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Wearables para la salud y la prevención de riesgos laborales
Jornada Técnica - Tecnalia, Octubre 2019
Perspectives on improving utility and acceptance of
exoskeletons in the workplace.
Dr. Joseph McIntyre, Ph.D.
Ikerbasque Research Professor
Director, Medical Robotics
Tecnalia Research and Innovation
2
Mundo real
Utility and Acceptance of Exoskeletons
“ Ojalá lo hubiera tenido antes… ”
“En cuanto decido moverme, el
exoesqueleto responde, me levanta los
brazos y los sostiene mientras realizo la
operación, sin ningún esfuerzo… ”
Ana	Elvira	Planas	
“Este	exoesqueleto	es	mi	segunda	piel… ”
The	Goal
CONCLUSIONES
4
2) Mejores resultados en puestos con áreas de trabajo más altas (reducciones hasta 65% en deltoides con el
equipo Skelex).
1) Importantes reducciones para músculos en la zona de la espalda (deltoides hasta 40%).
El Top5 %MVC se reduce en una media de 15% a 35%.
3) El uso de los exoesqueletos no ha sido siempre posible / positivo à 2 puestos descartados.
(uno por interferencia con balancina y el otro porqué “solo” trabaja un 25% del ciclo con brazos elevados)
4) Los trabajadores que participaron ya en la Fase 1 han tenido mejores resultados que los “nuevos” à Se esperan aún
mejores resultados después de periodo de adaptación.
5) Dependiendo de la morfología del operario, el equipo Levitate o Skelex es las mejor opción.
SuitX muestra resultados estándar en todos los casos, sin ser el peor ni el mejor.
6) No se han encontrado grandes diferencias en el periodo post-exo à exoesqueletos no alteran la “propiocepción”
de los músculos (solicitado por ICSSL).
Actualmente se empieza a usar el equipo en los puestos de forma continua y para Enero’20 introducción definitiva. 	
Vanesa Enriques
EVALUACIÓN RESULTADOS SUBJETIVOS
5
1 Totalmente desacuerdo
2 Desacuerdo
3 Ni de acuerdo ni desacuerdo
4 De acuerdo
5 Totalmente de acuerdo
Se han realizado preguntas de Confort, Uso de equipo y Esfuerzo para cada uno de los modelos y preguntas
generales sobre la aceptación de los exoesqueletos.		
-
+
Vanesa Enriques
“ Uff… me roza en el brazo… ”
“ Cuanto más lo uso, más me canso…
¡¡ por favor quitádmelo ya !! ”
“ Me impide alcanzar las piezas… ”
Ana	Elvira	Planas
7
On the market -
dos ejemplos
Utility and Acceptance of Exoskeletons
ottobock
Ajuste del grado de
asistencia manual
(tornillo)
LEVITATE
Selección de grado de
asistencia cambiando los
cartuchos o componentes
marcados con un círculo
8
Ajustes -
otro ejemplo
Utility and Acceptance of Exoskeletons
SHIVA EXO
ERGOSANTE TECHNOLOGIE
9
Ajustes -
otro ejemplo
Utility and Acceptance of Exoskeletons
•  Difícil de colocar y ajustar.
No es posible que un
operario se lo ponga y
quite sin ayuda.
•  Ajuste y activación/
desactivación manual.
10
Ajustes -
Observaciones
EXOBERLIN 2019
•  En todos los casos la activación/desactivación de la asistencia del exo se realiza manualmente a través de un
selector, interruptor, etc. En algunos casos difícil de alcanzar por el propio usuario que viste el exo.
•  En todos los casos el ajuste de la asistencia que ofrece el exo se realiza igualmente de forma manual y debe ser
previo al uso. Diversos mecanismos según el modelo:
•  Variación de la presión de un pistón neumático. Realizado en el modelo de forma manual a través de una
simple bomba manual de aire.
•  Variación de la tensión de muelle o cable girando una ruleta
•  Selector manual
•  Cambio de componente que incorpora el sistema pasivo de asistencia (distinto nivel de asistencia), etc.
•  Dificultad en el ajuste en la mayoría de los casos hace necesaria la ayuda de otra persona para vestir y ajustar el
exo a cada operario.
Igone Idigoras Leibar, Irati Rasines Garcia; Sylvie Schiettekatte; Sarai Mimenza
11
EXODYN
Caso de uso socio-sanitario
Utility and Acceptance of Exoskeletons
•  Caracterización de movimiento en laboratorio para ámbito socio-sanitario:
incorporación/transferencia de paciente.
