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10º Congreso Internacional de Prevención de Riesgos Laborales (ORP 2012)
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Implementación de la herramienta
software “BiomSoft 2.0” para el análisis biomecánico del movimiento humano en el ámbito ocupacional: aplicación en el
diseño de escaleras.
Gianikellis, Kostas
Laboratorio de Biomecánica del Movimiento Humano y Ergonomía.
Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Extremadura.
Campus Universitario, Cáceres. España
+34 92 725 74 60 / [email protected]
Skiadopoulos, Andreas
Laboratorio de Biomecánica del Movimiento Humano y Ergonomía.
Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Extremadura.
Campus Universitario, Cáceres. España
+34 92 725 74 60 / [email protected]
Collado Méndez, Pablo J.
Laboratorio de Biomecánica del Movimiento Humano y Ergonomía.
Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Extremadura.
Campus Universitario, Cáceres. España
+34 92 725 74 60 / [email protected]
Paredes Sánchez, Rubén Isaac
Ingeniero Industrial,
CATELSA-Cáceres-SA
+34 68 751 65 08 / [email protected]
ABSTRACT
Los usuarios de escaleras se enfrentan diariamente a posibles caídas. Se estima
que en Inglaterra, en 1995, se produjeron cerca de 230.000 lesiones y 400 muertos
debido a las caídas por escaleras. Dado que al diseñar una escalera la normativa
vigente no tiene en cuenta la variabilidad humana como factor de diseño, se
propone utilizar criterios ergonómicos para el mismo, considerando como factor
importante el nivel de control neuromuscular de los usuarios. En este sentido, se ha
analizado la influencia que ejerce la altura de la tabica sobre el nivel de control
neuromuscular, en función de las solicitaciones mecánicas que se desarrollan en las
articulaciones del miembro inferior. La generación de la información va a contribuir
a establecer pautas en el diseño de las escaleras respecto a sus dimensiones, y así
prevenir posibles caídas y mejorar la accesibilidad, especialmente para personas
con discapacidad o con movilidad reducida.
Palabras clave
Ergonomía, biomecánica, diseño de escaleras, análisis dinámico inverso
INTRODUCCIÓN
Una escalera es un medio de acceso a niveles de diferentes alturas, que permite a
los usuarios de diferentes características morfológicas y funcionales, ascender y
descender en cualquier ámbito laboral, doméstico o educacional. Sin embargo,
actualmente no existe ningún procedimiento metodológico en el diseño de las
escaleras que permite establecer la altura del escalón de acuerdo con las
capacidades neuromusculares del usuario. En este sentido, es de gran utilidad
poder medir objetivamente las solicitaciones mecánicas que se desarrollan en las
articulaciones del tren inferior durante la subida o bajada de la escalera y sus
variaciones según las diferentes alturas del escalón que establecen las normativas
vigentes, o la graduación necesaria de la altura del escalón según el progreso del
paciente en un proceso rehabilitador. Así, el objetivo de este trabajo es utilizar la
metodología de la biomecánica para el diseño de escaleras midiendo las fuerzas
externas de amortiguación y rozamiento y las solicitaciones mecánicas
desarrolladas en las articulaciones del miembro inferior de los usuarios.
