebas in situ.
7. CONCLUSIONES
Los trastornos musculoesqueléticos relacionados con el trabajo (TMET) son el problema de salud laboral más común. Los exoesqueletos ocupacionales han sido propuestos como solución a las mismas. Los estudios publicados hasta la fecha respaldan en parte las expectativas puestas en ellos. Sin embargo, existen carencias tecnológicas que impiden su masiva adopción por la industria. Se necesita más investigación para garantizar la introducción y el uso seguros de los exoesqueletos en el lugar de trabajo.
8. REFERENCIAS
[1] I. N. d. S. y. S. e. e. T. (INSST), «Accidentes de trabajo por sobresfuerzos. 2020,» 2021.
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[3] M. P. de Looze, T. Bosch, F. Krause, K. S. Stadler and L. W. O'Sulivan, “Exoskeletons for Industrial Application and Their Potential Effects on Physical Work Load,” Ergonomics, vol. 595, pp. 671-81, 2016.
[4] Forbes, «The Number Of Companies Making Industrial Exoskeletons Has Been Quietly Increasing For The Past Five Years,» [En línea]. Available: https://www.forbes.com/sites/borislavmarinov/2020/09/24/the-number-of- companies-making-industrial-exoskeletons-has-been-quietly-increasing-for- the-past-five-years/?sh=14afb4517bf4. [Último acceso: 04 04 2022].
[5] «Global Exoskeleton Market Report,» 2017.
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[7] J. Pinho, C. Taira, P. Parik-Americano, L. Suplino, V. Bartholomeu, V. Hatmann, G. Umemura y A. Forner-Cordero, «A comparison between three commercially available exoskeletons in the automotive industry: an electromyographic pilot study,» de IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics, Nueva York, 2020.
[8] S. Crea, P. Beckerle, M. De Looze, K. De Pauw, L. Grazi, T. Kermavnar, J. Masood, L. O’Sullivan, I. Pacifico, C. Rodriguez-Guerrero, N. Vitiello, D. Ristić-Durrant y J. Veneman, «Occupational exoskeletons: A roadmap toward large-scale adoption. Methodology and challenges of bringing exoskeletons to workplaces,» Wearable Technologies, vol. 2, p. e11, 2021.
[9] V. Vatsal y G. Hoffman, «Wearing your arm on your sleeve: studying usage contexts for a wearable robotic forearm,» 26th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN), pp. 974-980, 2017.
[10] B. S. Rupal, S. Rafique, A. Singla, E. Singla, M. Isaksson y G. S. Virk, «Lower-limb exoskeletons: Research trends and regulatory guidelines in medical and non-medical applications.,» International Journal of Advanced Robotic Systems, 2017.
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[14] Ottobock, «Paexo Back,» [En línea]. Available: https://paexo.com/paexo- back/?lang=en. [Último acceso: 04 04 2022].
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[16] SuitX, «Sitio web SuitX,» [En línea]. Available: https://www.suitx.com/home#. [Último acceso: 04 04 2022].
[17] S. J. Baltrush, J. H. van Dieën, C. A. M. van Bennekom y H. Houdijk, «The effect of a passive trunk exoskeleton on functional performance in healthy individuals,» Applied Ergonomics, vol. 72, pp. 94-106, 2018.
[18] Eurobench, «Eurobench H2020,» 04 04 2022. [En línea]. Available: https://eurobench2020.eu/.
[19] J. Howard, V. Murashov, B. Lowe y M. Lu, «Industrial exoskeletons: Need for intervention effectiveness research,» American Journal of Industrial Medicine, vol. 63, nº 3, pp. 201-208, 2020.
[20] C. Constantinescu, P. D. P. Muresan y S. Stana, «Exoskeleton-centered process optimization in advanced factory environments,» Procedia CIRP, vol. 41, pp. 740-745, 2016.
[21] A. Karvouniari, G. Michalos, N. Dimitropoulos y S. Makris, «An approach for exoskeleton integration in manufacturing lines using Virtual Reality techniques,» Procedia CIRP, vol. 78, pp. 103-108, 2018.
[22] Tecnalia, «Exoesqueletos que mejoran los procesos de fabricación,» [En línea]. Available: https://www.tecnalia.com/noticias/exoesqueletos-ambito-industrial. [Último acceso: 04 04 2022].