•  Análisis movimiento + EMG
•  Datos como entrada para desarrollo de modelo musculoesquelético
0% 100%50%25% 75%
12
EXODYN
Caso de uso industrial
Utility and Acceptance of Exoskeletons
•  Caracterización en laboratorio de movimiento básico de
elevación/descenso de carga (pieza de 15-20 Kgs.)
•  Análisis movimiento + EMG
•  Datos como entrada para análisis de detección de intención
13
EXODYN - EXTENSOR
Observaciones
Utility and Acceptance of Exoskeletons
•  En ambos casos de uso el objetivo del exo es reducir la fuerza ejercida en los
músculos de la zona lumbar a la hora de levantar objetos o realizar movimientos
que acarrean lesiones lumbares.
•  El exo actúa transmitiendo la fuerza que se ejerce en los lumbares a otras
zonas del cuerpo.
•  Problemática identificada en los exos pasivos actuales:
•  Poca flexibilidad para adaptarse a los diferentes movimientos de un operario en un
puesto de trabajo.
•  Ofrecen asistencia para la postura para la que han sido diseñados pero al mismo tiempo
pueden dificultar otros movimientos del operario.
•  Reducen la carga muscular para realizar por ejemplo elevación de cargas pero introduce
cargas en otras partes del cuerpo que pueden ser perjudicial para el trabajador.
14
EXODYN - EXTENSOR
Observaciones
Utility and Acceptance of Exoskeletons
•  La solución: Obtener una interacción inteligente de modo que…
•  el exo se anticipa y adapta a las necesidades del usuario en cada tarea
(aplicando el soporte o apoyo necesario y en el momento necesario) y,
•  el exo cesa su actuación cuando no es necesario
(evitando limitar o dificultar otros movimientos del operario)
“Intelligent Transparency”
•  A través del desarrollo en:
•  Nuevos conceptos de sistema de actuación
•  Interfaces avanzados que reconocen la intención del usuario
•  Algoritmos de control para la mejora de la interacción hombre-máquina
15
Sistemas mecánicos
inteligentes
Intelligent Transparency
•  Non-linear linkages open the possibility to
modulate the apparent resistance to an
otherwise passive element.
•  Elliptical chain rings for bicycles represent a
common example for optimizing exchange of
power.
•  Self-winding watches allow storage of energy
with minimal impediment to movement.
Ø  Can clever mechanical designs optimize
assistance for targeted motions while
increasing transparency for auxiliary motions?
16
Sistemas mecánicos
inteligentes
Intelligent Transparency
•  The AIRFRAME transfers the weight of the arms from the
shoulders, neck and upper back to the outside of the hips.
•  This patented wearable device uses a mechanical support system
with variable assistance relative to the user’s arm angle. The
AIRFRAME mechanical support system progressively activates as
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•  The AIRFRAME® requires no electrical power – it is mechanically
engineered to rely on a patented system of pulleys. Patents:
USP 9,205,017; USP 9,737,374
17
Intention
Detection
Intelligent Transparency
•  Activity in leg and trunk muscles begins prior to
targeted lifting of the arm.
•  Amplitude of EMG activity depends on length of
reaching movement.
Ø  Intention Detection may be achieved prior to
movement onset by observing anticipatory
responses in postural muscles as well as in prime
movers.
18
Stuttgart Exo-Jacket 2.0
Fraunhofer IPA
Intention Detection
•  Prototipo de research de exo para
brazo-hombro.
•  Prototipo actual la activación/
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switch en dedo de operario.
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usuario.
