DOI: https://doi.org/10.7771/3067-4883.1660
تاريخ النشر: 2025-06-19
المؤلف: Mohamad Iyad Al‐Khiami وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الصحة والسلامة المهنية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير تصميمين لجهاز الهيكل الخارجي السلبي، HAPO SD (Exo A) و BISKO (Exo B)، على الوضعية وأداء المهام أثناء مهام الرفع المتكررة، مع معالجة انتشار اضطرابات العضلات والعظام المرتبطة بالعمل (WMSDs) بين العمال الصناعيين. باستخدام تقييم الوضعية المدعوم بالذكاء الاصطناعي استنادًا إلى طريقة تقييم الأطراف العلوية السريعة (RULA)، تجد الدراسة أن كلا الهيكلين الخارجيين يؤثران على الوضعية والأداء، حيث يظهر Exo A فوائد أكثر اتساقًا من خلال تحويل الوضعيات نحو فئات المخاطر المتوسطة (درجات RULA من 3 إلى 4) وتمكين المشاركين من إكمال المزيد من التكرارات واستمرار فترات المهام لفترة أطول مقارنة بحالة عدم استخدام الهيكل الخارجي و Exo B. ومع ذلك، لم تكشف التحليلات الإحصائية عن اختلافات كبيرة في تحسينات الوضعية بين حالات الهيكل الخارجي وعدم استخدام الهيكل الخارجي، مما يبرز ضرورة التدريب على الهندسة البشرية وتقنيات الرفع الآمنة كأولويات للتدخل.
تخلص الدراسة إلى أنه بينما يوفر آلية الربيع في Exo A وميزات تثبيت أسفل الظهر دعمًا متفوقًا، قد تكون الفعالية العامة للهيكل الخارجي أكثر وضوحًا في تقليل تعب العضلات بدلاً من تحسين الوضعية للمستخدمين المدربين بالفعل على تقنيات الرفع الصحيحة. تؤكد النتائج على أهمية التدريب على الهندسة البشرية كعنصر أساسي في سلامة مكان العمل، مع كون الهياكل الخارجية أدوات مساعدة إضافية. بالإضافة إلى ذلك، يبرز الفعالية المتفاوتة لتصاميم الهيكل الخارجي الحاجة إلى اختبار المستخدمين قبل الاستثمار. تشير قيود الدراسة، بما في ذلك تصميمها الذي يعتمد على مشارك واحد، إلى ضرورة إجراء مزيد من الأبحاث لاستكشاف فعالية الهيكل الخارجي عبر مجموعات مستخدمين متنوعة وسياقات صناعية، فضلاً عن فحص تأثير عناصر التصميم المحددة على استراتيجيات الحركة وتطور التعب.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على انتشار وتأثير اضطرابات العضلات والعظام المرتبطة بالعمل (WMSDs) بين العمال الصناعيين في الولايات المتحدة وأوروبا. تُعتبر WMSDs سببًا رئيسيًا للإعاقات بين العمال وتشكل جزءًا كبيرًا من الأمراض المهنية، حيث تعتبر الزراعة، وإمدادات المياه، والبناء، والتصنيع من القطاعات الأكثر تأثرًا. يُعزى ارتفاع معدل حدوث WMSDs في هذه الصناعات إلى عوامل خطر هندسية متعددة، بما في ذلك الحركات المتكررة، والوضعيات غير المريحة، والرفع الثقيل، التي تتواجد بشكل شائع في المهام البدنية الشاقة المرتبطة بهذه المجالات.
تشير الأبحاث إلى أن الوضعيات غير المريحة، التي يتم قياسها من خلال زوايا أجزاء الجسم من وضع محايد، تساهم بشكل كبير في خطر تطوير WMSDs. تشير المقدمة أيضًا إلى أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة (SDGs)، وخاصة الهدف 3 (الصحة الجيدة والرفاه) والهدف 8 (العمل اللائق والنمو الاقتصادي)، كأطر لمعالجة تحديات السلامة والصحة في مكان العمل. تشمل الجهود الرامية إلى التخفيف من WMSDs الوقاية من خلال التصميم، الذي يركز على تقييم وإعادة تصميم الأدوات والعمليات للقضاء على مخاطر الإصابة.
طرق البحث
استخدمت الدراسة تصميم دراسة تجريبية تجريبية محكومة لتقييم تأثير الهياكل الخارجية المختلفة على الوضعية والأداء أثناء مهام الرفع المتكررة. كان الهدف من هذا النهج التجريبي هو وضع بروتوكولات تجريبية، والتحقق من منهجيات القياس، وتوليد بيانات أولية لدراسات مستقبلية واسعة النطاق. استمرت الدراسة لمدة 18 يومًا، مستخدمة قياسات متكررة عبر جلسات متعددة لمقارنة تأثيرات هيكلين خارجيين – HAPO SD (Exo A) و BISKO (Exo B) – مع التحكم في تأثيرات التعلم والتعب.
