Directrices ergonómicas para el diseño de interfaces de módulos aditivos para sillas de ruedas manuales: plano sagital

May 17, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11993 (2023) Citar este artículo

Al diseñar sistemas de propulsión de sillas de ruedas accionados con el miembro superior, existe una notable falta de análisis ergonómicos que informen sobre las áreas del armazón de la silla de ruedas donde se pueden instalar controles manuales. Teniendo esto en cuenta, se fijó el objetivo de la investigación: medir las áreas de alcance de la mano humana dentro del área definida por los elementos estructurales de una silla de ruedas manual. Se realizó un análisis ergonómico en un grupo de diez pacientes que representaban el 50% de las dimensiones antropométricas. Para la medición se utilizó un software de captura de movimiento y análisis de imágenes basado en la biblioteca openCV. La investigación realizada dio como resultado el desarrollo de un mapa de la extensión de las manos en el plano lateral de la silla de ruedas, paralelo al plano sagital. Además, el mapa se dividió en tres zonas de alcance de la mano, teniendo en cuenta varios niveles de comodidad de manipulación de la mano. El área total de alcance de la mano era de 1269 mm de largo y 731 mm de alto, mientras que el área de manipulación más cómoda tenía 352 mm de largo y 649 mm de alto. Las áreas de alcance de las manos trazadas actúan como un mapa que informa al diseñador en qué parte del plano sagital se pueden instalar accesorios adicionales operados por el usuario.

La silla de ruedas, junto con el ser humano que la maneja, crea un sistema antropotécnico en el que la silla de ruedas reemplaza las funciones del cuerpo humano que están limitadas por la discapacidad, incluida la más importante, es decir, la capacidad de moverse. Para ello, la silla de ruedas está equipada con un sistema de propulsión eléctrico o manual. Dentro del grupo de los sistemas de propulsión manual, el más popular es el sistema de propulsión por empuje, impulsado por las extremidades superiores del usuario1,2,3. El diseño simple del accionamiento Pushrims se traduce en facilidad de uso al tiempo que aumenta el esfuerzo muscular. El diseño simple se traduce en un funcionamiento sin fallas y facilidad de uso, pero también en mucho esfuerzo, especialmente cuando se utiliza una silla de ruedas para subir una colina4,5 o cuando se desplaza en áreas no urbanas6.

El diseño simple y la versatilidad del sistema de propulsión manual lo hacen ampliamente utilizado. Los fabricantes de sillas de ruedas, para eliminar sus desventajas y aumentar la disponibilidad, introducen una serie de modificaciones que aumentan la eficiencia. Las modificaciones implican cambios en la estructura de los aros7, así como la adaptación de sillas de ruedas individuales con módulos adicionales que soporten el sistema de propulsión manual8,9. Los módulos adicionales instalados por los fabricantes suelen estar ubicados dentro de las ruedas traseras, en la superficie lateral del marco de la silla de ruedas y requieren un manejo adicional por parte del usuario. El sistema anti-retroceso, por ejemplo8 (Fig. 1), está montado cerca de la rueda trasera y la palanca de encendido/apagado (a) está ubicada en un lugar donde pueda chocar con la mano finalizando el ciclo de propulsión10,11 ,12.

Prototipo de sistema anti-retroceso montado en silla de ruedas con propulsión pushrim con la posición de la palanca de control marcada (a).

Otros problemas ocurren al usar el módulo FreeWheel (Fig. 2). Se monta en la parte delantera de la silla de ruedas, por lo que no choca con la mano que empuja el aro de empuje. Sin embargo, debido a la ubicación del módulo, el baúl del usuario debe estar doblado para su funcionamiento. Para algunos usuarios de sillas de ruedas, esto es imposible debido a la falta de estabilización del tronco resultante de la parálisis de la espalda y los músculos abdominales.

Módulo de rueda adicional FreeWheel distribuido por Spokz.