METODOLOGÍA
Se ha simulado en el laboratorio la subida y bajada de una escalera con la altura de
la tabica en 15 cm (Figura 1). Los ensayos de la subida y bajada de escaleras se
han realizado utilizando un equipo de fotogrametría–vídeo tridimensional (Kinescan,
IBV) con dos cámaras S-VHS, con una frecuencia de muestreo de 50 Hz que
permitió registrar la posición espacial de los marcadores anatómicos asociados al
cuerpo en función de un modelo mecánico previamente establecido. El modelo
mecánico empleado se define por 15 marcadores anatómicos (derecho e izquierdo:
talón, maléolo lateral, tubérculo tibial, epicóndilo femoral, trocánter mayor, ASIS,
sacro). Para la reconstrucción de las coordenadas tridimensionales de los puntos
digitalizados a partir de las imágenes grabadas por las dos cámaras se usó el
algoritmo de transformada lineal directa (Abdel-Aziz & Karara, 1971). Se
registraron las fuerzas de reacción y los centros de presión mediante dos
plataformas de fuerzas extensométricas (Dinascan 600M, IBV) con una frecuencia
de 200 Hz. El error estimado, con respecto al registro de las componentes de la
fuerza de reacción es inferior al 2%. El “suavizado” de los datos cinematicos y
cineticos se hizo utilizando funciones “spline” de quinto orden (Woltring, 1986). Las
coordenadas tridimensionales obtenidas por la fotogrametría tridimensional, los
datos dinámicos (fuerzas de reacción, centro de presión) y los parámetros
inerciales de los segmentos corporales obtenidos utilizando el modelo
antropométrico de Vaughan (1992) se utilizan como entrada en el paquete
informático “BiomSoft 2.0” desarrollado por el Laboratorio de Biomecánica del
Movimiento humano y de Ergonomía donde se realiza el análisis dinámico inverso
[1-3].
Figura 1. Modelo mecánico utilizado y proceso de experimentación en el laboratorio.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos permiten conocer el efecto de la altura de la tabica en las
fuerzas de reacción (Figura 1) y el nivel de las cargas mecánicas que se desarrollan
en las articulaciones de las extremidades inferiores durante el ascenso y descenso
de las escaleras (Figura 2).
Figura 1. Representación gráfica de las fuerza de reacción (Fx: componente medio-lateral, Fy: componente antero-posterior, Fz: componente vertical) durante el ascenso y descenso de las escaleras respectivamente.
Figura 2. Simulación en el paquete “BiomSoft 2.0” de la geometría del movimiento durante el ascenso de la escalera y representación gráfica del momento muscular neto de flexión-extensión desarrollado respecto a la articulación de la rodilla izquierda.
DISCUSIÓN
El objetivo del presente estudio ha sido analizar y caracterizar el ascenso y
descenso de escaleras a través de las solicitaciones mecánicas desarrolladas en las
articulaciones del tren inferior realizando análisis dinámico inverso con el software
“BiomSoft 2.0” y las fuerzas de reacción desarrolladas entre la superficie y el pie
[4-6]. A pesar de la existencia de estudios relacionados con la marcha humana en
escaleras, existe un enorme vacío en la aplicación de estos conocimientos al campo
del diseño. En este sentido, la generación de la información va a contribuir a
establecer pautas en el diseño de las escaleras respecto a sus dimensiones, y así
prevenir posibles caídas y mejorar la accesibilidad, especialmente para personas
con discapacidad o con movilidad reducida.
Al analizar las curvas obtenidas por las plataformas de fuerza (curvas Fuerza-
tiempo), y compararlas con las de la marcha, se puede apreciar que existe una leve
variación durante la fase de ascenso, en cambio en la fase de descenso dicha
variación es mucho mayor, produciéndose los picos de fuerzas más altos, sobre
todo en las fuerzas máximas de impacto. Esta diferencia se ve incrementada con la
altura de la contrahuella, a más altura mayores son las fuerzas de impacto en la
fase de descenso. Desde el punto de vista del diseñador, esta diferencia entre los
patrones de subida y bajada por las escaleras, puede dar a pensar que es necesario
el diseño de distintas escaleras para la subida y para la bajada, ya que como se ha
podido observar existen parámetros que en la fase de ascenso aumentan al
aumentar la altura del escalón, mientras que en la fase de descenso disminuyen, y
viceversa. En este sentido, el análisis dinámico inverso permite el cálculo de las
cargas mecánicas en las articulaciones del tren inferior en las distintas fases de la
subida y bajada y la influencia de la altura de la tabica en ellas.
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto ha sido financiado por el
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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3. Gianikellis, K.; Pantrigo, J.J.; Tena, J.A. (2003). Diseño y desarrollo del paquete
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5. Winter, D.A., Biomechanics. Motor Control Human Movement.
6. Winter, D.A., 1991. The Biomechanics and Motor Control of Human Gait:
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