RU2801867C1 - Способ физиологической оценки эффективности применения промышленного экзоскелета - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицине труда и физиологии человека и раскрывает способ физиологической оценки эффективности применения промышленных экзоскелетов с использованием метода эргоспирометрии. Способ включает четыре этапа испытаний с моделированием трудовой деятельности без применения промышленного экзоскелета и с его применением, измерение в течение испытаний энерготрат с помощью портативного комплекса для эргоспирометрического тестирования и расчет рабочей прибавки энерготрат. Измерения проводят до начала и в процессе моделирования трудовой деятельности не менее 4 часов. Способ обеспечивает упрощение физиологической оценки эффективности промышленных экзоскелетов и увеличение точности полученных результатов. 3 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицине труда и физиологии человека и раскрывает способ физиологической оценки эффективности применения промышленных экзоскелетов, предусматривающий измерение и анализ динамики основных показателей кардиореспираторной системы человека непосредственно в процессе моделирования трудовой деятельности.

Несмотря на внедрение автоматизации и механизации в производственные процессы, профессиональная заболеваемость, связанная с тяжелым физическим трудом, все еще находится на достаточно высоком уровне. Большинство профессиональных заболеваний опорно-двигательного аппарата (ОДА), в том числе радикулопатий, артрозов, полинейропатий и др., возникают вследствие негативного воздействия вредного производственного фактора - тяжести трудового процесса. Поднятие и перенос тяжелых грузов, частые наклоны, длительное нахождение в вынужденных и неудобных рабочих позах, высокий уровень статических и динамических нагрузок на рабочих местах являются основополагающими причинами возникновения скелетно-мышечных нарушений у работников.

В настоящее время, благодаря применению нового типа средств индивидуальной защиты (СИЗ) - промышленных экзоскелетов, которые компенсируют и (или) перераспределяют нагрузку на ОДА, появилась возможность нивелировать негативное влияние тяжести трудового процесса на организм работников. Применение промышленных экзоскелетов способствует облегчению физического труда работников за счет уменьшения физиологической стоимости работы. Использование промышленного экзоскелета в течение длительного времени уменьшает уровень энерготрат при выполнении физических работ, а также снижает нагрузку на кардиореспираторную систему работников.

Таким образом, использование промышленного экзоскелета уменьшает риск развития профессиональных заболеваний, связанных с тяжелым физическим трудом, не требуя при этом крупномасштабной реорганизации рабочего пространства.

Технология применения промышленного экзоскелета является новой и относительно несовершенной, а уровень эффективности подобного типа СИЗ изучен не в полной мере. Наличие достоверной информации об эффективности применения промышленного экзоскелета имеет первостепенное значение как для разработчиков при создании перспективных и модернизации существующих образцов промышленных экзоскелетов, так и для потенциальных потребителей в процессе внедрения промышленных экзоскелетов в производственные процессы. При этом важным медико-биологическим аспектом представляется возможность получения объективных физиологических данных о динамике функционального состояния организма работника в процессе осуществления профессиональной деятельности при использовании промышленного экзоскелета.

В связи с вышеизложенным возникает потребность в разработке способа объективной физиологической оценки эффективности применения промышленных экзоскелетов.

Из уровня техники известен способ проведения испытаний экзоскелета (RU 2711223 С2, патентообладатель Акционерное общество «Волжский электромеханический завод» (RU), опубл. 14.06.2019). Способ проведения испытаний экзоскелета заключается в том, что максимальное воспроизведение возможных действий экзоскелета реализуется путем стыковки экзоскелета с опорной колесной рамкой и нагружения экзоскелета антропометрическим тестовым устройством. Механизм стыковки экзоскелета с опорной колесной рамкой выполнен в виде шарнирного узла со степенями подвижности, достаточными для передвижения экзоскелета, маневрирования, в том числе поворачивания, а также приседания и вставания со стула. Передача данных с датчиков экзоскелета на систему управления и контроля процесса испытаний осуществляется по беспроводной связи. Изобретение обеспечивает повышение качества и достижение большей достоверности тестируемых параметров, а также упрощение процесса испытаний.

Недостатками упомянутого способа является то, что он предназначен только для тестирования активных медицинских экзоскелетов, а также то, что оценка эффективности экзоскелета не учитывает физиологические показатели испытуемого (оператора экзоскелета).