Al analizar el mercado de módulos adicionales, se encontró que, dependiendo de la función desempeñada, se montan en diferentes lugares del marco de la silla de ruedas. Muy a menudo, su ubicación está muy cerca de los elementos giratorios y empujados manualmente del sistema de propulsión. Además, los módulos montados en sillas de ruedas requieren una manipulación que involucra cadenas cinemáticas del cuerpo humano de diversas longitudes13 que, en casos extremos, pueden provocar la pérdida de su estabilidad debido a la falta de estabilización del asiento de la silla de ruedas14. Debido a lo anterior, se determinó que al diseñar módulos adicionales se deben tener en cuenta aspectos ergonómicos15. Esto es muy importante ya que uno de los criterios para la movilidad de una silla de ruedas es su adaptación a las características físicas del usuario16. Actualmente, los atlas antropométricos17 se utilizan habitualmente en la fase de diseño. Sin embargo, se nota una falta de criterios que determinen la comodidad del uso de dispositivos técnicos en función de la longitud de la cadena cinemática del cuerpo humano utilizada para su funcionamiento. La única investigación disponible sobre la comodidad de uso se ocupa del análisis de la influencia de la posición del asiento en relación con la propulsión de empuje sobre la comodidad de conducir una silla de ruedas18. Además, hay una notable falta de investigaciones que vinculen el alcance de las extremidades superiores con la posición del cuerpo en la silla de ruedas y las características geométricas del armazón de la silla de ruedas. Entre los trabajos disponibles, se encuentran estudios que describen el impacto de la configuración de la silla de ruedas en su movilidad19 o estudios que analizan el tipo y la frecuencia de las actividades realizadas en silla de ruedas20.

En relación con las consideraciones anteriores, se fijó un objetivo de investigación. El objetivo fue medir las áreas al alcance de la mano humana dentro de los elementos estructurales de la silla de ruedas manual utilizados para acoplar accesorios que aumentan la funcionalidad de la silla de ruedas. La premisa para realizar la investigación fue la hipótesis de designar varias zonas en las que se pueden colocar accesorios adicionales para sillas de ruedas. Cada una de estas zonas utilizará la cadena cinemática del cuerpo humano de diferentes longitudes. El beneficio de los resultados obtenidos es la preparación de pautas para los diseñadores de sillas de ruedas, informando sobre dónde colocar la interfaz de control de módulos adicionales y en qué zonas se debe simplificar la operación manual de la interfaz de control.

Las pruebas de investigación se llevaron a cabo en condiciones reales de uso de silla de ruedas. Para el estudio se utilizó una silla de ruedas Vermeiren v300 semiactiva equipada con un sistema de registro de la posición de las manos (Fig. 3). El análisis del rango de la mano se limitó a la observación del marcador colocado en el guante (Fig. 3d). El sistema de medición utilizado consistió en una cámara GoPro HERO 7 (Fig. 3a) y una lámpara iluminadora (Fig. 3b) montada en el brazo (Fig. 3c) fijada permanentemente al marco de la silla de ruedas. La cámara graba la imagen en calidad de 960p con una velocidad de 240 fps. La lámpara de iluminación emitía entre 200 y 1.000 lm, dependiendo de la intensidad de la luz ambiental. Se utilizaron códigos AruCo como marcadores21, impresos en placas de 50 × 50 mm.

La silla de ruedas y el equipo de medición utilizados durante la investigación: (a) cámara, (b) luz iluminadora, (c) brazo, (d) marcador AruCo.

El procedimiento de investigación incluyó la medición de la posición del marcador colocado en la mano del paciente (ID1) en relación al marcador estacionario ubicado en el eje de rotación de la rueda trasera de la silla de ruedas (ID0) (Fig. 4). Para la medición de captura de movimiento se utilizó un software propietario que utiliza procesamiento de imágenes de marcadores AruCo utilizando bibliotecas OpenCV que permiten determinar su ubicación en el espacio con respecto al marcador ID0 inmóvil. Cabe señalar que se pueden utilizar otros métodos para capturar el movimiento, por ejemplo, utilizando sensores RGB-D22. Las mediciones se realizaron en el plano sagital23, que es paralelo al plano del dato XY supuesto. Este enfoque está en consonancia con el modelo de accionamiento de silla de ruedas bidimensional ya desarrollado24.

