cálculo de esfuerzos biomecánicos mediante el análisis de imágenes digitales, aplicación en el...
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Cálculo de esfuerzos biomecánicos
mediante el análisis de imágenes digitales, aplicación en el rediseño de puestos de trabajo.
Mosquera Camelo, Leonardo
Centro de Ergonomía y Prevención/ Departamento de Organización de
Empresas / Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)/ Avenida Diagonal
647,piso 10 / 08028 Barcelona, España / [email protected]
Hernández Soto, Aquiles C.
Centro de Ergonomía y Prevención/ Departamento de Organización de
Empresas / Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)/ Avenida Diagonal
647,piso 10 / 08028 Barcelona, España / [email protected]
Tarragona Romero, Sonia
Departamento de Matemáticas / Universidad Politécnica de Cataluña
(UPC) / Avenida Diagonal 647,piso 10 / 08028 Barcelona, España
Álvarez Casado, Enrique
Centro de Ergonomía y Prevención/ Departamento de Organización de
Empresas / Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)/ Avenida Diagonal
647,piso 10 / 08028 Barcelona, España / [email protected]
ABSTRACT
La metodología de análisis planteada en este documento se basa en conceptos
biomecánicos, los cuales se emplean para determinar los esfuerzos musculares
generados por las posturas que se adoptan en el puesto de trabajo, para llevar a cabo
los análisis propuestos se usa como herramienta el Autocad (Programa Informático de
diseño de amplia difusión) sobre el cual se procesan imágenes digitales de las posturas
que previamente se han registrado.
Esta metodología pretende ser una herramienta fácil y accesible de ayuda a ergónomos
y profesionales de la prevención que realicen labores de rediseño de puestos.
Palabras clave
Ergonomía, biomecánica, informática, rediseño, puesto de trabajo, posturas, Autocad
INTRODUCCIÓN
Cuando hablamos de ergonomía, hablamos necesariamente de la adaptación del
trabajo al hombre. Desafortunadamente en la mayoría de los casos esta adaptación se
lleva a punto mediante el rediseño del puesto de trabajo debido a que, generalmente,
en éstos no existe una evaluación y un análisis previos a su construcción. Así, después
de estar implementados, es cuando se detectan problemas que se hubieran podido
evitar con un diseño bien planificado.
El concepto de rediseño lleva implícito el termino mejora, y es así que al hablar de
rediseño de un puesto de trabajo, damos por hecho que se busca una mejora; mejora
encaminada casi siempre a solucionar problemas relacionados con la salud y bienestar
del trabajador y/o con la eficacia y calidad de la producción. Al abordar el rediseño de
un puesto de trabajo se debe, en primer lugar, tener claro que la intervención sobre
éste debe ser el resultado final del análisis de los problemas detectados en él.
En España, según los datos obtenidos por la cuarta encuesta nacional de condiciones
de trabajo [1] realizada por el Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo
(INSHT), los factores de riesgos a los cuales están expuestos los trabajadores y que
tienen relación directa con los trastornos musculosesqueléticos son, las posturas
forzadas (72%), la manipulación manual de cargas (35%) y el trabajo realizando
movimientos repetitivos (32%). Estos factores de riesgo tiene una relación causa
efecto demostrada en la prevalencía e incidencia de enfermedades profesionales, sobre
todo aquellas relacionadas con el aparato osteomuscular las cuales representan en
España al año 1999 el 76% de las enfermedades declaradas. Considerando estos
antecedentes merece la pena cuestionarse si los puestos de trabajo y las tareas que en
ellos se realizan entrañan riesgos para el trabajador.
Existen varios métodos de evaluación de posturas en puestos de trabajo, unos mas o
menos específicos que otros. Estos métodos requieren generalmente del uso de
programas complejos de elevado costo económico y alto grado de complejidad que
hacen que difícilmente una empresa pequeña o un profesional en ergonomía puedan
tener acceso a ellos. De ahí el interés de desarrollar un método de análisis de posturas
en puestos de trabajo que sea fácil y accesible.
La metodología de análisis planteada en este documento se basa en los conceptos
biomecánicos de esfuerzos musculares, en los cuales es necesario el uso del Autocad
(programa informático de diseño de amplia difusión comercial) para evaluar las
posturas, de forma comparativa, antes y después del rediseño. Esta metodología
permite calcular valores aproximados de esfuerzos musculares en posturas específicas.
Mas, de ninguna manera pretende proporcionar valores definitivos, porque, como ya se
aclaró anteriormente, proporciona valores aproximados aunque de gran ayuda, pues
nos permiten hacer comparación de los esfuerzos musculares en posturas diferentes.
Durante el desarrollo de este informe se usará como ejemplo una imagen ilustrativa
sobre la que se harán los cálculos propuestos, esta imagen aunque no representa
concretamente ningún puesto de trabajo, si ayudará a comprender claramente la
metodología empleada, a la vez que representa un ejercicio típico de cálculos
biomecánicos [2].