Известен способ определения эффективности биомеханических антропоморфных средств - пассивных экзоскелетов (RU 2660312 С1, патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск» Министерства обороны Российской Федерации (RU), опубликовано 05.07.2018). Способ определения параметров эффективности пассивных экзоскелетов состоит в том, что путем обратной связи фиксируют параметры движений частей тела человека приборами и последующей обработки полученных сигналов, согласно предложенным расчетным алгоритмам, определяют исходные данные для расчета параметров эффективности. Регистрацию сигналов осуществляют с тензодатчиков, расположенных на гибких платформах, закрепленных на экзоскелете, при движении оператора на установленное количество шагов, а в качестве параметров эффективности рассчитывают коэффициент перераспределения массы носимого груза на каркас экзоскелета и дифференциальный коэффициент перераспределения массы носимого груза на каркас экзоскелета, который рассчитывают как отношение математического ожидания максимальных значений нагрузки с вычетом массы оператора экзоскелета за каждый шаг из полученного массива данных распределенной по стопе нагрузки за половину установленного количества шагов к сумме массы экзоскелета и груза и определяют для каждой ноги. Дифференциальный коэффициент перераспределения массы носимого груза на каркас экзоскелета рассчитывают как отношение математического ожидания максимальных значений нагрузки с вычетом массы оператора экзоскелета за каждый шаг из полученного массива данных распределенной по стопе нагрузки за половину установленного количества шагов к разности математического ожидания максимальных значений нагрузки за каждый шаг из полученного массива данных распределенной нагрузки по опорной части рычага ноги экзоскелета за половину установленного количества шагов и массы оператора экзоскелета и определяется для каждой ноги. Эффективность перераспределения массы носимого груза экзоскелетом определяют выполнением условия принадлежности значений коэффициента перераспределения массы носимого груза на каркас экзоскелета и дифференциального коэффициента перераспределения массы носимого груза на каркас экзоскелета диапазону от 0,8 до 1 и условием принадлежности значения разности данных коэффициентов диапазону, меньшему или равному 0,1.

Недостатком данного способа является то, что метод оценки эффективности пассивных экзоскелетов предназначен исключительно для испытаний тех экзоскелетов, конструкция которых предусматривает постоянный контакт части экзоскелета с поверхностью опоры, в то время как большинство моделей промышленных экзоскелетов не имеют такой конструкции. Известный способ испытаний также не учитывает физиологическое состояние испытуемого (оператора экзоскелета).

В качестве прототипа выбран способ оценки безопасности и эффективности применения промышленных экзоскелетов (Современные методы исследования безопасности и физиологической эффективности применения экзоскелетов, A.M. Герегей, Е.С. Шитова, И.С. Малахова, Е.С. Шупорин, Е.В. Бондарук, А.Р. Ефимов, В.Х. Tax, Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова, Анализ риска здоровью. 2020. №3, стр. 148-157). В известном способе оценка эффективности работы промышленного экзоскелета проходила путем моделирования трудовой деятельности и исследования функционального состояния добровольцев, принимающих участие в исследовании. В качестве добровольцев привлекли шесть практически здоровых мужчин (в возрасте 27,8±4,8 г., ростом 183,0±5,8 см, массой тела 80,0±11,1 кг, с индексом массы тела 23,3±2,8), которые до начала исследования были осмотрены врачами-специалистами и по результатам осмотров, функциональных и лабораторных исследований имели верифицированный диагноз «здоров». Каждый из добровольцев осуществлял моделирование трудовой деятельности как без использования промышленного экзоскелета, так и с его применением. Оценка общего состояния осуществлялась путем врачебного осмотра, включающего в себя внешний осмотр, измерение основных показателей функционального состояния, субъективную оценку добровольцем его ощущений при выполнении произвольных движений в крупных суставах и позвоночнике. Для определения энерготрат добровольцев использовали портативный комплекс ЭСМ-тестирования Metamax 3В (Cortex, Германия) и монитор сердечного ритма Polar Н10 (Polar Electro, Финляндия) с эластичным поясом. Показатели газообмена регистрировались автоматически в ходе моделирования рабочей смены. Для оценки влияния промышленного экзоскелета на состояние кардиореспираторной системы добровольцев были использованы пробы Руфье, Physical Working Capacity 170, Штанге, Генчи, Серкина, а также активная ортостатическая проба. Утомление скелетной мускулатуры оценивали путем проведения ЭМГ (с помощью системы для комплексной объективной оценки двигательных функций, регистрации биомеханики движений и ЭМГ «Биомеханика Траст-М») и миотонометрии (с помощью прибора Myoton PRO (Myoton AS, Эстония). Для оценки статической координации добровольцев использовалась стабилометрическая платформа из состава комплекса для лечения и реабилитации больных с двигательными патологиями «Стабилометрия Траст-М» (ООО «Неврокор», Россия). В качестве теста, позволяющего оценить функциональное состояние постуральной системы, использовали тест Ромберга с открытыми и закрытыми глазами. Определение психофизиологического состояния добровольца проводили с помощью универсального психодиагностического комплекса УПДК-МК (ЗАО «Нейроком», г. Москва). Использовали экспресс-пробу функционального состояния, тесты «Сложная двигательная реакция», «Критическая частота световых мельканий», теппинг-тест. Кроме того, добровольцы по окончании тестирований заполняли анкеты с целью оценки эргономических характеристик экзоскелетов. При исследовании эффективности применения промышленного экзоскелета Exochair оценивали динамику показателей производительности труда. Исследование каждого промышленного экзоскелета проводили в два этапа. На первом этапе осуществляли моделирование трудовой деятельности без применения промышленного экзоскелета (контрольная группа добровольцев). На втором этапе - с применением промышленного экзоскелета. Тестирования проводили до начала моделирования трудовой деятельности (фоновые тестирования), в перерывах (промежуточные) и после моделирования (контрольные) одинаково на обоих этапах исследования.