Diagrama del cuerpo humano con la cadena cinemática marcada incluida en la prueba (a) y del paciente en silla de ruedas con la ubicación de los marcadores registrados (b), donde: marcador ID1 colocado en la mano, marcador de referencia ID0, segmento de tronco TR , segmento de brazo AR, segmento de antebrazo FA.

El procedimiento de investigación incluye la determinación de cuatro áreas de manipulación manual con el uso de medición de captura de movimiento (Fig. 5). Cada área fue designada como la media de las tres pruebas de medición realizadas por cada uno de los diez pacientes.

La primera área llamada área de propulsión (AoP) define la posición de la mano mientras se impulsa la silla de ruedas (medida en condiciones reales durante el impulso de la silla de ruedas).

La segunda área denominada área de confort (AoC) definía el libre movimiento de la cadena cinemática formada por el antebrazo (FA), mientras que el brazo (AR) estaba estacionario y dirigido hacia abajo paralelo al tronco (TR) (medido en condiciones casi estáticas). condiciones).

La tercera zona denominada zona de aprobación (AoA) definía el libre movimiento de la cadena cinemática formada por el antebrazo (FA) y el brazo (AR), manteniendo el tronco (TR) estacionario contra el respaldo de la silla de ruedas (medido bajo condiciones casi estáticas).

La cuarta zona denominada área de riesgo (AoR) definía el libre movimiento de la cadena cinemática formada por el antebrazo (FA), el brazo (AR) y el tronco (TR), manteniendo la cadera inmóvil sobre el asiento (medida bajo condiciones casi estáticas).

Diagrama de la longitud de la cadena cinemática del cuerpo humano al conducir una silla de ruedas (AoP) (a), durante la manipulación del miembro superior en la zona de confort (AoC) (b), durante la manipulación del miembro superior en la zona de aprobación (AoA) (c) y durante la manipulación del miembro superior en la zona de riesgo (AoR) (d). Donde: marcador observado ID1, antebrazo FA, brazo AR, tronco TR.

La segmentación del cuerpo humano utilizada en el estudio cumple con los estándares biomecánicos aceptados25,26, y la ubicación adoptada del marcador ID1 en la mano cumple con las directrices antropométricas16,27.

Diez pacientes participaron en las pruebas (Tabla 1) y fueron subdivididos por altura, peso, edad y experiencia en silla de ruedas. La experiencia se determinó en función de la antigüedad en el uso de la silla de ruedas. Los pacientes que participaron en las pruebas reflejaron el percentil 50 de las dimensiones antropométricas según la norma europea "Lista básica de definiciones de dimensiones del cuerpo humano para el diseño técnico" (EN 979). El criterio decisivo para la participación del paciente en el estudio fueron sus dimensiones antropométricas. Se hicieron esfuerzos para seleccionar el grupo de medición de modo que representara el mismo percentil (percentil 50) de dimensiones antropométricas. Además, se prestó atención a la edad similar del usuario y a su condición física. Esto nos permitió suponer que sus rangos de deflexiones de juntas límite son similares. Los protocolos de investigación y experimentales han sido evaluados positivamente por la Comisión de Bioética de la Universidad Médica Karol Marcinkowski en Poznań, Polonia, Resolución No. 1100/16 del 10 de noviembre de 2016, bajo la dirección del Prof. MD P. Chęciński para el equipo de investigación dirigido por Wieczorek. B. Los autores obtuvieron el consentimiento informado por escrito de la persona examinada para la publicación de los resultados de la investigación con su participación. Los datos se presentaron de tal manera que se garantizara su completo anonimato. El método de medición y la adquisición de datos se llevaron a cabo de acuerdo con las directivas de la Comisión de Bioética de la Universidad Médica Karol Marcinkowski en Poznań, Polonia, que están en línea con las directrices Declaraciones de Helsinki.

