Ergonomics of occupational exoskeletons: evolving design and assessment methodologies of physical attachments

Work related Muskoskeletal disorders undermine safety and wellness of workers and companies productivity. Annually, there is a growing impact of work related muskoskeletal disorders due to the ageing working class, that is more likely to develop a work related muskoskeletal disorders for working longer in physical wearing tasks (e.g. manual material handling, over-head assembly and un-ergonomic static postures). Ergonomics guidelines are a mitigation strategy to reduce the risk of injury and often results in limitations of weights or task frequencies. Industrial automation is a viable solution to address the problem and relieve the strain from the workers. However, unstructured workplaces, high costs, failsafe plans to ensure continuous availability of the services and social consequences do not encourage investing in high-level automation. Occupational wearable robots rise as a feasible alternative solution to address work related muskoskeletal disorders. Wearable assistive robots, or exoskeletons, can be regarded as a parallel kinematic chain secured to the biological kinematic chain (limbs and articulations) of the users. The scope of an exoskeleton is to unload biological joints from physical overload (or stress) resulting from repetitive and un-ergonomic tasks. Nevertheless, adoption from the end-users (workers) is low. A key factor to improve acceptability is to improve ergonomics of the wearable assistive robots designed for industrial tasks (hereinafter referred to as occupational exoskeletons). Exoskeletons’ ergonomic can be affected by these factors: (i) modalities of assistive force delivery, (ii) body segments where assistance is unloaded and (iii) hindrance to users’ movements. All these three effects are mostly part of the physical attachments’ domain. In this thesis, we refer as physical attachments to any cuffs, braces, garments or harnesses that secure exoskeletons to user’s limbs. The state-of-the-art physical attachments relies on design from orthotic devices, protective or sport equipment. However, those designs can fail to satisfy both freedom of movement and a secure fit on all movements. Therefore, occupational exoskeletons can not deliver assistance forces efficiently while permitting complete freedom of movement to their users. To this end, the overall aim of this thesis is to investigate the influence of physical attachment’s design on occupational exoskeletons physical ergonomics, as a matter of physical comfort and force transmission efficiency, through kinematic and kinetic simulations and experimental approach. Afterwards, some practical examples of the use of this tools in the design phase are presented. Indeed, in this thesis it is also presented the ergonomic design and realization of braces for XoTrunk, an occupational trunk support exoskeleton using a User-Centred Design approach to promote acceptance and, consequently, dropping the incidence of work related muskoskeletal disorders on the working population. The prototypes are of a paramount importance to experimentally assess the models developed and, then, to improve the design with the help of the assessd tools. In the end, to measure the users’ subjective comfort of the developed physical attachments, custom scales are presented with their experimental validation and their application with experiments on the fit of the exoskeleton. All the developed simulations and survey tools are tested on different prototypes of the attachments for a back-support exoskeleton in the scope of the sponsored project IIT-INAIL "Sistemi Cibernetici Collaborativi". Indeed, this project supports the further developments of active occupational exoskeletons to address the problem of work related muskoskeletal disorders at the lower-back and at the shoulders. In addition, this project supports pilot field application and collaboration with several stakeholders (i.e. RSPP, companies and employees) to promote exoskeletons as new tools for enhancing workers’ safety and wellness.