Недостатками прототипа является его сложность, необходимость регистрации множества параметров с помощью различных устройств и отсутствии рандомизации, что отрицательно сказывается на точности полученных результатов. При регистрации эргоспирометрических данных не учитывались параметры добровольцев в состоянии покоя.

В основу изобретения положена задача по разработке способа физиологической оценки эффективности применения промышленных экзоскелетов с использованием метода эргоспирометрии.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение физиологической оценки эффективности промышленных экзоскелетов и увеличение точности получаемых результатов.

Заявленный технический результат реализуется за счет того, что способ физиологической оценки эффективности применения промышленного экзоскелета осуществляется с использованием метода эргоспирометрии, включающий четыре этапа испытаний, которые проводятся с привлечением здоровых испытуемых в количестве не менее шести человек. Испытуемые случайным образом делятся на две группы, которые отличаются последовательностью прохождения этапов испытаний. Первая группа испытуемых проходит этапы испытания в следующем порядке:

на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя, лежащих на кушетке, измеряют энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на втором этапе у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета; по результату испытаний осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций без применения промышленного экзоскелета;

на третьем этапе, который осуществляется не менее чем через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя, лежащих на кушетке, измеряют энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на четвертом этапе, у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета, по результату испытаний осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций с применением промышленного экзоскелета.

Вторая группа испытуемых проходит этапы испытаний в следующем порядке:

на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя, лежащих на кушетке, измеряют энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на втором этапе у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета; по результату испытаний осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций с применением промышленного экзоскелета;

на третьем этапе, который осуществляется не менее чем через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя, лежащих на кушетке, измеряют энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на четвертом этапе, у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета, по результату испытаний осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций без применения промышленного экзоскелета.

После прохождения испытаний рассчитывается разница между средними (или медианными) значениями рабочей прибавки энерготрат всех испытуемых при работе с применением промышленного экзоскелета и средними (или медианными) значениями рабочей прибавки энерготрат всех испытуемых при работе без применения промышленного экзоскелета, проводится статистический анализ полученных данных. Если значения полученных данных соответствуют нормальности распределения значений признака то рассчитывается разница между средними значениями, если значения данных не соответствуют нормальности распределения значений признака то рассчитывается разница между медианными значениями.

Промышленный экзоскелет признается эффективным в случае статистически значимого уменьшения показателя энерготрат в группе, выполнявшей работу с применением промышленного экзоскелета, по сравнению с группой, выполнявшей работу без применения промышленного экзоскелета (если показатель значимости ниже уровня значимости (р≤0,05).