El algoritmo de procesamiento de datos utilizado para definir las áreas de manipulación manual por parte del usuario de silla de ruedas manual en el plano sagital implicó cinco pasos (Fig. 6). En el primer paso (Fig. 6a), la imagen grabada con la cámara se convirtió en un conjunto de puntos definidos por dos coordenadas, horizontal "x" y vertical "y". Para ello se utilizó software propietario basado en la biblioteca OpenCV28. El software reconoció la posición del marcador ID1 con respecto al marcador ID0. Luego, utilizando el algoritmo de forma alfa29,30, se determinó una nube de circuito cerrado designada (Fig. 6b). Cuando se utiliza el algoritmo, el coeficiente alfa osciló entre 0,7 y 0,9, dependiendo de la densidad de la nube de puntos obtenida. Debido a que después de usar el algoritmo de forma alfa, cada bucle constaba de un número diferente de puntos, fue necesario uniformar su número. Por lo tanto, utilizando el software Rihnoceros 3D, cada bucle se convirtió para que se describiera con cientos de puntos jPi. Donde "j" es el índice del bucle considerado y "i" es el índice del punto considerado en el bucle (Fig. 6c). Para esta actividad se utilizó el software Rhinoceros con módulo Grasshopper. El siguiente paso fue buscar todos los bucles de puntos designados entre los cuales la distancia era la más corta. Utilizando los puntos así determinados, se calculó el punto medio \({\overline{\text{P}}}\)i, que definió el contorno promediado del área analizada (Fig. 6d). La última etapa fue trazar las áreas promediadas definidas en un gráfico común (Fig. 6e).

Procedimiento de algoritmo de procesamiento de datos a partir de la medición de captura de movimiento, donde (a) nube de puntos analizados, (b) contorno de puntos generado por el algoritmo de forma alfa, (c) un esquema para determinar los puntos del contorno promedio, (d) esquema para determinar el contorno promedio con puntos de formación marcados, (e) un ejemplo de áreas de rango de palma determinadas sobre la base de sumas y diferencias de contornos de rango de palma promedio determinados, eje horizontal x, eje vertical y, P el punto ubicado en el bucle que describe el área de nube de puntos, índice j para numerar los bucles analizados, índice i para numerar los puntos en el bucle, \({\overline{\text{P}}}\) el punto en el bucle promediado que describe el rango de manos, AoP el área de presencia, AoC el área de comodidad, AoA el área de aprobación, AoR el área de riesgo.

Al inicio del análisis ergonómico, se determinaron los rasgos geométricos característicos del sistema antropotécnico considerado entre el hombre y la silla de ruedas (Fig. 7) (Tabla 2). Las características geométricas que definen la posible dirección de extensión y modificación de la silla de ruedas están definidas por el nivel inferior del bastidor (FDL), el nivel superior del bastidor (FUL) y el nivel de los reposabrazos (ARL). Los niveles que definen la posición del cuerpo humano en la silla de ruedas se describen mediante el nivel del asiento (SL), el ángulo vertical del respaldo del asiento (SBV), el área de giro de la rueda trasera (WB) y la altura de los hombros (SH). En esta comparación, el nivel del hombro es la única dimensión antropométrica determinada experimentalmente, por lo tanto se determinó el intervalo de confianza (SHMIN y SHMAX) para la muestra de medición N = 10 y el nivel de confianza p = 0,05.

Diagrama de características geométricas en el plano sagital del sistema humano-silla de ruedas analizado. Donde: SH nivel de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMIN nivel mínimo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMAX nivel máximo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SBV respaldo del asiento vertical ángulo, nivel del asiento SL, altura de los reposabrazos ARL, FUL la altura de la parte superior del bastidor de la silla de ruedas, FDL la altura de la parte inferior del bastidor de la silla de ruedas, WB el contorno de la rueda trasera.

