Wykorzystanie egzoszkieletów aktywnych w budownictwie
Technologia egzoszkieletów obiecuje znaczącą redukcję ryzyka wystąpienia chorób zawodowych, z którymi borykają się pracownicy sektora budowlanego. Urządzenia te mają odciążać noszących je operatorów, a także ułatwiać im operowanie elektronarzędziami. Czołowi producenci tego rodzaju sprzętu zapewniają też, że ich egzoszkielety bezpośrednio przyczynią się do poprawienia wydajności na placu budowy. Korzystający z nich pracownicy będą mogli pracować dłużej, przy jednoczesnym obniżeniu poziomu odczuwanego przez nich zmęczenia.
Problemy zdrowotne związane z pracą w sektorze budowlanym
Zatrudnienie w sektorze budowlanym to ciężki kawałek chleba, wymagający dobrej kondycji oraz wysokiej sprawności fizycznej. Co więcej, zdecydowana większość prac budowlanych wiąże się z koniecznością regularnego przenoszenia materiałów budowlanych, a także trzymania ciężkich elektronarzędzi w mało ergonomicznych pozycjach.
Prowadzi to do znacznego obciążenia kończyn górnych, barków oraz szyjnego odcinka kręgosłupa. Te partie ciała są obciążane podczas zdecydowanej większości prac budowlanych, jednak najbardziej męczące są dla nich czynności związane ze szlifowaniem gładzi, malowaniem ścian, czy wykonywaniem sufitów podwieszanych z płyt gipsowo-kartonowych.
Co gorsza, realizacja takich zadań podczas wielogodzinnych dniówek sprzyja powstawaniu kontuzji, a także może prowadzić do trwałych zwyrodnień stawów. Najczęstszymi z nich są zaburzenia układu mięśniowo-szkieletowego (ang. musculoskeletal disorders, MSD), objawiające się głównie problemami związanymi z szyją oraz ramionami, a także odcinkami lędźwiowymi pleców. Od stopnia ich nasilenia zależeć będzie nie tylko produktywność pracownika, lecz i również jego dyspozycyjność w skali roku.
Z danych opublikowanych przez ZUS jasno wynika, że choroby układu mięśniowo-szkieletowego i tkanki łącznej odpowiadały za aż 16,4% zwolnień lekarskich wystawionych w 2022 roku1. W połączeniu ze średnią długością pojedynczego zwolnienia wynoszącą około 14 dni2, wystąpienie MSD u zatrudnionej osoby będzie sporym wyzwaniem dla całej firmy.
W większości przypadków taka sytuacja oznaczać będzie:
• konieczność szybkiego znalezienia zastępstwa za kontuzjowanego pracownika;
• zwiększenie obłożenia pozostałych członków ekipy budowlanej;
• pogodzenie się z wydłużeniem czasu realizacji danej inwestycji.
Z ekonomicznego punktu widzenia żaden z powyższych wariantów nie jest optymalny i w pewnym stopniu będzie narażać całą firmę na dotkliwe straty finansowe – w postaci kar umownych lub tzw. kosztu alternatywnego. Dlatego też znacznie lepiej jest zapobiegać kontuzjom pracowników niż borykać się z ich konsekwencjami.
Profesjonalne egzoszkielety dedykowane branży budowlanej
Rozwiązaniem problemów związanych z zaburzeniami układu mięśniowo-szkieletowego mogą być nowoczesne egzoszkielety. Są to specjalne urządzenia zakładane na ubranie robocze lub bezpośrednio na skórę operatora. Do ich produkcji najczęściej wykorzystywane są tworzywa sztuczne oraz nowoczesne kompozyty, a także wysokogatunkowe stopy stali. Tworzy się z nich stelaż całego urządzenia oraz obudowę kluczowych mechanizmów sprzętu. Materiały te mają zapewnić im sztywność oraz wysoką wytrzymałość mechaniczną, przy zachowaniu możliwie jak najmniejszej wagi samego urządzenia.
