Exoskeleton performance evaluation on real task assessment: muscular and dynamic analysis

Occupational exoskeletons are becoming a concrete solution to mitigate work-related musculoskeletal disorders associated with manual material handling activities. This study aims to give evidence of a lower-back assistive exoskeleton’s effectiveness in mitigating ergonomic risk. The exoskeleton used contributes to the extension of the back, thereby reducing the musculoskeletal loading on the lumbar spine associated with injuries. In particular, this project evaluates the muscular activity of the muscles mainly involved during lifting, lowering, and carrying which are the main activities carried out in the workplace. Within this study it was possible to simulate, in a controlled laboratory setting, some of the activities that come closest to the scenarios observed in real working environments. Therefore, a dynamic task characterized by the activities of lifting, carrying, and lowering is chosen to be analyzed. As part of this research, laboratory experiments with 10 healthy male subjects replicate the manual material handling tasks. The analysis of the data, collected during the experiments, involves a comparison of the muscular activity detected during the execution of a task performed with and without the assistance of the exoskeleton. As a result, it was possible to quantify the physical benefit of the exoskeleton in terms of muscle activity reduction, in particular at the lumbar level, and to associate it with the reduction of compressive forces that act on the same area. Finally, to evaluate the effectiveness of the exoskeleton by means of a biomechanical model, an analysis of the moments operating at the L5/S1 disc was carried out by comparing the results obtained when performing a task with and without the assistance of the exoskeleton.

Gli esoscheletri occupazionali stanno diventando una soluzione concreta per attenuare i disturbi muscoloscheletrici, associati alle attività lavorative di movimentazione manuale dei carichi. Questo studio mira a dimostrare l'efficacia di un esoscheletro di assistenza per la schiena nel mitigare il rischio ergonomico. L'esoscheletro utilizzato contribuisce all'estensione della schiena, riducendo così il carico muscoloscheletrico sulla colonna vertebrale, in particolare nella regione lombare. Lo studio si focalizza sul valutare l'attività muscolare relativa ai muscoli maggiormente coinvolti durante le principali attività dinamiche svolte sul luogo di lavoro. Per questo motivo, sono stati condotti esperimenti in laboratorio su 10 soggetti sani, al fine di riprodurre le attività più comuni relative alla movimentazione manuale dei carichi. L'analisi dei dati, ottenuti durante gli esperimenti, mira a confrontare l'attività muscolare rilevata durante l'esecuzione di un'attività con e senza l'assistenza fornita dall'esoscheletro. Questo confronto consente di quantificare il beneficio fisico derivante dall'utilizzo dell'esoscheletro in termini di riduzione dell'attività muscolare, in particolare a livello lombare, e associarlo alla riduzione delle forze di compressione che agiscono sulla stessa area. Infine, per valutare l'efficacia dell'esoscheletro attraverso un modello biomeccanico, è stata effettuata un'analisi dei momenti che agiscono a livello del disco L5/S1, confrontando i risultati ottenuti durante l'esecuzione di un compito con e senza l'utilizzo dell'esoscheletro.