شمل الإعداد التجريبي مشاركًا واحدًا ذو خبرة في تقنيات الرفع الصحيحة، الذي قام بأداء عمليات رفع متكررة لوزن 24 كجم حتى الفشل الذاتي. كل عملية رفع تتكون من أربع مراحل: الانحناء لالتقاط الوزن، العودة إلى وضع محايد، الانخفاض لإطلاق الحمل، واستئناف الوضع المحايد. شملت الدراسة ست تجارب، مع فترات راحة لمدة ثلاثة أيام لضمان التعافي، وكل تجربة تتكون من أربع مجموعات تحت واحدة من ثلاث حالات: Exo A، Exo B، أو بدون هيكل خارجي. لتقليل التعب، تم عشوائية تسلسل الحالات، وتم تنفيذ فترات راحة محددة بين المجموعات، مما يسمح بالتعافي الأمثل. يتم تلخيص الهيكل التجريبي وتسلسل الحالات في الشكل 1.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستمدة من تقارير RULA (تقييم الأطراف العلوية السريعة) التي تم إنشاؤها بواسطة أداة LEA (تقييم الهندسة البشرية للرفع). تركز التحليلات على الدرجات المتعلقة بالرقبة، والجذع، والكتفين الأيسر والأيمن، وكذلك المرفقين؛ ومع ذلك، نظرًا للطبيعة المتكررة لمهمة الرفع والوظيفة الأساسية للهيكل الخارجي في دعم الظهر، يتم استبعاد الدرجات المتعلقة بالكتفين والمرفقين من المناقشة.
تلخص الجدول 1 نسبة الوقت الذي تعرض فيه المشاركون لدرجات RULA المصنفة كـ 1-2، 3-4، أو 5-6. توفر هذه التصنيفات رؤى حول المخاطر الهندسية المرتبطة بالمهمة، مما يبرز مدة التعرض لمستويات مختلفة من الضغط الهندسي. تؤكد النتائج على أهمية تقييم وضعيات الأطراف العلوية والجذع فيما يتعلق بفعالية الهيكل الخارجي في التخفيف من الاضطرابات العضلية المحتملة.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على إمكانية استخدام الهياكل الخارجية الصناعية كحل تكميلي للممارسات الهندسية في تقليل اضطرابات العضلات والعظام بين العمال. تُعرف الهياكل الخارجية بأنها آليات تعزز أو تحاكي القوى في أجزاء الجسم، مما يحسن الإنتاجية ويقلل من تقلصات العضلات. تشير الدراسات، بما في ذلك تلك التي أجراها كاخكي وآخرون (2024) ودي ناتالي وآخرون (2024)، إلى أن الهياكل الخارجية الداعمة للظهر يمكن أن تحسن الوضعية وتقلل من التعب أثناء مهام المناولة اليدوية. ومع ذلك، تكشف النتائج أيضًا أنه بينما قد تعمل الهياكل الخارجية على استقرار الوضعية، إلا أنها لا تغير بشكل كبير وضعيات الرفع، كما يتضح من دراسة ماديني وآخرون (2020)، حيث انخفضت نشاط العضلات ولكن الوضعية ظلت إلى حد كبير دون تغيير.
تحدد الدراسة فجوة في فهم الفعالية المقارنة لتصاميم الهياكل الخارجية المختلفة على الوضعية وأداء المهام أثناء الرفع المتكرر. تهدف الدراسة إلى معالجة ذلك من خلال التحقيق في كيفية تأثير التصاميم المختلفة على مخاطر الوضعية ومقاييس الأداء. تشير النتائج الأولية إلى أنه بينما قد لا تحسن الهياكل الخارجية الوضعيات المثلى بشكل كبير، إلا أنها يمكن أن تعزز القدرة على التحمل وتقلل من التعب، خاصة مع إظهار Exo A أداءً متفوقًا بفضل ميزات تصميمه. تختتم الدراسة بأن الهياكل الخارجية يجب أن تُعتبر أدوات مساعدة بجانب التدريب الهندسي الصحيح، وأن هناك حاجة لمزيد من الأبحاث لاستكشاف فعاليتها عبر مجموعات مستخدمين متنوعة وإعدادات مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.7771/3067-4883.1660
Publication Date: 2025-06-19
Author(s): Mohamad Iyad Al‐Khiami et al.
Primary Topic: Occupational Health and Safety Research
Overview
This research investigates the impact of two passive exoskeleton designs, HAPO SD (Exo A) and BISKO (Exo B), on posture and task performance during repetitive lifting tasks, addressing the prevalence of work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) among industrial workers. Utilizing AI-driven posture assessment based on the Rapid Upper Limb Assessment (RULA) method, the study finds that both exoskeletons affect posture and performance, with Exo A showing more consistent benefits by shifting postures towards moderate-risk categories (RULA scores of 3 to 4) and enabling participants to complete more repetitions and sustain longer task durations compared to the no-exoskeleton condition and Exo B. However, statistical analyses did not reveal significant differences in posture improvements between the exoskeleton and no-exoskeleton conditions, highlighting the necessity of ergonomic training and safe lifting techniques as primary interventions.
