Design and virtual simulation of a lower-back exoskeleton for industrial applications

Work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) represent nowadays 39% of all the occupational diseases globally, with the injuries affecting the spinal column being 40% of the total. These disorders are associated with physically demanding working conditions, such as unnatural body postures to be held for extended periods of time and high forces to be exerted with a high frequency of repetition. The employment of the human workforce to heavy working tasks is, however, still necessary due to the impossibility of replacing the human dexterity and decision capability through complete automation of the processes. The development of wearable devices supporting the human operator during the execution of such tasks represents, therefore, one possible solution to the problem. However, the adoption of such devices in the industry is still in an early stage due to the discomfort and the limitation of the degrees of freedom of the body not directly supported by the exoskeletons often associated with their use. With these premises, this work presents the optimisation-based design process of a 3.53 kg hybrid lower-back exoskeleton for the support of the trunk flexion-extension motion during load lifting tasks. The exoskeleton features a soft harness connected to the waist and the thighs of the user, a waist module housing a Series Elastic Actuator, a shoulder module attached to the torso of the user, and a flexible beam connecting the waist and shoulder modules. The maximum theoretical assistive torque provided by the actuator is 100Nm, which is higher than the support provided by many commercially available active devices. The capability of the exoskeleton to support the spine by reducing the stress on the L5-S1 (i.e., lumbosacral) joint was tested through a virtual simulation performed in OpenSim environment based on experimentally acquired kinematic and kinetic data for squat and stoop lifting routines. The simulation results show a 26.38% reduction and a 15.94% reduction of the peak spine compression for the lifting of a 20 kg load, with stoop and squat motions respectively

I Disturbi Muscoloscletrici causati dal Lavoro (DMSL) costituiscono a tutt’oggi il 39% degli infortuni sul luogo di lavoro registrati su scala globale, con un 40% di casi riportati per i soli disturbi alla colonna vertebrale. Le cause di tali problemi sono da imputare a condizioni lavorative logoranti come il mantenimento di posture innaturali per lunghi periodi di tempo o l’applicazione ripetuta di forze elevate. L’impiego di operatori umani nell’ambito di lavori pesanti è tuttavia ancora necessario per via dell’impossibilità di sostituire la destrezza e la capacità decisionale umana con una completa automazione dei processi. Lo sviluppo di dispositivi indossabili miranti a supportare gli operatori durante l’esecuzione di lavori pesanti rappresenta una possibile soluzione al problema, ma l’impiego sul campo di tali dispositivi è ancora alle fasi iniziali a causa del disagio fisico spesso associato al loro utilizzo. Con queste premesse, il presente lavoro descrive il processo di design ottimizzato di un esoscheletro lombare ibrido dal peso di 3.53kg per il supporto del movimento di flesso-estensione del tronco durante operazioni di sollevamento di carichi, constante di un’imbracatura flessibile connessa alla vita e alle cosce dell’utente, un modulo pelvico ospitante un attuatore SEA, un modulo superiore connesso alle spalle dell’utente e una barra flessibile di collegamento tra il modulo pelvico e quello superiore. La coppia di supporto massima teorica fornita dall’attuatore è di 100Nm, superiore a quella di molti sistemi attivi presenti in commercio. La capacità dell’esoscheletro di supportare la colonna vertebrale riducendo lo stress di compressione sul giunto L5-S1 (i.e. lombosacrale) è stata testata con una simulazione virtuale eseguita in ambiente OpenSim sulla base di dati cinematici e cinetici relativi a routine di sollevamento di carichi in squat e con inclinazione del busto acquisiti durante una sessione sperimentale. I risultati della simulazione mostrano una riduzione della compressione massima della colonna vertebrale pari al 26.38% per la routine di sollevamento di un carico di 20kg con inclinazione del busto e pari al 15.94% per quella in squat.