Figura 1. Músculo deltoides. Fuente: MED LINE.
BIOMECHANICAL ANALYSIS OF ARMS AND BACK FOR THE DEVELOPMENT OF PORTABLE TOOLS
Hugo Andrés López Fisco1; Juan Rodrigo Sanz Uribe2; Fernando Álvarez Mejía3
1 Investigador. Centro Nacional de Investigaciones de Café–CENICAFE, Sede Planalto, km. 4 vía Chinchiná, Caldas, Colombia. <hugo.lopez@cafedecolombia.com>
2 Investigador Científico II. Centro Nacional de Investigaciones de Café–CENICAFE, Sede Planalto, km. 4 vía Chinchiná, Caldas, Colombia. <juanr.sanz@cafedecolombia.com>
3 Profesor Titular. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Facultad de Ciencias Agropecuarias. A.A. 1779, Medellín, Colombia. <falvarez@unalmed.edu.co>
Recibido: Octubre 4 de 2007; Aceptado: Octubre 3 de 2008
Palabras claves: Biomecánica, diseño de herramientas portátiles, labores agrícolas.
Abstract. In semi-mechanized agricultural labors such as fertilization, pesticide application, harvesting and others, operators usually carry loads in backpacks and a tool in one of their hands. This work estimated the stresses that result in the shoulder and in the inter-vertebral disk L5-S1 of an average operator performing agricultural labors with back-mounted equipment. In order to perform the analysis it was developed a computational tool called HOMO, which considers the most common positions of the arm and the most common inclinations of the backbone when using back-mounted equipment. This analysis determined that a 12 kg load on the operator’s back, combined with a 0,5 kg tool in the operator’s hand, are not harmful for the studied joints.
Key words: Biomechanics, design of portable tools, agricultural labors.
Las herramientas de espalda son ampliamente usadas para realizar labores agrícolas tales como fertilización, aspersión de insecticidas químicos y biológicos, aspersión de agentes químicos y biológicos para el control de enfermedades, y cosecha. Estas herramientas también son frecuentemente usadas en otras labores como limpieza con equipos sopladores y aspiradores.
En este estudio se determinaron las cargas máximas que pueden ser llevadas simultáneamente en la espalda y una de las manos de los trabajadores agrícolas, sin que haya lesiones músculo-esqueléticas en las dos articulaciones más comprometidas: El hombro (Escápulo-Humeral) y la espalda baja (lumbosacral). Se escogió esa simultaneidad porque ella regularmente se da cuando se realizan las labores agrícolas mencionadas.
En este estudio se utilizó solamente el análisis estático de cargas (primera ley de Newton), dado que las cargas dinámicas se consideraron despreciables dada la lentitud de los movimientos cuando se utilizan herramientas portátiles.
Para hacer el análisis mencionado se creó una herramienta computacional en MatLab® denominada HOMO, la cual puede ser de utilidad para análisis similares o condiciones particulares de diferentes herramientas agrícolas, para condiciones particulares de operarios, o también para programas de salud ocupacional en el campo.
]]> METODOLOGÍA
Análisis biomecánico de brazo. En el análisis biomecánico de carga estática para los brazos, se estimaron los esfuerzos que se generan en la articulación del hombro (Escápulo-Humeral), Figuras 1 y 2, para un trabajador agrícola promedio adoptando posturas comunes durante sus labores, con una carga adicional sostenida en una de sus manos (Impulse Training Systems, 2003).
Figura 1. Músculo deltoides. Fuente: MED LINE.
Figura 2 Cuadrantes de desplazamiento critico en la recolección de café. Fuente: MED LINE.
De acuerdo con Philips (2000), en el sistema biomecánico del hombro actúan la fuerza debida al peso del brazo, que equivale, aproximadamente al 5% del peso corporal ubicado en el centro geométrico de la postura del brazo y la fuerza que ejerce el músculo deltoides (Figura 1), al contrarrestar los movimientos de abducción del brazo al articular el hombro en las diferentes direcciones. La acción del músculo deltoides depende de la inclinación de los ejes del brazo y antebrazo además de las fuerzas involucradas en el sistema.
Para el sistema biomecánico planteado se analizó el equilibrio estático del brazo para los movimientos típicos permitidos por la articulación Escápulo-Humeral (extensión frontal y abducción horizontal del hombro) y por la articulación del codo (flexión y extensión) estudiado por Putz y Pabst (1994). Para este fin se determinaron las reacciones Rx y Ry en la articulación Escápulo-Humeral y la variación de la tensión Fm que se genera en el músculo deltoides como resultado del desplazamiento general del brazo. En la Figura 2 se observan los cuadrantes de trabajo considerados como críticos para el análisis realizado.
Este análisis cubrió gran cantidad de combinaciones de extensiones del hombro y codo, empleando un programa de computador que tiene como variables de entrada la estatura (H) y masa (m) del individuo,
en metros y kg respectivamente, y la masa del elemento cargado en la mano, también en kg. El programa determina las reacciones en la articulación cuando se aplica la primera ley de Newton al brazo como muestra la Figura 3.