Применение эргоспирометрии обосновано его универсальностью и высокой диагностической ценностью при измерении энерготрат.

Из числа методов, используемых в физиологии труда, можно выделить четыре уровня определения энерготрат: отбор, наблюдение, анализ и экспертиза [ГОСТ Р ИСО 8996-2008. «Эргономика термальной среды. Определение скорости обмена веществ»]. От уровня отбор» к уровню «экспертиза» точность получаемых результатов увеличивается. Первые два уровня (отбор и наблюдение) предлагают определение энерготрат при помощи табличных значений для различных видов деятельности и позволяют получить только грубую оценку с существенной ошибкой.

На третьем уровне (анализ) используют метод, основанный на взаимосвязи количества поглощенного кислорода с частотой сердечных сокращений (ЧСС) в заданных условиях. Энерготраты определяются с помощью значений показателей сердечного ритма работника в течение периода измерений. Точность рассматриваемого метода равна ≈10% и позволяет только косвенно определить энерготраты. Измерения на четвертом уровне позволяют получить более точные значения показателей. Наиболее точным является метод прямой калориметрии, при применении которого энерготраты измеряют как скорость, с которой организм теряет тепло в окружающей среде. К минусам данного метода необходимо отнести то, что для измерений необходимо наличие специальной климатической камеры и специального теплообменного костюма. Все это исключает возможность использования данного метода на широкой выборке при проведении исследований в условиях моделирования большого числа производственных операций и при использовании человеком различных типов СИЗ, в том числе промышленных экзоскелетов.

Учитывая вышесказанное, выбранный метод эргоспирометрии обладает максимальной точностью по сравнению с остальными при сохранении возможности моделирования трудовой деятельности практически в любых условиях окружающей среды на широкой выборке лиц, использующих различные типы СИЗ, в том числе промышленные экзоскелеты.

В заявляемом способе регистрируют только энерготраты испытуемого, на основании которых рассчитывают рабочую прибавку энерготрат, являющуюся интегральным показателем состояния человека, который позволяет сделать вывод об эффективности применения промышленного экзоскелета. Таким образом, достигается технический результат в части упрощения физиологической оценки эффективности промышленных экзоскелетов.

Энерготраты - это показатель скорости обмена веществ, который определяет энергетические затраты организма и является важным показателем комфорта или напряжения систем организма в результате выполнения физической работы. Энерготраты рассчитываются прибором «Metamax 3В» автоматически по формуле Вейра (Weir) (K.J. Acheson: Theory, Assumptions and Limitations of Calculating Energy Expenditure and Substrate Utilization from Respiratory Exchange Data (in "Methodische Fragen zur indirekten Kalorimetrie", Workshop Salzburg 1986, W. Zuckschwerdt Verlag, 1988)):

OO=60×(3,941×VO₂)+(1,106×VCO₂),

где: OO (основной обмен или энерготраты) - энерготраты организма, ккал/час

VO₂ - объем вдыхаемого кислорода, л/мин,

VCO₂ - объем выделяемого углекислого газа, л/мин.

Рабочая прибавка энерготрат - это величина энерготрат организма на непосредственное выполнение физической или умственной работы. Это любой дополнительный расход энергии сверх энерготрат в покое, необходимых для энергообеспечения работы всех систем организма. Эта дополнительная энергия затрачивается на выполнение физической работы, терморегуляцию, усвоение пищи и прочие процессы и часто зависит от множества факторов: режима сна/бодрствования, времени приема пищи, ее состава и калорийности, предшествующей физической нагрузки и пр. Именно поэтому скорость обмена веществ в покое в разные дни и в разных условиях неодинакова, что обуславливает необходимость проведения измерений энерготрат в состоянии покоя перед каждым этапом испытаний с моделированием трудовой деятельности (без применения промышленного экзоскелета или с его применением). Измерения энерготрат в состоянии покоя и энерготрат во время трудовой деятельности позволяют наиболее точно определить, какой расход энергии потребовался испытуемому непосредственно на совершение трудовой деятельности.

Вычисление рабочей прибавки энерготрат проходит по формуле:

РП=ОО-ООП

где: РП - рабочая прибавка энерготрат, ккал/час,

ОО - основной обмен, ккал/час,

ООП - основной обмен в покое, ккал/час.