Dzięki rozbudowanej strukturze zawiasów, szyn oraz różnego rodzaju prowadnic, egzoszkielety są w stanie podtrzymywać poszczególne kończyny korzystającej z niej osoby, jednocześnie stabilizując jej tułów. Pozwala to zoptymalizować motorykę ruchu pracownika, a co za tym idzie, zredukować ilość siły niezbędnej do wykonania konkretnego zadania.
Egzoszkielety wyposażane są też w rozbudowane systemy regulacyjne w postaci pasów oraz klamer. Pozwalają one na szybkie i łatwe dostosowanie urządzenia do anatomii noszącego je operatora, dzięki czemu oferują wysoki komfort oraz maksymalną swobodę ruchu. W szczególności dotyczy to odpowiedniego wyregulowania uprzęży barkowych i pasków piersiowych, a także uwzględniania wzrostu korzystającej z urządzenia osoby. Jest to ważne, ponieważ tylko prawidłowo dopasowany egzoszkielet będzie w stanie zapewnić prawidłowe wsparcie mięśni pracownika.
Należy również podkreślić, że profesjonalne egzoszkielety budowlane, takie jak Festool ExoActive, mogą być noszone przez zdecydowaną większość osób. Urządzenia te oferują szeroki zakres regulacji:
• uprzęży barkowych;
• pasków piersiowych;
• szerokości wsporników kończyn górnych;
• obwodu uprzęży opinających biceps;
• wysokości samego urządzenia.
Dzięki temu jeden egzoszkielet może być zakładany przez wiele różnych osób – wystarczy tylko poświęcić kilka chwil na zmianę ustawień uprzęży. Zapewnia to możliwość selektywnego wydawania urządzenia pracownikom, którzy w danym momencie najbardziej będą potrzebować jego wsparcia.
Rodzaje egzoszkieletów wykorzystywanych w zastosowaniach budowlanych
Egzoszkielety budowlane mogą występować w dwóch rodzajach – pasywnym i aktywnym. Na pierwszy rzut oka oba warianty urządzeń są do siebie dość podobne, co zawdzięczają rozbudowanym szkieletom oraz systemom uprzęży dokładnie opinającym ciało noszącej jej osoby. Jednak po bliższej inspekcji można dojść do wniosku, że oba sprzęty tak naprawdę więcej je dzieli, niż łączy.
Egzoszkielety pasywne
Egzoszkielety pasywne wykorzystują zaawansowane systemy przeciwwag, linek oraz ekspanderów3. Dzięki temu tego rodzaju urządzenia są całkowicie samowystarczalne i nie wymagają stosowania żadnych akumulatorów lub innego rodzaju systemów zasilania. W efekcie są one lżejsze od wariantów aktywnych, a także posiadają mniejszą liczbę podzespołów.
Niestety, relatywna prostota budowy urządzeń pasywnych bezpośrednio wpływa na zapewniane przez nie wsparcie. W porównaniu do egzoszkieletów aktywnych w znacznie mniejszym stopniu odciążają one mięśnie oraz stawy noszących je pracowników. Według badań redukcja aktywności mięśni pleców zapewniana przez egzoszkielety pasywne oscyluje w zakresie od 10% do 40%. Dla porównania egzoszkielety aktywne są w stanie zredukować aktywność tej partii mięśniowej aż o 80%4.
Urządzenia pasywne zapewniają też niewielką możliwość regulacji siły asysty egzoszkieletu. Proces ten wymaga jednak całkowitego przerwania pracy i ręcznego wyregulowania ekspandera egzoszkieletu poprzez system zapadek lub pokręteł.
Asysta działa też „zero-jedynkowo”, czyli mówiąc prościej, mięśnie kończyn górnych wspierane są poprzez cały zakres ich ruchu. Może być to problematyczne podczas wykonywania czynności na wysokości pasa lub poniżej, kiedy to operator egzoszkieletu musi siłować się z urządzeniem. Pogarsza to precyzję pracy, jednocześnie męcząc ręce korzystającej z urządzenia osoby.