Las características geométricas SBV y SL definen la posición del asiento con respecto al eje de rotación de la rueda motriz. A menudo son seleccionados individualmente por cada usuario1,31. Por tanto, en el modelo ergonómico adoptado, pueden modificarse libremente. Sin embargo, al modificar las características (en relación con los datos proporcionados en la Tabla 2), las áreas designadas de alcance de la mano de una persona sentada en una silla de ruedas deben desplazarse adecuadamente vertical y horizontalmente. Estos cambios deberán ser los mismos que los cambios en la posición del asiento en relación con los datos adoptados en el trabajo. Para determinar las características geométricas FDL, FUL y ARL que definen las dimensiones del armazón de la silla de ruedas, se utilizaron las dimensiones del armazón de una silla de ruedas semiactiva popular en Europa. Estas características también se pueden cambiar libremente según el tipo de silla de ruedas adoptado.

Una vez definidas las características geométricas permanentes del hombre y de la silla de ruedas, se determinaron las áreas de alcance de la mano de la persona sentada en la silla de ruedas (Fig. 8). Estos rangos se determinaron subdividiéndolos en cuatro áreas. Las áreas designadas son el valor promedio de 30 pruebas (N = 30) para las cuales se determinó el intervalo de confianza para el nivel de confianza del 95% (p = 0,05). Los materiales adicionales (Tabla complementaria 1-4, Figura complementaria 1-4) contienen un conjunto completo de 100 puntos que describen cada área. Además, se determinaron cuatro puntos de control para cada una de las áreas (Cuadro 3). Los puntos ilustran la altura y el ancho de cada campo y sirven como puntos de control que pueden usarse para cambiar áreas en el plano sagital al analizar tipos de sillas de ruedas distintos de los utilizados en las pruebas.

Llegar a zonas de una mano humana sentada en silla de ruedas en función de la movilidad de la cadena cinemática analizada. Donde: SH nivel de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMIN nivel mínimo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMAX nivel máximo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SBV ángulo vertical del respaldo , nivel del asiento SL, puntos de control A1–A4 que definen los contornos de las áreas designadas, AoC el área de confort, δAoC desviación de dimensión para el área de confort, AoA el área de aprobación, δAoA desviación de dimensión para el área de confort, AoR el área de riesgo, δAoR desviación de dimensión para el área de riesgo, AoP el área de propulsión, δAoP desviación de dimensión para el área de propulsión.

Para interpretar los resultados obtenidos, se calcularon las longitudes de los intervalos de confianza para los puntos de control adoptados Δ (Ec. 1).

Al analizar los resultados, se encontró que AoR es el área más grande de manipulación manual. Esta superficie tiene 1269 mm de largo y 731 mm de alto. Sin embargo, los mayores valores del intervalo de confianza Δ se midieron para el área ubicada entre los valores extremos de los puntos de control. Estas distancias fueron en promedio 258 mm. A modo de comparación, los valores de distancia promedio Δ para las áreas AoA y AoC fueron 140 mm y 98 mm, respectivamente. El fenómeno de tales diferencias en las longitudes de los intervalos de confianza en áreas individuales es el efecto de un número diferente de segmentos corporales de cadenas cinemáticas32,33 utilizados durante su determinación. En el caso del área AoR, diferencias significativas entre el valor medio del área y sus dimensiones teniendo en cuenta el intervalo de confianza resultan de la participación del tronco en la cadena cinemática utilizada. Cada paciente evaluado tenía diferente movilidad del tronco, por lo que se examinaron las mayores diferencias en el alcance de la mano34. En consecuencia, el AoR ha sido clasificado como ergonómicamente riesgoso para instalar la interfaz accesoria de la silla de ruedas manual. El riesgo ergonómico de instalar la interfaz en esta zona resulta de la imposibilidad de determinar claramente las inclinaciones límite del tronco en las que el usuario no corre riesgo de caerse de la silla de ruedas. Las diferencias en el ángulo del tronco entre pacientes individuales se deben no sólo a las capacidades físicas35 sino también a los accesorios de la silla de ruedas, como los cinturones de seguridad36.

