Design of a shoulder exoskeleton for industrial overhead applications

Shoulder musculoskeletal disorders, especially those related to overhead work, have be- come a significant concern in recent years, particularly in the context of the safety and health of workers in the workplace. While automated systems have replaced some repetitive tasks, complex tasks requiring human-level skills like dexterity and adaptability still rely on human workers. To provide aid also in these situations, various approaches have been proposed, including tilted assembly lines, task-specific tool design, and guidelines for duty cycles. More recently, wearable and portable exoskeletons have emerged as a potential solution to support workers engaged in material handling and overhead tasks. This work presents a novel exoskeleton design specifically developed to assist users in overhead tasks while carrying additional weight, such as tools. The foundations of the project are both in the RETRAINER exoskeleton, a clinical-oriented project which gave references for the shoulder kinematic modelling and the overall outer design of the project, and in the PAEXO one, a state-of-the-art exoskeleton for what concerns lightness, comfort and usability. At the end of the project, a functioning prototype of the exoskeleton was developed, and comprehensive tests will be conducted to assess its efficacy in minimizing muscle activity and enhancing the user’s range of motion.

I disturbi muscoloscheletrici della spalla, soprattutto quelli legati al lavoro cosiddetto overhead, sono diventati una preoccupazione significativa negli ultimi anni, in particolare nel contesto della sicurezza e della salute dei lavoratori sul posto di lavoro. Nonostante alcuni impianti automatici abbiano sostituito molti compiti ripetitivi, le attività complesse che richiedono particolari abilità, come la destrezza e la capacità di adattamento, fanno ancora affidamento sui lavoratori umani. Per fornire assistenza anche in queste situazioni, sono stati proposti vari approcci, tra cui linee di assemblaggio inclinate, progettazione di strumenti specifici per i vari compiti e linee guida per i cicli di lavoro. Più di recente, gli esoscheletri indossabili e portatili sono emersi come una potenziale soluzione per supportarei lavoratori impegnati nella movimentazione di materiali e in task overhead. Questo lavoro presenta un nuovo progetto di esoscheletro sviluppato specificamente per assistere i lavoratori mentre lavorano con le braccia sollevate sopra la testa o trasportano peso aggiuntivo, come gli attrezzi. Le basi del progetto risiedono sia nell’esoscheletro RETRAINER, un progetto orientato alla riabilitazione clinica che ha fornito riferimenti per la modellazione cinematica della spalla e il design esterno del progetto complessivo, sia in PAEXO, un esoscheletro all’avanguardia per quanto riguarda leggerezza, comfort e usabilità. Al termine del progetto, è stato sviluppato un prototipo funzionante dell’esoscheletro e saranno condotti test completi per valutarne l’efficacia nel ridurre l’attività muscolare e migliorare il range di movimento dell’utente.