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Análisis biomecánico de la espalda. El análisis biomecánico de carga estática estimó también los esfuerzos que se generan en la columna vertebral cuando se tiene una carga en ella. El rango de inclinación utilizado fue entre –75° y 75° con respecto a la vertical, para poder establecer si se presentan lesiones músculo- esqueléticas.
Según Philips (2000), en el sistema biomecánico de la espalda actúan tres fuerzas propias del cuerpo humano así (Figura 5): 1) al nivel de la vértebra T2 (segunda vértebra torácica), se ubica la fuerza debida al peso de los brazos y la cabeza que equivale, aproximadamente, al 18% del peso corporal. 2) Al nivel de la T11 (decimaprimera vértebra torácica), se ubica la fuerza propia del peso del tronco, que equivale, aproximadamente, al 36% del peso corporal, y 3) en la T7 (séptima vértebra torácica), se ubica bien sea la fuerza del músculo recto abdominal (para posturas en el segundo cuadrante cartesiano), o del músculo erector de la columna (para posturas en el primer y cuarto cuadrante). Las fuerzas debidas a la acción de estos músculos dependen de la inclinación del eje de la columna y de las fuerzas involucradas en el sistema.
Para el caso particular de la recolección manual asistida con el equipo Aroandes, se ubicó una cuarta fuerza de 120 N en el centro de masa del recipiente de almacenamiento a máxima capacidad, se evaluó mediante un análisis biomecánico de carga estática para un rango de inclinación de la misma con respecto a un eje horizontal de 150º, dentro del cual se consideran las posturas típicas de los recolectores (en cunclillas, de pié e intermedias), donde el eje de la columna vertebral soporta el recipiente plástico de espalda con su capacidad total.
Para el anterior sistema biomecánico se procedió a estimar los componentes de las fuerzas de corte y de compresión en el disco L5-S1 (lumbosacral), para lo cual fue necesario calcular los componentes de las fuerzas resultantes tanto en las abscisas como en las ordenadas (Rx y Ry).
Se estimó, a través de mediciones goniométricas que el ángulo formado entre la horizontal y el eje de la columna oscila desde los –10º hasta 100°, es decir, que el tronco se ubica en el primero, segundo y cuarto cuadrante cartesiano.
Las variaciones de postura para los desplazamientos en el segundo cuadrante son equilibradas por el músculo recto abdominal, el cual se origina en los cartílagos de la quinta y séptima costillas y la apófisis xifoides del ligamento costoxifoideo y se inserta en el borde craneal del pubis entre el tubérculo y la sínfisis del pubis, tal como lo muestra la Figura 4 (Vélez, 2000), el ángulo que toma este músculo respecto a la vertical fue estimado mediante procedimientos geométricos tomando un valor aproximado de 12º.
Figura 4. Músculos que actúan en el equilibrio estático del sistema biomecánico de espalda con respecto a la vértebra L5S1. A. Músculo recto abdominal. B. Músculo erector de la columna.
El análisis de carga estática se desarrolló empleando un algoritmo que tiene como variables de entrada la estatura (H) y masa (m) del individuo, en metros y kg respectivamente, y la masa del elemento cargado en la espalda, también en kg. El programa Homo determina las fuerzas que se generan en la L5S1 cuando se aplica la primera ley de Newton a la columna vertebral, incluyendo las fuerzas debidas a su propio peso, más la fuerza debida a la carga (Instituto Químico Biológico, 2003) (Figura 5).
Figura 5. Diagrama de cuerpo libre sobre el cual se realizo el análisis estático para una carga soportada en la espalda de 12 kg. A. Persona cargando un peso en la espalda. B. Diagrama de cuerpo libre de una persona cargando un peso en la espalda. Fuente: Phillips (2000).
Para los análisis biomecánicos, las fuerzas cortante y de compresión fueron calculadas con los registros antropométricos anteriores, los intervalos de confianza para el promedio de la fuerza de compresión y de corte.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados obtenidos empleando el algoritmo se pueden observar en las gráficas de las Figuras 6, 7 y 8.
Figura 6. Fuerza de tensión Fm originada en la combinación de los posibles ángulos de desplazamiento para el brazo y el antebrazo. Fuente: Resultado del análisis estático.
Figura 8. Reacción Rx ante la combinación de los posibles ángulos de desplazamiento para el brazo y el antebrazo.
El comportamiento de la fuerza de tensión a que está sometido el músculo deltoides para contrarrestar la flexión-extensión del hombro se ve afectada por la flexión extensión del codo, se observa además que para una variación de la flexión del antebrazo (articulación del codo) con respecto al brazo en un rango de 50 a 110º y una flexión del hombro con respecto al eje vertical de –90 a –80º la tensión generada en el músculo deltoides, tiene una magnitud por lo menos de 280 N y que disminuye progresivamente tanto a medida que se flexiona el codo y se contrae el hombro. Los valores negativos indican que para algunas posiciones de las articulaciones superiores a 40º en el codo con respecto al brazo y arriba de 25º para el hombro la reacción en el músculo deltoides no genera tensión, solamente un valor neutro o posiblemente compresión.