Egzoszkielety aktywne
Z drugiej strony spektrum stoją aktywne egzoszkielety budowlane. To znacznie bardziej rozbudowane urządzenia wyposażone w wydajne silniki elektryczne zasilane specjalnymi bateriami, które to często są kompatybilne z innymi elektronarzędziami dostępnymi w ofercie danego producenta.
Silniki elektryczne stosowane w egzoszkieletach służą do napędzania miniaturowych rozmiarów kompresorów pneumatycznych. Sprężane przez nie powietrze jest składowane w zbiorniku ciśnieniowym, a następnie w razie potrzeby dostarczane bezpośrednio do specjalnych siłowników.
Efektem tego jest zauważalne zwiększenie siły asysty zapewnianej przez urządzenie – aktywne egzoszkielety mogą nie tylko kompensować wagę rąk noszących je operatorów, lecz również i ciężar wykorzystywanych elektronarzędzi. Co więcej, siła asysty pneumatycznej dostarczana jest w sposób płynny i jednocześnie progresywny, tym samym zapewniając większą responsywność niż w przypadku siłowników śrubowych.
Dobrym tego przykładem może być Festool ExoActive, którego siła wsparcia dochodzi do 50 N (około 5 kg) na każde z ramion. Dzięki temu praca z ciężkimi przyrządami pokroju młotowiertarek SDS Max lub szlifierek do gipsu praktycznie nie obciąża osoby korzystającej z egzoszkieletu. Zamiast tego jego operator może skupić się tylko i wyłącznie na wykonywaniu precyzyjnych ruchów narzędziem, co znacząco zwiększy nie tylko jego produktywność, lecz również precyzję.
W analogiczny sposób aktywny egzoszkielet pomoże z podnoszeniem, przenoszeniem oraz manipulowaniem ciężkimi materiałami budowlanymi. Wsparcie zapewniane ramionom oraz stabilizacja tułowia umożliwi jednej osobie realizację zadań, które wcześniej wymagałyby zaangażowania przynajmniej dwóch pracowników.
Kolejną bezsprzeczną zaletą zapewnianą przez egzoszkielety aktywne jest możliwość selektywnego wyboru zakresu, w jakim wspierane będą mięśnie kończyn górnych. Produkty takie jak Festool ExoActive umożliwiają asystowanie operatorowi w jednym z trzech zakresów roboczych – od pasa w górę, powyżej klatki piersiowej lub w zupełności nad głową. Dzięki temu podczas prac na wysokości bioder pracownik nie musi „walczyć” z egzoszkieletem, jak ma to miejsce w przypadku wariantów pasywnych.
Egzoszkielet aktywny pozwala też wybrać jeden z kilku poziomów intensywności siły asysty, pomagając w dopasowaniu urządzenia do aktualnie wykorzystywanego narzędzia. Mniejsza intensywność asysty pozytywnie wpływa też na czas pracy na jednym naładowaniu akumulatora.
Korzyści płynące ze stosowania aktywnych egzoszkieletów
W zależności od stopnia wyszkolenia danego pracownika, jego kondycji fizycznej oraz już istniejących problemów zdrowotnych, egzoszkielety aktywne mogą nawet o 80% zmniejszyć ilość energii niezbędnej do wykonania danej czynności5. Jest to ogromna redukcja wysiłku fizycznego, która pozwala znacząco odciążyć stawy oraz mięśnie, minimalizując tym samym ryzyko wystąpienia kontuzji lub schorzenia związanego z MSD.
Mniejsza ilość energii niezbędnej do wykonania danego zadania ogranicza też bolesność mięśni po szczególnie ciężkim dniu pracy. W takim przypadku większość pracowników będzie odczuwać przez okres od 2 do 5 dni zespół opóźnionego bólu mięśniowego, czyli mówiąc prościej „zakwasy”. Dolegliwość ta powoduje duży dyskomfort, a także negatywnie wpływa na maksymalną siłę dotkniętych nią pracowników.