METODOLOGÍA
La metodología desarrollada se basa en la selección de las posturas críticas, en el
puesto de trabajo, que pudieran ocasionar problemas musculoesqueléticos en los
trabajadores, y sus posteriores análisis determinativos del esfuerzo muscular que tales
posturas pudieran generar. Pues conociendo este valor de esfuerzo muscular, se estará
en condiciones de proponer una nueva postura con la finalidad de reducir estos índices
nocivos. En la Figura 1 se presenta el esquema metodológico usado.
Figura 1. Esquema metodológico empleado
Selección del puesto de trabajo a analizar
Se debe tomar como caso de análisis aquel puesto en el que se hayan
detectados riesgos asociados a las tareas que en ellos se realizan, otra variable
interesante a tener en cuenta es valorar si existen bajas asociadas a
trastornos musculosesqueléticos, para esto se debe solicitar el historial de bajas
que tiene cada puesto especifico, y estudiar la incidencia, prevalencia, gravedad
de las lecciones y número de trabajadores afectados.
Inspección y filmación en video del puesto de trabajo
Se deben llevar a cabo visitas al puesto de trabajo seleccionado con el fin de
conocer y entender las características del mismo. Es importante realizar estas
visitas en turnos u horarios diferentes. En el caso de que el mismo puesto lo
usen diferentes trabajadores, estas visitas deben quedar registradas en video
para su posterior análisis (preferiblemente digital, para su fácil procesamiento
en el ordenador). En caso de no contar con filmadora, una cámara digital
también es útil; sin embargo, habrá que tener previamente estudiada todas las
actividades que realiza el trabajador, en su puesto de trabajo, antes de
seleccionar qué postura se va a evaluar.
Existen algunas normas básicas que se deben tener en cuenta al realizar la
filmación de los puestos. Reglas referentes a la correcta ubicación y posición de
la cámara respecto al puesto de trabajo y al trabajador con el fin de reducir al
máximo el grado de error en el momento que se trabaje sobre el Autocad. Son
las siguientes:
1. Posición de la cámara en el plano transversal durante la filmación.
Es de gran importancia debido a que posteriormente tomaremos medidas
directamente sobre la imagen. La cámara se debe posicionar al centro del cuerpo del trabajador como lo indica la Figura 2
Figura 2. Ubicación de la cámara en el plano transverso
2. Posición de la cámara en el plano frontal durante la filmación. Debe
ser lo mas alineada posible al plano frontal, para garantizar que al tomar
medidas en ella no haya distorsiones debido a inclinaciones de la cámara,
observé la Figura 3, donde se muestra como debe ser la posición de la
cámara.
Figura 3. Ubicación de la cámara en el plano frontal
3. Referencia gráfica de medida. Siempre al realizar una filmación de un
puesto de trabajo, debemos medir cualquier objeto próximo a este que nos
pueda servir de referencia, este objeto debe quedar registrado dentro de la
filmación para posteriormente poder escalar la imagen usando esta
referencia como patrón, como por ejemplo la cinta métrica que vemos en la Figura 4.
Figura 4. Referencia grafica de medida
Las dimensiones así calculadas, generan un pequeño error, producto del ángulo
que se produce entre la horizontal de la imagen (desde en centro del sujeto,
hasta la cámara y desde esta a los segmentos más dístales (cabeza, pies). Sin
embargo, este error será despreciado en esta técnica, ya que más adelante
recurriremos al uso de tablas estandarizadas para realizar aproximaciones.
Éstas ya presentan un error de aproximadamente del 3% y el error generado al
no considerar este ángulo, es menor.
Selección de la postura a analizar
Después de la revisión de todas las cintas grabadas se deben capturar y
digitalizar las posturas que se consideren críticas o que podrían ser la causa de
problemas musculoesqueléticos. La digitalización debe hacerse en un formato
de imagen estándar como puede ser BMP, JPG, GIF, etc.
Análisis de esfuerzos biomecánicos en la postura seleccionada
Ya en el Autocad y usando la referencia gráfica que medimos en el puesto de
trabajo debemos escalar la fotografía de modo que la ajustemos al tamaño
correcto para poder tomar medidas con valores reales sobre ella.
Para poder llevar a cabo el análisis de esfuerzos es necesario:
Conocer la dimensión de los segmentos corporales involucrados
Determinar la magnitud y la localización de las fuerzas ejercidas por cada
uno de estos segmentos.
Dimensión de los segmentos corporales:
Figura 5. Dimensionamiento de los segmentos corporales
Magnitud y la localización de las fuerzas ejercidas por cada uno de los
segmentos corporales
El siguiente paso para nuestro análisis es realizar un diagrama de las fuerzas
actuantes en nuestro sistema. Es así como debemos representar los vectores
de fuerza. Estos vectores deben situarse sobre el eje de centros de masa o gravedad.