La zona AoA en la que el maletero descansaba sobre el asiento tenía 1.009 mm de longitud y 553 mm de altura, por lo que las dimensiones eran ligeramente más pequeñas que las de la zona AoR. Sin embargo, en este caso, se observaron longitudes Δ mucho más cortas entre las posiciones extremas de los puntos de control y los puntos de control teniendo en cuenta el intervalo de confianza. Esto se traduce en una mayor precisión a la hora de definir el alcance de la mano. Además, una persona con discapacidad física mediante una cadena cinemática formada únicamente por el brazo y el antebrazo consigue estabilizar el tronco. Como resultado, se minimiza el riesgo de caída al inclinar el tronco37.

El área de AoC se ha definido como la más cómoda porque involucra la cadena cinemática más corta que incluye solo el antebrazo. Como resultado, la persona que utiliza la silla de ruedas es la que realiza el menor esfuerzo físico38. A pesar de estas ventajas, esta zona era la de menor superficie. Su longitud era de 352 mm y su altura de 649 mm.

El último AoP examinado describía el área de manipulación de la mano mientras se impulsaba la silla de ruedas. Esta zona define el lugar que debe estar libre de accesorios adicionales y debe permitir al usuario manipularlo libremente mientras impulsa la silla de ruedas. La dispersión Δ de longitud más pequeña se observó para el área de AoP entre las posiciones extremas de los puntos de control y los puntos de control considerando el intervalo de confianza. La longitud del área AoP fue de 412 mm y su altura fue de 245 mm. Cabe señalar que el área designada de AoP coincide con las trayectorias de movimiento de la mano que empuja el aro38,39,40.

Según el supuesto metodológico, se superpusieron las características geométricas permanentes definidas del cuerpo humano y de la silla de ruedas, así como las áreas medidas de alcance de la mano. Como resultado, se obtuvieron tres áreas de alcance de la mano dentro del borde inferior del marco y el reposabrazos de la silla de ruedas (Fig. 9). Para implementar los resultados en problemas de diseño, estas áreas se definieron utilizando un conjunto de puntos que permitieron su trazado aproximado (Tabla 4).

Zonas de alcance de la mano, teniendo en cuenta las características geométricas de la silla de ruedas. Donde: SH nivel de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMIN nivel mínimo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SHMAX nivel máximo de hombros para el tronco apoyado en el respaldo de la silla de ruedas, SBV respaldo del asiento vertical ángulo, nivel del asiento SL, altura de los reposabrazos ARL, FUL la altura de la parte superior del armazón de la silla de ruedas, FDL la altura de la parte inferior del armazón de la silla de ruedas, AoC el área de confort, AoA el área de aprobación, AoR el área de riesgo.

Las áreas designadas ilustran las tres zonas de confort para la manipulación de las manos, ubicadas dentro de tres niveles definidos por las características geométricas de la silla de ruedas. El área entre los niveles FUL y FDL ilustra los lugares del armazón de la silla de ruedas que no cambian su posición en relación con la rueda motriz. El área entre los niveles ARL y FUL es donde se encuentran los reposabrazos. Esta zona se separó porque durante el uso de la silla de ruedas (por ejemplo, para desmontar41) éstas se desmontan. Por tanto, a la hora de planificar la instalación de accesorios adicionales sobre estos elementos, se debe tener en cuenta la necesidad de su desmontaje ocasional. La resta realizada de las áreas previamente determinadas mostró que el AoC más cómodo en términos de seguridad y reducción de esfuerzo se reduce significativamente por el área reservada para la rueca WB (Fig. 7) y el área en la que se encuentra la mano que empuja el aro ( AOP). Después de considerar estas áreas, el área de AoC tiene 194 mm de ancho y 227 mm de alto.