Egzoszkielety pozwolą też zauważalnie podnieść produktywność ekipy budowlanej6. W przypadku operowania ciężkimi narzędziami już po kilku minutach pracownik zaczyna odczuwać rosnące zmęczenie dominującej kończyny. Próbując zaradzić temu stanowi, zmienia on rękę, co prowadzi do pogorszenia się jego koordynacji wzrokowo-ruchowej. Negatywnie wpływa to na precyzję pracy, mogąc w skrajnych przypadkach doprowadzić do uszkodzenia obrabianego materiału lub powierzchni.
Powyższy problem może w znaczący stopniu zostać zredukowany przez egzoszkielety. Zapewniane przez nie wsparcie mięśni pozwoli skompensować wagę elektronarzędzia, tym samym eliminując konieczność zmiany ręki na niedominującą7.
Egzoszkielety mogą być też świetnym urządzeniem wspomagającym rekonwalescencję8. Dzięki nim osoby aktualnie borykające się z zaburzeniami układu mięśniowo-szkieletowego otrzymają niezbędne wsparcie mięśni, przy jednoczesnym odciążeniu stawów. Pozwoli to kontuzjowanej osobie znacznie szybciej wrócić do pracy, co będzie mieć szczególne znaczenie w przypadku kluczowych pracowników o największych kompetencjach.
Egzoszkielety aktywne – ciekawostka czy niezbędny zakup?
Wielu właścicieli firm budowlanych oraz ekip remontowych z dużym dystansem podchodzi do zakupu egzoszkieletów aktywnych. Wynika to przede wszystkim z ich niemałej ceny, z którą to wiążą się obawy o opłacalność takiej inwestycji. Do tej decyzji powinno się jednak podejść kompleksowo i uwzględnić korzyści płynące z zakupu egzoszkieletu aktywnego nie tylko w perspektywie kilku najbliższych miesięcy, lecz również kilkunastu lat.
Można śmiało powiedzieć, że tego rodzaju urządzenia pomogą w zmniejszeniu problemów zdrowotnych pracowników. Dotyczy to głównie kontuzji związanych z mięśniami oraz stawami zlokalizowanymi w obrębie linii barków i karku, na które bezpośrednio przenoszone są największe obciążenia podczas pracy z elektronarzędziami oraz narzędziami ręcznymi na wysokości przewyższającej klatkę piersiową lub podczas operowania nimi nad głową.
Mniejsza liczba kontuzji bezpośrednio przełoży się na lepszą dyspozycyjność zatrudnionych osób oraz wyższe morale całej ekipy budowlanej. Korzystnie wpłynie to też na retencję wyszkolonych pracowników, pomagając zachęcić ich do pozostania w firmie. Krótko mówiąc, koszt zakupu egzoszkieletu aktywnego może wielokrotnie zwrócić się w skali zaledwie kilku lat.
źródło:
1 Raport Absencja chorobowa w 2022 roku. ZUS – Departament Statystyki i Prognoz Aktualnych, Warszawa 2023 – Ewa Karczewicz, Agnieszka Sikora s.14
2 Raport Absencja chorobowa w 2022 roku. ZUS – Departament Statystyki i Prognoz Aktualnych, Warszawa 2023 – Ewa Karczewicz, Agnieszka Sikora s.50
3 Usability and Biomechanical Testing of Passive Exoskeletons for Construction Workers: A Field-Based Pilot Study – Sean T. Bennett, Wei Han, Dilruba Mahmud, Peter G. Adamczyk, Fei Dai, Michael Wehner, Dharmaraj
4 Veeramani, Zhenhua Zhu
5 Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load - Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadlerc, Leonard W. O’Sullivan
6 Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load - Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadlerc, Leonard W. O’Sullivan
7 First studies of exoskeleton use in construction industry – Nicolas Froment, Mireille Loizeau
8 Integrating an exoskeleton: feedback and landmarks – Jean-Jacques, Atain Kouadio, Liên Wioland, Jean Theurel, Amélie Delacourt
9 Exoskeletons potential use in the construction industry – Zhenhua Zhu, P.Eng, Mariya Sorensen