La reacción de Rx a la que esta expuesta la articulación Escápulo-Humeral se analizo de una manera similar a la anterior encontrando la siguiente combinación de ángulos y áreas de respuesta en Newton (Figura 7).
Se aprecia claramente que la reacción Rx toma una máxima magnitud de 240 N para la combinación de los siguientes ángulos del hombro y del codo respectivamente con respecto al eje vertical y al brazo de –45 a –22º y desde 0 hasta 65º, se observa además, que esta magnitud disminuyen gradualmente hasta llegar a valores negativos que pueden ser explicados al imaginar la posición en la cual se encuentra orientado el brazo con el codo totalmente flexionado por encima de 100º y con el hombro contraído por encima de los 60º con respecto a la horizontal.
Tabla 1. en L5S1 para las componentes x e y, para el análisis biomecánico.
La reacción de Ry a la que está expuesta la articulación Escápulo-Humeral se analizó de una manera similar a la anterior encontrando la siguiente combinación de ángulos y reacciones en Newtons.
]]> La reacción Ry presenta una magnitud mayor que oscila desde una fuerza negativa de 100 N hasta una de 320 N la mayor fuerza que soporta la articulación del hombro en el sentido vertical se presenta cuando el operario realiza los movimientos comprendidos entre los siguientes ángulos para el brazo y para el antebrazo respectivamente: desde –90 hasta –85º y con una flexión del codo de 80 a 100º con respecto al eje del brazo; a partir de un ángulo de –20º con respecto a la horizontal y para casi todas las posibles flexiones del codo los valores de la fuerza de reacción Ry presentan un sentido contrario y una magnitud que para las condiciones extremas apreciadas en la Figura 9 no supera los 100 N.
Figura 9. Reacciones Rx , Ry y Fe obtenidas del análisis biomecánico de carga soportada en la espalda, con respecto a L5S1 para una persona cargando una masa de 12 kg.
Figura 10. Esfuerzo cortante Rc y fuerza axial Ra obtenidas del análisis biomecánico de carga soportada en la espalda, con respecto a L5S1 para una persona cargando un peso de 12 kg.
Los resultados del análisis biomecánico indican las siguientes magnitudes:
Para todas las posturas analizadas, se tiene que las fuerzas de compresión en el disco L5S1 son inferiores al limite de acción permisible para trabajos pesados (3.400N), según la norma NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health, USA.), lo cual muestra que bajo lo anteriormente planteado, no existe la posibilidad de que los recolectores sufran fracturas en las vértebras lumbares debido al peso del recipiente plástico. En cuanto a las fuerzas de corte se puede decir que los valores incluidos en el intervalo de confianza asociado al promedio muestra que por efecto del dispositivo de espalda para almacenamiento de café cereza, no es posible que los recolectores generen hernias discales.
El anterior análisis indica que el actual sistema de asistencia al recolector a través del equipo Aroandes, no induce lesiones permanentes por cargas estáticas en la columna vertebral, sin embargo se recomienda tener en cuenta una pequeña flexión en rodillas, ya que al estar por periodos prolongados de pie y con la rodilla extendida se genera una carga a nivel lumbar; Igualmente se recomienda determinar inicialmente que las personas que van a portar las herramientas no deben presentar problemas de columna o lesiones a nivel de espalda para manipular el equipo y finalmente se recomienda realizar ejercicios de estiramiento enfocado sobre todo a los músculos más involucrados (espalda y hombro).
AGRADECIMIENTOS
]]> Los autores expresan sus agradecimientos al personal científico de la disciplina de Ingeniería Agrícola de CENICAFE y a la Profesional en Salud Ocupacional Paula Marcela García por todos sus aportes.
BIBLIOGRAFÍA
Impulse Training Systems. Impulse Exercise Setup. En: http://www.Impulsepower.com/default.htm; consulta: diciembre 2003. [ Links ]
Instituto Químico Biológico. Anatomía humana España. En: http://www.iqb.es/CBasicas/Anatomia/Toc05.htm; consulta: diciembre 2003. [ Links ]
Med Line, Biblioteca Nacional de Medicina de EE.UU. Inflamación de la articulación del hombro. En: http://www.nlm.nih.gov; consulta: diciembre 2003. [ Links ]
Phillips, Ch. A. 2000. Human factors engineering, John Wiley & Sons, United States of America . 654 p. [ Links ]
Putz, R., R. Pabst. 1994. Atlas de anatomía humana. Tomo II. Editorial Médica Panamericana S.A., Madrid. 399 p. [ Links ]
Vélez, Z.J.C. 2000. Informe anual de actividades. CENICAFÉ. Chinchiná, Colombia. [ Links ] ]]>