Энерготраты покоя измеряют по достижении 5 минутного интервала, в течение которого колебания уровня энерготрат не превышают ±15%.

Время перехода организма в стабильное состояние покоя может быть различным, при этом стабилизация показателей энерготрат происходит не одномоментно - они могут то увеличиваться, то уменьшаться. При приближении к состоянию покоя всех систем организма энерготраты стабилизируются на индивидуальном для каждого человека уровне и их изменения чаще всего остаются в диапазоне ±15%. Таким образом, достижение состояния полного покоя организма считается завершенным при условии стабилизации значений показателей энерготрат на протяжении 5 минут, если изменения этих значений в течении этих 5 минут не превышает ±15%. Определение перехода в состояние покоя организма и дальнейшие измерения осуществляются прибором автоматически.

Между 2 и 3 этапом испытаний должно пройти не менее 3 суток. Так как на втором этапе испытуемые в течение длительного времени выполняют трудовые операции, связанные с физическими нагрузками, по окончании данного этапа наблюдается мышечное утомление, а в некоторых случаях - переутомление мышц. В зависимости от группы и числа задействованных мышц, для полного восстановления работоспособности требуется 36-72 часа. Восстановление работоспособности испытуемого необходимо ввиду того, что интенсивная предшествующая физическая нагрузка может повлиять на результаты измерений его энерготрат покоя на следующем, 3 этапе, что снизит точность последующих измерений и повлияет на результаты измерений в целом. Таким образом, перерыв между 2 и 3 этапом испытаний должен составлять не менее 3 суток.

В заявленном способе используется рандомизация: до начала исследования испытуемые делятся на две группы, которые проходят этапы исследования в разном порядке. С помощью рандомизации сводятся к минимуму различия между группами по известным и неизвестным признакам, потенциально влияющим на изучаемый исход, что в свою очередь влияет на точность измерений.

Все испытания, в течении которых проводится измерения, следует проводить не менее 4 часов, с учетом фаз работоспособности.

Выделяют 3 фазы работоспособности человека: фаза врабатываемости, фаза высокой производительности и фаза утомляемости. Первую фазу можно рассматривать как разминку, в зависимости от тренированности человека и характера выполняемой работы она может длиться от нескольких минут до 1,5 часа. Вторая фаза характеризуется способностью организма работать с наименьшими энерготратами, необходимыми для поддержания необходимого темпа работы в заданных условиях. Приблизительно через 4 часа после начала работы наступает 3 фаза - фаза утомляемости. Утомление при этом является нормальной защитной реакцией организма, направленной на снижение активности различных систем для предотвращения негативных последствий для здоровья человека. Таким образом, чтобы объективно оценить энерготраты организма, необходимые для выполнения конкретной работы в условиях их стабилизации, но при этом не доводя до возникновения утомления, характеризующегося переходом в режим снижения потребления энергии, необходимо проводить регистрацию показателей в период приблизительно между 2 и 4 часами от начала выполнения деятельности. Помимо этого, в большинстве случаев реальные рабочие смены на производствах при выполнении физической работы длятся не более 8 часов с перерывом длительностью 1 час через 4 часа от ее начала. После перерыва работоспособность человека характеризуется теми же фазами, поэтому в заявленном способе регистрацию показателей проводят на протяжении 4 часов.

Важно учитывать, что при непродолжительном моделировании трудовой деятельности не могут быть учтены все стадии работоспособности. Так, моделирование трудовой деятельности, осуществляемое, например, в течение 5-12 мин, в соответствии с классическими представлениями о фазах динамики работоспособности, очевидно, заканчивается фазой первичной мобилизации, которая возникает в момент начала деятельности и характеризуется кратковременным снижением практически всех показателей функционального состояния. Данный факт может негативно отразиться на уровне значимости полученных результатов и, как следствие, повлиять на итоги измерений в целом. Исходя из этого, важно моделировать трудовую деятельность до момента определенной стабилизации исследуемых физиологических показателей, когда возросшие требования, предъявляемые деятельностью, полностью компенсируются минимальными средствами.

Трудовая деятельность может осуществляться, например с перерывами на отдых или питание, так как сложно работать более четырех часов подряд, при этом измерения проводятся только во время трудовой деятельности.