El principal determinante de la forma de las zonas desarrolladas (Fig. 9) es la longitud del tronco, brazo y antebrazo. Al comparar los resultados obtenidos se observó una similitud con los datos disponibles en los atlas antropométricos. Un ejemplo de esto es el punto 2 (Tabla 4, Fig. 9) en el que el torso estaba apoyado contra el respaldo (SBV) y el miembro superior estaba enderezado y en una posición cercana a la horizontal. Para tal sistema, el valor en el eje x que representa la longitud del brazo y el antebrazo es 753 mm, este valor coincide con los datos de los atlas antropométricos. Según el cual la longitud del miembro superior medida desde el eje de rotación de la articulación del hombro hasta el centro del puño cerrado es de 783 mm41, 765 mm42 y 743 mm43 para un percentil 50 masculino. La misma relación se puede observar para el punto 4, para el cual el torso se apoyó con el antebrazo horizontalmente colocado en un ángulo de 90 grados con respecto al brazo. Para esta configuración, teniendo en cuenta el desplazamiento del respaldo de la silla de ruedas (SVB), se midió el valor x (correspondiente aproximadamente a la longitud del antebrazo), que es de 441 mm. A modo de comparación, un atlas antropométrico42 indica que la longitud del antebrazo de un hombre del percentil 50 es de 472 mm. La alta convergencia de los resultados que describen las dimensiones antropométricas medidas durante el experimento con los resultados publicados en los atlas antropométricos confirma la exactitud y la referencia a la realidad de las áreas desarrolladas al alcance de la mano. Además, al analizar los datos de la literatura disponible, se observó una convergencia de la longitud del miembro superior medida en el artículo con los datos utilizados como datos de entrada en otras publicaciones. Un ejemplo puede ser una publicación que aborda el problema de desarrollar un modelo musculoesquelético escalable44 en la que el paciente correspondiente al percentil 50 de las dimensiones antropométricas tenía un miembro superior de 784 mm de largo, lo que supone una diferencia de 31 mm respecto a los resultados obtenidos en el estudio. .

Haciendo referencia a las limitaciones verticales y horizontales marcadas en la Fig. 9: FDL, FUL, ARL, SL, SH y SVB y su ubicación en el espacio, cabe señalar que se trata de valores constantes que no dependen de la posición del cuerpo humano. , únicamente en las características de diseño de la silla de ruedas. Resultan de las características geométricas de la estructura de la silla de ruedas utilizada. Estos son datos reducidos disponibles que se pueden descargar del sitio web del fabricante de la silla de ruedas probada. Además, estos datos están disponibles en el manual de instrucciones suministrado con la silla de ruedas. Este enfoque hace que los resultados sean válidos para el grupo de sillas de ruedas semiactivas con estructura transversal. Esto introduce una cierta limitación e inconsistencia del mapa desarrollado en la Fig. 9 con sillas de ruedas del grupo de sillas de ruedas activas con marco fijo. Sin embargo, para estas sillas de ruedas, es posible implementar áreas designadas para el alcance de las manos que no tengan en cuenta las características de diseño de la silla de ruedas (Fig. 8, Tabla 3).

Las áreas AoC, AoA y AoR trazadas (Fig. 9) se pueden utilizar como un mapa que informa al diseñador en qué lugar del plano sagital se pueden instalar accesorios adicionales operados por la extremidad superior del usuario. Los autores propusieron una subdivisión en tres áreas, dependiendo del alcance de la cadena cinemática utilizada. La zona de AoC fue catalogada como la más cómoda porque el movimiento de la mano dentro de ella se traduce en el menor esfuerzo. El área AoR ilustró los límites del alcance de las manos de un hombre sentado en una silla de ruedas. La zona fue clasificada como la menos cómoda porque la manipulación dentro de sus límites puede aumentar el esfuerzo y el riesgo de caerse de la silla de ruedas. La clasificación de áreas presentada en el trabajo confirma la hipótesis de la investigación sobre la posibilidad de dividir el alcance de la mano en diferentes áreas donde el funcionamiento de la interfaz requiere diferentes longitudes de la cadena cinemática.