The study concludes that while Exo A’s spring-based mechanism and lumbar stabilization features provide superior support, the overall effectiveness of exoskeletons may be more pronounced in reducing muscle fatigue rather than improving posture for users already trained in proper lifting techniques. The findings underscore the importance of ergonomic training as a foundational element in workplace safety, with exoskeletons serving as supplementary aids. Additionally, the varying effectiveness of the exoskeleton designs emphasizes the need for user testing prior to investment. Limitations of the study, including its single-participant design, suggest the necessity for further research to explore exoskeleton effectiveness across diverse user populations and industrial contexts, as well as to examine the influence of specific design elements on movement strategies and fatigue development.
Introduction
The introduction highlights the prevalence and impact of work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) among industrial workers in the United States and Europe. WMSDs are identified as a leading cause of worker disabilities and account for a significant portion of occupational diseases, with agriculture, water supply, construction, and manufacturing being the most affected sectors. The high incidence of WMSDs in these industries is attributed to various ergonomic risk factors, including repetitive movements, awkward postures, and heavy lifting, which are prevalent in the physically demanding tasks associated with these fields.
Research indicates that awkward postures, quantified by the angulation of body segments from a neutral position, significantly contribute to the risk of developing WMSDs. The introduction also references the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs), particularly SDG 3 (Good Health and Well-being) and SDG 8 (Decent Work and Economic Growth), as frameworks for addressing workplace safety and health challenges. Efforts to mitigate WMSDs include prevention through design, which focuses on assessing and redesigning tools and processes to eliminate injury risks.
Methods
The research employed a controlled experimental pilot study design to assess the impact of different exoskeletons on posture and performance during repetitive lifting tasks. This pilot approach aimed to establish experimental protocols, validate measurement methodologies, and generate preliminary data for future large-scale studies. The study spanned 18 days, utilizing repeated measures across multiple sessions to systematically compare the effects of two exoskeletons—HAPO SD (Exo A) and BISKO (Exo B)—while controlling for learning effects and fatigue.
The experimental setup involved a single participant experienced in proper lifting techniques, who performed repetitive lifts of a 24 kg kettlebell until subjective failure. Each lift consisted of four phases: bending to grasp the kettlebell, returning to a neutral stance, lowering to release the load, and resuming the neutral stance. The study included six trials, with three-day rest intervals to ensure recovery, and each trial comprised four sets under one of three conditions: Exo A, Exo B, or No Exo. To minimize fatigue, the sequence of conditions was randomized, and specific rest periods were implemented between sets, allowing for optimal recovery. The experimental structure and sequence of conditions are summarized in Figure 1.
Results
The results section presents findings derived from the RULA (Rapid Upper Limb Assessment) reports generated by the LEA (Lifting Ergonomics Assessment) tool. The analysis focuses on the scores related to the neck, trunk, and the left and right shoulders, as well as elbows; however, due to the repetitive nature of the lifting task and the primary function of the exoskeleton in back support, scores pertaining to the shoulders and elbows are excluded from the discussion.
Table 1 summarizes the percentage of time participants were exposed to RULA scores categorized as 1-2, 3-4, or 5-6. This categorization provides insight into the ergonomic risks associated with the task, highlighting the duration of exposure to varying levels of ergonomic strain. The findings underscore the importance of assessing upper limb and trunk positions in relation to the effectiveness of the exoskeleton in mitigating potential musculoskeletal disorders.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the potential of industrial exoskeletons as a complementary solution to ergonomic practices in reducing musculoskeletal disorders among workers. Exoskeletons are defined as mechanisms that enhance or replicate forces at body segments, thereby improving productivity and reducing muscle contractions. Studies, including those by Kakhki et al. (2024) and Di Natali et al. (2024), indicate that back exoskeletons can improve posture and reduce fatigue during manual handling tasks. However, findings also reveal that while exoskeletons may stabilize posture, they do not significantly alter lifting postures, as evidenced by Madinei et al. (2020), where muscle activity decreased but posture remained largely unchanged.
The research identifies a gap in understanding the comparative effectiveness of various exoskeleton designs on posture and task performance during repetitive lifting. The study aims to address this by investigating how different designs affect postural risk and performance metrics. Preliminary findings suggest that while exoskeletons may not significantly improve optimal postures, they can enhance endurance and reduce fatigue, particularly with Exo A demonstrating superior performance due to its design features. The study concludes that exoskeletons should be viewed as supplementary tools alongside proper ergonomic training, and further research is needed to explore their effectiveness across diverse user populations and settings.