Заявленный способ иллюстрируется лабораторными испытаниями.

Выполнено рандомизированное, кроссоверное, слепое (испытуемые), пилотное исследование. В исследовании проводили физиологическую оценку эффективности промышленного экзоскелета «Экзоатлант».

В исследование было включено 7 здоровых испытуемых мужского пола (возраст: 29,0±6,9 лет, рост: 179,4±2,3 см, масса тела: 84,9±4,5 кг). Для нивелирования влияния эффекта адаптации, при котором каждый следующий опыт моделируемой деятельности будет переноситься легче, отбирались испытуемые, ранее не выполнявшие такую физическую работу (нагрузку), в том числе с применением промышленного экзоскелета. Чтобы избежать искажений в полученных данных, связанных с заболеваниями, все участники прошли медосмотр перед началом исследования и получили верифицированный диагноз «здоров».

Испытуемые случайным образом были разделены на две группы, отличающиеся последовательностью прохождения этапов испытаний; первая группа испытуемых проходила этапы испытания в следующем порядке:

на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя лежа на кушетке измеряли энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на втором этапе у испытуемых в течение 4 часов непрерывно измеряли энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета;

на третьем этапе, который осуществляли через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя лежа на кушетке измеряли энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на четвертом этапе, у испытуемых в течение 4 часов непрерывно измеряли энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета.

Вторая группа испытуемых проходила этапы испытания в следующем порядке:

на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя лежа на кушетке измеряли энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на втором этапе у испытуемых в течение 4 часов непрерывно измеряли энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета;

на третьем этапе, который осуществляли через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя лежа на кушетке измеряли энерготраты (основной обмен) до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;

на четвертом этапе, у испытуемых в течение 4 часов непрерывно измеряли энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета.

В лабораторных условиях была разработана модель трудовой деятельности таким образом, чтобы итоговый класс тяжести трудового процесса был не ниже 3,1 (вредный/тяжелый труд) и была связана со статической нагрузкой, обусловленной удержанием груза и вынужденной рабочей позой. Движения были идентичны реальным трудовым операциям сварщиков, шиномонтажников и т.д. Модель трудовой деятельности была разделена на 2 части, по 120 минут каждая, между которыми был предусмотрен обязательный перерыв 15 минут (рисунок 1).

Для проведения моделирования трудовой деятельности на полу рядом со столом была размещена гантель. Вес ее составлял 5,35 кг с целью имитации среднего веса рабочего инструмента (шуруповерт, электродрель и т.д.). На передней вертикальной части стола были отмечены 6 точек на различных уровнях от 20 до 50 см от пола.

Модель трудовой деятельности состояла из поочередного удержания гантели у каждой отметки в течение 1 минуты. Таким образом, испытуемый находился в вынужденной рабочей позе с наклоном тела более 30 градусов. После этого следовал отдых - 1 мин. Такой цикл повторялся в течение 120 мин, после чего проводился перерыв 15 мин и продолжалась работа длительностью 120 мин. Для удобства выполнения временные периоды обозначались звуковыми сигналами с помощью метронома.

Исследуемый промышленный экзо скелет имел массу 6 кг и содержал газовую пружину. Промышленный экзоскелет состоял из верхней части, поддерживающей грудную область, нижней части, которая упирается в бедра, и шарнира с пружиной. В исходном состоянии человек стоит ровно, пружина расслаблена. Во время сгибания туловища пружина сжимается и обеспечивает силы, помогающие разгибаться или удерживать тело в наклоне (Рис. 2). Данный промышленный экзоскелет предназначен для уменьшения негативного влияния статодинамических нагрузок, связанных с подъемом груза и наклонами корпуса, на ОДА работников физического труда, в том числе для поддержания рабочей позы «в наклоне».

Регистрацию энерготрат испытуемого осуществляли с использованием портативного комплекса для ЭСМ-тестирования «Metamax 3В» (Cortex, Германия). Результаты представлены в Таблицах 1, 2.

Чтобы минимизировать влияние индивидуальных особенностей метаболизма испытуемых в разные дни испытаний на итоговые результаты исследования, по окончании испытаний производили вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций с применением промышленного экзоскелета и без применения промышленного экзоскелета. Вычисление рабочей прибавки энерготрат проводили по формуле:

РП=ОО-ООП

где: РП - рабочая прибавка энерготрат, ккал/час,

OO - основной обмен, ккал/час,

ООП - основной обмен в покое, ккал/час.