Utilizando el análisis ergonómico desarrollado, el diseñador puede diseñar accesorios adicionales en la estructura de la silla de ruedas. Los accesorios deben disponerse según la frecuencia de funcionamiento y la complejidad de las manipulaciones realizadas con la mano. Las áreas separadas son útiles a la hora de organizar los accesorios. Los accesorios que se utilizan con frecuencia o que requieren el uso de mayor fuerza física deben ubicarse dentro de las áreas AoC o AoA. Mientras que los accesorios que se utilizan esporádicamente o que no requieren el uso de fuerza significativa pueden estar ubicados dentro del área de AoR.

Al determinar los contornos del área de AoR y AoE, no se pidió a los pacientes que elevaran el antebrazo verticalmente hacia arriba porque las áreas de alcance de la mano determinadas se extienden mucho más allá de los niveles designados de las características geométricas de la silla de ruedas. Esta limitación de todo el rango de movimiento de las extremidades no afectó el objetivo de la investigación y nos permitió acercar la distancia focal de la cámara al objeto probado. El zoom en la distancia focal aumentó la precisión de la medición.

Las investigaciones realizadas complementan las deficiencias en las medidas antropométricas, la mayoría de las cuales se centran en el alcance de la mano de una persona en buena forma física. Además, los análisis ergonómicos disponibles actualmente son de naturaleza genérica y requieren un procesamiento adicional para su implementación en el proceso de diseño de sillas de ruedas. El mapa desarrollado de los rangos de movimiento de las manos durante la manipulación dentro del marco de la silla de ruedas es equivalente a los análisis disponibles de la geometría del lugar de trabajo humano45 que actualmente constituyen la base para el desarrollo de estándares que certifican oficinas, escuelas, etc.

Los resultados presentados en el estudio muestran sólo las áreas que se encuentran en el plano sagital. Se eligió este avión debido a que la mayoría de los accesorios adicionales, como el freno de mano, están montados en este avión. En futuros trabajos, los autores planean examinar el área de alcance de la mano en los planos delantero y trasero de la silla de ruedas, paralelo al plano de la cabeza.

Al subdividir las áreas de alcance de la mano, se utilizó una clasificación basada únicamente en la longitud de la cadena cinemática. Por lo tanto, en análisis ergonómicos adicionales, es posible vincular la posición de la mano con la medición de la señal EMG que mide la actividad muscular. Esto permitirá una nueva subdivisión del alcance de la mano en áreas según las diferentes actividades musculares.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Poznan, calle Piotrowo 3, 424 BM, 61-139, Poznan, Polonia

Bartosz Wieczorek, Mateusz Kukla y Łukasz Warguła

Facultad de Arquitectura, Universidad Tecnológica de Poznan, Poznan, Polonia

Marcin Giedrowicz

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Conceptualización, BW; metodología, BW; software, blanco y negro; validación, BW, MK y Ł.W.; análisis formal, BW; investigación, BW; recursos, BW, MG; curación de datos, BW, MK y Ł.W.; escritura: preparación del borrador original, BW; redacción: revisión y edición, BW; visualización, BW, GW; supervisión, BW; administración de proyectos, BW; adquisición de financiación, BW Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Bartosz Wieczorek.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wieczorek, B., Kukla, M., Warguła, Ł. et al. Directrices ergonómicas para el diseño de interfaces de módulos aditivos para sillas de ruedas manuales: plano sagital. Informe científico 13, 11993 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39085-7

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Recibido: 15 de marzo de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 25 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39085-7

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