19
OASIS - A theoretical basis for optimizing
physical Human-Robot Interactions (pHRI)
Intelligent Transparency
20
Optimal Admittance Shaping
Utility and Acceptance of Exoskeletons
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Modeling
physical task
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assistive device
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human body
Optimal
Admittance
Shaping
physical task
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optimal
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21
Avenues for Future Research
Utility and Acceptance of Exoskeletons
Intelligent Transparency
•  Mechanical Design
•  Non-linear linkages for distribution and phasing of loads
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•  Intuitive and Non-Intrusive User Interfaces
•  Auto-Adjusting
•  Intention Detection (anticipatory responses)
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•  Optimal Admittance Shaping
“ Ojalá lo hubiera tenido antes… ”
“En cuanto decido moverme, el
exoesqueleto responde, me levanta los
brazos y los sostiene mientras realizo la
operación, sin ningún esfuerzo… ”
Ana Elvira Planas
“Este exoesqueleto es mi segunda
piel… ”
The
Goal
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Wearables para la salud y prevención de riesgos laborales

  • 1. Wearables para la salud y la prevención de riesgos laborales Jornada Técnica - Tecnalia, Octubre 2019 Perspectives on improving utility and acceptance of exoskeletons in the workplace. Dr. Joseph McIntyre, Ph.D. Ikerbasque Research Professor Director, Medical Robotics Tecnalia Research and Innovation
  • 2. 2 Mundo real Utility and Acceptance of Exoskeletons
  • 3. “ Ojalá lo hubiera tenido antes… ” “En cuanto decido moverme, el exoesqueleto responde, me levanta los brazos y los sostiene mientras realizo la operación, sin ningún esfuerzo… ” Ana Elvira Planas “Este exoesqueleto es mi segunda piel… ” The Goal
  • 4. CONCLUSIONES 4 2) Mejores resultados en puestos con áreas de trabajo más altas (reducciones hasta 65% en deltoides con el equipo Skelex). 1) Importantes reducciones para músculos en la zona de la espalda (deltoides hasta 40%). El Top5 %MVC se reduce en una media de 15% a 35%. 3) El uso de los exoesqueletos no ha sido siempre posible / positivo à 2 puestos descartados. (uno por interferencia con balancina y el otro porqué “solo” trabaja un 25% del ciclo con brazos elevados) 4) Los trabajadores que participaron ya en la Fase 1 han tenido mejores resultados que los “nuevos” à Se esperan aún mejores resultados después de periodo de adaptación. 5) Dependiendo de la morfología del operario, el equipo Levitate o Skelex es las mejor opción. SuitX muestra resultados estándar en todos los casos, sin ser el peor ni el mejor. 6) No se han encontrado grandes diferencias en el periodo post-exo à exoesqueletos no alteran la “propiocepción” de los músculos (solicitado por ICSSL). Actualmente se empieza a usar el equipo en los puestos de forma continua y para Enero’20 introducción definitiva. Vanesa Enriques
  • 5. EVALUACIÓN RESULTADOS SUBJETIVOS 5 1 Totalmente desacuerdo 2 Desacuerdo 3 Ni de acuerdo ni desacuerdo 4 De acuerdo 5 Totalmente de acuerdo Se han realizado preguntas de Confort, Uso de equipo y Esfuerzo para cada uno de los modelos y preguntas generales sobre la aceptación de los exoesqueletos. - + Vanesa Enriques
  • 6. “ Uff… me roza en el brazo… ” “ Cuanto más lo uso, más me canso… ¡¡ por favor quitádmelo ya !! ” “ Me impide alcanzar las piezas… ” Ana Elvira Planas
  • 7. 7 On the market - dos ejemplos Utility and Acceptance of Exoskeletons ottobock Ajuste del grado de asistencia manual (tornillo) LEVITATE Selección de grado de asistencia cambiando los cartuchos o componentes marcados con un círculo
  • 8. 8 Ajustes - otro ejemplo Utility and Acceptance of Exoskeletons SHIVA EXO ERGOSANTE TECHNOLOGIE
  • 9. 9 Ajustes - otro ejemplo Utility and Acceptance of Exoskeletons •  Difícil de colocar y ajustar. No es posible que un operario se lo ponga y quite sin ayuda. •  Ajuste y activación/ desactivación manual.
  • 10. 10 Ajustes - Observaciones EXOBERLIN 2019 •  En todos los casos la activación/desactivación de la asistencia del exo se realiza manualmente a través de un selector, interruptor, etc. En algunos casos difícil de alcanzar por el propio usuario que viste el exo. •  En todos los casos el ajuste de la asistencia que ofrece el exo se realiza igualmente de forma manual y debe ser previo al uso. Diversos mecanismos según el modelo: •  Variación de la presión de un pistón neumático. Realizado en el modelo de forma manual a través de una simple bomba manual de aire. •  Variación de la tensión de muelle o cable girando una ruleta •  Selector manual •  Cambio de componente que incorpora el sistema pasivo de asistencia (distinto nivel de asistencia), etc. •  Dificultad en el ajuste en la mayoría de los casos hace necesaria la ayuda de otra persona para vestir y ajustar el exo a cada operario. Igone Idigoras Leibar, Irati Rasines Garcia; Sylvie Schiettekatte; Sarai Mimenza
  • 11. 11 EXODYN Caso de uso socio-sanitario Utility and Acceptance of Exoskeletons •  Caracterización de movimiento en laboratorio para ámbito socio-sanitario: incorporación/transferencia de paciente. •  Análisis movimiento + EMG •  Datos como entrada para desarrollo de modelo musculoesquelético 0% 100%50%25% 75%
  • 12. 12 EXODYN Caso de uso industrial Utility and Acceptance of Exoskeletons •  Caracterización en laboratorio de movimiento básico de elevación/descenso de carga (pieza de 15-20 Kgs.) •  Análisis movimiento + EMG •  Datos como entrada para análisis de detección de intención
  • 13. 13 EXODYN - EXTENSOR Observaciones Utility and Acceptance of Exoskeletons •  En ambos casos de uso el objetivo del exo es reducir la fuerza ejercida en los músculos de la zona lumbar a la hora de levantar objetos o realizar movimientos que acarrean lesiones lumbares. •  El exo actúa transmitiendo la fuerza que se ejerce en los lumbares a otras zonas del cuerpo. •  Problemática identificada en los exos pasivos actuales: •  Poca flexibilidad para adaptarse a los diferentes movimientos de un operario en un puesto de trabajo. •  Ofrecen asistencia para la postura para la que han sido diseñados pero al mismo tiempo pueden dificultar otros movimientos del operario. •  Reducen la carga muscular para realizar por ejemplo elevación de cargas pero introduce cargas en otras partes del cuerpo que pueden ser perjudicial para el trabajador.