Gli infortuni sul luogo di lavoro, derivanti da problemi di ergonomia delle mansioni, si ripercuotono sull’apparato muscolo-scheletrico del lavoratore, diventando un problema di salute personale, danneggiando le capacitá produttive e organizzative dell’azienda. Negli anni il trend dell’impatto delle malattie muscoloscheletriche é destinato a crescere di pari passo con l’invecchiamento progressivo della forza lavoro, e della societá in generale. La progettazione ergonomica dei luoghi di lavoro, sotto forma di ausili meccanici o anche turnazioni, alle volte impone limiti alla frequenza di determinati movimenti e attivitá oppure pone dei limiti alle merci da maneggiare. D’altra parte, l’automazione industriale, sebbene risulti un valido strumento per sollevare un operatore umano da lavori usuranti e ripetitivi, richiede ingenti risorse temporali ( ad es. per riprogettare una linea), monetarie e incide sul impiego di risorse umane. Non ultimo, l’automazione potrebbe non essere una soluzione applicabile in determinati contesti che richiedono la necessitá di continuitá del servizio o dove é richiesta versatilitá. I dispositivi robotici indossabili, o esoscheletri, stanno emergendo come una soluzione che potrebbe aggiungere alla versatilitá nelle mansioni proprie di un essere umano, una assistenza fisica ai giunti piú sottoposti a stress biomeccanico, riducendo cosí il rischio di sviluppo di malattie all’apparato muscolo-scheletrico. Infatti, questi dispositivi sono dei robot che sono indossati dall’operatore e possono fornire coppia assistiva ai giunti biologici sotto sforzo (ad es. le spalle per un lavoro prolungato sopra la testa). Sebbene questi dispositivi promettano di risolvere il problema biomeccanico di uno sforzo muscolare prolungato, la loro adozione in azienda ancora stenta a crescere. Infatti, l’accettabilitá di un dispositivo del genere non é solo influenzata dalle sue funzionalitá, ma anche da altri fattori legati al campo dell’ergonomia. Ad esempio, l’ergonomia di un esoscheletro é influenzata anche da: (i) modalitá di assistenza, (ii) dove la forza assistiva é scaricata sul corpo e (iii) l’ingombro e l’intralcio al movimento offerto dal dispositivo. Questi ultimi tre aspetti sono tutti correlati alla sfera dei sistemi di fissaggio dell’esoscheletro. Per sistemi di fissaggio si intende imbrachi, cinture e fibbie, spallacci, bracciali e gambali. Purtroppo, i dispositivi indossabili allo stato dell’arte fanno utilizzo di sistemi di fissaggio che sono in genere ottimizzati per ortesi, protezioni per lo sport o per i lavori in quota. Sebbene alcune specifiche siano in comune, i dispositivi assistivi indossabili esercitano una azione sul corpo dell’utente che questi fissaggi non riescono a trasmettere; questo ha come risultato che l’utente sente discomfort e rischia abrasioni alla pelle o di non potersi muovere liberamente. Il lavoro presentato in questa tesi si prefigge l’obiettivo di modellare e valutare sperimentalmente quali siano le cause scatenanti di problemi ergonomici legati alla sfera di pertinenza dei sistemi di fissaggio. Il contributo teorico si focalizza su dei modelli cinematici e cinetostatici che simulano l’interazione tra corpo umano ed esoscheletro. Si presenterá una loro validazione sperimentale, limitazioni e il loro utilizzo nella fase di design. Infatti, verranno introdotti dei grafici su metriche di valutazione della destrezza di catene cinematiche applicate agli esoscheletri, per dare ai designers e ai ricercatori dati per milgiorarne il posizionamento, forma e capire il numero di gradi di libertá meccanici necessari. Infine, verranno presentati e argomentati i risultati di esperimenti soggettivi di valutazione del comfort fisico, su metriche personalizzate ( ad es. delle interviste strutturate) per i fissaggi degli esoscheletri. Si presenteranno anche le metodologie di sviluppo e validazione sperimentale della validitá di queste interviste. Tutti i contributi teorici sono stati resi possibili da una attivitá di prototipazione per tutta la durata del dottorato. In particolare, é stato utilizzato il metodo di User-Centred Design per guidare le attivitá di sviluppo dei prototipi dei sistemi di fissaggio per un esoscheletro motorizzato di assistenza alla schiena, chiamato XoTrunk. Durante queste attivitá é stato fondamentale l’apporto di opinioni e commenti da parte degli utenti finali, lavoratori di una azienda partner. Quest ultima ci ha permesso di svolgere delle attivitá di demo e sottoporre ad interviste esplorative i propri dipendenti, in modo da definire specifici requisiti per soddisfare le richieste di veri utenti finali del sistema. Tutti gli sviluppi sono stati possibili grazie ai finanziamenti congiunti di IIT e INAIL all’interno del progetto di ricerca "Sistemi Cibernetici Collaborativi", che ha anche dato la possibilitá di poter arruolare aziende partner per fare ricerca e sperimentazioni.