La tabla de Demxter [3], ver Figura 6, nos ayudará a determinar la ubicación
de los centros de gravedad de cada uno de los segmentos corporales a partir de la longitud de estos.
Figura 6. Esquema de Demxter para localización de los centros
de gravedad de los diferentes segmentos corporales
Figura 7. Localización de los centros de gravedad
Después de tener dibujados todos vectores que representan las fuerzas
actuantes, debemos determinar su magnitud. Para ello tendremos que calcular
el peso de cada segmento involucrado; para esto, una variable que
necesariamente debemos conocer es el peso del trabajador en el cual hacemos
el análisis. La Figura 8 nos muestra la tabla de Demxter [3] que nos ayudará a realizar estos cálculos.
Figura 8. Tabla de Demxter para el cálculo del peso de los
segmentos corporales
Con todos los valores necesarios sobre la imagen (ver Figura 9) podremos
aplicar las ecuaciones de sumatoria de fuerzas y momentos, para poder
determinar el valor de la fuerza muscular ejercida en este caso por el bíceps.
Figura 9. Diagrama de fuerzas actuantes en el sistema
Teniendo ya nuestro sistema de completamente representado, podremos ahora
determinar el valor de la fuerza que no conocemos y que es precisamente la
ejercida por el Bíceps. Para este caso la ecuación que debemos usar para
resolver la incógnita (Fuerza ejercida por el bíceps =?) es la que se explica en la
segunda condición del equilibrio estático, donde la sumatoria de momentos de un sistema debe ser igual a cero.
Definimos un Momento como el producto de una fuerza realizada por su
distancia al eje de movimiento, por lo tanto nuestra ecuación quedaría de la siguiente forma:
El valor de la fuerza muscular ejercida por el bíceps en esta postura que hemos
trabajado es de 93.924 N
Propuesta de rediseño
Al tener un conocimiento preciso de las tareas realizadas en el puesto es posible
proponer cambios en los equipos físicos, como máquinas y herramientas.
También, en aspectos tales como la distribución espacial de los elementos o los
métodos de trabajo, todas estas propuestas están encaminadas a modificar las
posturas de trabajo y por ende a disminuir los esfuerzos musculares generados.
Basándonos en los planos de los puestos podremos generar virtualmente un
modelo del puesto con los ajustes que consideremos convenientes. Ver Figura
10. Teniendo en cuenta que ya hemos calculado previamente el valor del
esfuerzo muscular en la postura en el puesto, nuestro rediseño tendrá como
objetivo disminuir dichos esfuerzos. Por ejemplo disminuyendo distancia de
elementos a manipular, variando el tamaño y peso de objetos a manipular,
evitando diferentes planos de trabajo, entre otros.
Figura 10. Ejemplo de representación virtual del puesto de trabajo rediseñado.
Análisis de esfuerzos biomecánicos en la nueva postura
Sobre la nueva propuesta debemos realizar todos los pasos ya descritos en el
apartado: análisis de esfuerzos biomecánicos y después de obtener los
resultados podremos compararlos con los obtenidos en nuestra postura
analizada inicialmente. De esta forma sabremos si nuestro rediseño realmente
reduce el valor de los esfuerzos musculares resultantes en el puesto.
CONCLUSIONES
A partir de los datos estadísticos obtenidos de los análisis realizados en España, nos
damos cuenta que las patologías generadas por malas posturas, en el puesto de
trabajo, requieren gran atención y un especial cuidado, al ser estudiados, siendo uno
de los objetivos como ergónomos y/o técnicos en prevención, el poder disminuir los
riesgos asociados a carga física biomecánica.
El procedimiento aquí planteado para el cálculo de esfuerzos musculares, aunque no
nos proporciona una evaluación de la postura en términos favorables o desfavorables,
sí nos da un punto de comparación ante un posible rediseño del puesto y de las
posturas que se adopten en éste.
Los fundamentos de esta metodología radican en poder valorar un rediseño de puestos
de trabajo antes de realizar cualquier cambio.
Con el fin de mejorar posturas críticas podremos evaluar si una nueva postura
propuesta mejorara, desde el punto de vista del esfuerzo muscular, con respecto a la
postura original. Todo esto basándonos en representaciones virtuales, lo que implica
que no es necesaria ninguna inversión económica para comprobar si un cambio es
favorable o no. Y además, este procedimiento nos permite también hacer muchas
comprobaciones previas antes de decidir un rediseño definitivo.
REFERENCIAS
[1] Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo (INSHT), Ministerio
Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo. III Encuesta Nacional de
Condiciones de Trabajo. 2001
[2] Nordin,M. Kiankel,V. Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System.
Ed Lea & Febiger, Philadelphia, London. 1980
[3] Barney,L.V. Biomecánica del movimiento humano. Trillas. México,D.F.
1991.