  • 14. 14 EXODYN - EXTENSOR Observaciones Utility and Acceptance of Exoskeletons •  La solución: Obtener una interacción inteligente de modo que… •  el exo se anticipa y adapta a las necesidades del usuario en cada tarea (aplicando el soporte o apoyo necesario y en el momento necesario) y, •  el exo cesa su actuación cuando no es necesario (evitando limitar o dificultar otros movimientos del operario) “Intelligent Transparency” •  A través del desarrollo en: •  Nuevos conceptos de sistema de actuación •  Interfaces avanzados que reconocen la intención del usuario •  Algoritmos de control para la mejora de la interacción hombre-máquina
  • 15. 15 Sistemas mecánicos inteligentes Intelligent Transparency •  Non-linear linkages open the possibility to modulate the apparent resistance to an otherwise passive element. •  Elliptical chain rings for bicycles represent a common example for optimizing exchange of power. •  Self-winding watches allow storage of energy with minimal impediment to movement. Ø  Can clever mechanical designs optimize assistance for targeted motions while increasing transparency for auxiliary motions?
  • 16. 16 Sistemas mecánicos inteligentes Intelligent Transparency •  The AIRFRAME transfers the weight of the arms from the shoulders, neck and upper back to the outside of the hips. •  This patented wearable device uses a mechanical support system with variable assistance relative to the user’s arm angle. The AIRFRAME mechanical support system progressively activates as the arm is raised, and gradually releases as the arm is lowered •  The AIRFRAME® requires no electrical power – it is mechanically engineered to rely on a patented system of pulleys. Patents: USP 9,205,017; USP 9,737,374
  • 17. 17 Intention Detection Intelligent Transparency •  Activity in leg and trunk muscles begins prior to targeted lifting of the arm. •  Amplitude of EMG activity depends on length of reaching movement. Ø  Intention Detection may be achieved prior to movement onset by observing anticipatory responses in postural muscles as well as in prime movers.
  • 18. 18 Stuttgart Exo-Jacket 2.0 Fraunhofer IPA Intention Detection •  Prototipo de research de exo para brazo-hombro. •  Prototipo actual la activación/ desactivación a través de pulsador/ switch en dedo de operario. •  Siguiente evolución incluyendo detección de la intención del usuario.
  • 19. 19 OASIS - A theoretical basis for optimizing physical Human-Robot Interactions (pHRI) Intelligent Transparency
  • 20. 20 Optimal Admittance Shaping Utility and Acceptance of Exoskeletons Biomechanical Modeling physical task + assistive device effects on human body Optimal Admittance Shaping physical task + human physiology optimal assistive device
  • 21. 21 Avenues for Future Research Utility and Acceptance of Exoskeletons Intelligent Transparency •  Mechanical Design •  Non-linear linkages for distribution and phasing of loads •  Switching mechanisms (e.g. clutch) to engage and disengage •  Intuitive and Non-Intrusive User Interfaces •  Auto-Adjusting •  Intention Detection (anticipatory responses) •  Active Control •  Optimal Admittance Shaping
  • 22. “ Ojalá lo hubiera tenido antes… ” “En cuanto decido moverme, el exoesqueleto responde, me levanta los brazos y los sostiene mientras realizo la operación, sin ningún esfuerzo… ” Ana Elvira Planas “Este exoesqueleto es mi segunda piel… ” The Goal