После вычисления рабочей прибавки рассчитывали разницу между медианными значениями рабочей прибавки энерготрат всех испытуемых при работе с применением промышленного экзоскелета и медианными значениями рабочей прибавки всех испытуемых при работе без применения промышленного экзоскелета, далее проводили статистический анализ полученных данных. Результаты представлены в таблице 3.

Результаты сравнительного анализа выявили статистически значимое уменьшение значений показателя рабочей прибавки энерготрат испытуемых при работе с применением промышленного экзоскелета на 22% (р=0,042), 36% (р=0,042), 32% (р=0,027) и 35% (р=0,042) на 1, 2, 3 и 4 часах работы соответственно, в сравнении с аналогичными показателями испытуемых, работавших без применения промышленного экзоскелета (Рис. 3).

Выводы:

С помощью эргоспирометрического исследования доказана эффективность применения испытываемого промышленного экзоскелета «Экзоатлант» при выполнении физической работы;

Эргоспирометрия позволяет получить объективную картину о динамике энерготрат человека при моделировании трудовой деятельности в лабораторных условиях с применением промышленного экзоскелета.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Рис. 1 - Последовательность этапов лабораторной модели трудовой деятельности.

Рис. 2 - Принцип работы экзоскелета.

Примечание: а - спинная рама экзоскелета, b - усилие, создаваемое седалищным ремнем, с - седалищный ремень, d - ось взаимного вращения спинной и бедренной частей экзоскелета, е - бедренный рычаг с упором, f - грудной ремень, g - усилие, создаваемое грудным ремнем, h - разгибающая пружина, i - усилие, создаваемое бедренным упором.

Рис. 3 - Динамика рабочей прибавки энерготрат.

Claims (11)

1. Способ физиологической оценки эффективности применения промышленного экзоскелета с использованием метода эргоспирометрии, отличающийся тем, что включает четыре этапа испытаний, которые осуществляются с привлечением здоровых испытуемых в количестве не менее шести человек, при этом испытуемые случайным образом делятся на две группы, отличающиеся последовательностью прохождения этапов испытаний, первая группа испытуемых проходит этапы испытания в следующем порядке:
2. на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя измеряют энерготраты до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;
3. на втором этапе у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета, по результатам первого и второго этапов осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций без применения промышленного экзоскелета;
4. на третьем этапе, который осуществляется не менее чем через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя измеряют энерготраты до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;
5. на четвертом этапе, у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета, по результатам третьего и четвертого этапов осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций с применением промышленного экзоскелета;
6. вторая группа испытуемых проходит этапы испытания в следующем порядке:
7. на первом этапе у испытуемых в состоянии покоя измеряют энерготраты до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;
8. на втором этапе у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций с применением промышленного экзоскелета, по результатам первого и второго этапов осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций с применением промышленного экзоскелета;
9. на третьем этапе, который осуществляется не менее чем через 3 суток после второго этапа, у испытуемых в состоянии покоя измеряют энерготраты до достижения 5 минутного интервала, при котором диапазон изменений уровня энерготрат не превышает ±15%;
10. на четвертом этапе, у испытуемых не менее 4 часов непрерывно измеряют энерготраты во время выполнения трудовых операций без применения промышленного экзоскелета, по результатам третьего и четвертого этапов осуществляют вычисление рабочей прибавки энерготрат, необходимой на выполнение трудовых операций без применения промышленного экзоскелета;
11. после прохождения испытаний рассчитывается разница между средними или медианными значениями рабочей прибавки энерготрат всех испытуемых при работе с применением промышленного экзоскелета и средними или медианными значениями рабочей прибавки энерготрат всех испытуемых при работе без применения промышленного экзоскелета, после чего для этих двух групп рассчитывается показатель значимости (p) и при p равном или меньшем 0,05 промышленный экзоскелет признается эффективным в случае статистически значимого уменьшения показателя энерготрат в группе, выполнявшей работу с применением промышленного экзоскелета, по сравнению с группой, выполнявшей работу без применения промышленного экзоскелета.