Design of a perception layer and functional testing for an industrial passive low-back exoskeleton

Occupational back exoskeletons are designed to support workers performing physically demanding tasks and reduce the risk of Musculoskeletal Disorders (MSDs). To achieve this effectively, exoskeletons need to be adaptable and access real-time user activity information. In this study, we developed a sensing system called the 'perception layer' and integrated it into a lower back passive exoskeleton to measure the weight lifted by the user. This system, consisting of two piezoresistive sensors and silicone pads, was tested in a controlled environment on a single functional unit of the exoskeleton. Tests were conducted in various configurations (aligned and rotated). Through iterative testing, modifications to the exoskeleton structure, and structural assessment, we achieved high accuracy with a typical error of around 5% in force measurement for all the configurations except the configuration rotated 8° clockwise. To prepare for future integration and testing of the perception layer in the entire exoskeleton, a prototype was built and assessed for usability and kinematic compatibility. The experiment involved tasks like bending, twisting the torso, lifting weights by stooping, squatting, and asymmetrical lifting. The prototype scored below the acceptable usability threshold (69.5%). While most movements were manageable with the exoskeleton, asymmetrical lifting was partially limited. The results of this study showed encouraging results for the perception layer but also denoted the necessity to rethink the exoskeleton prototype.

Gli esoscheletri dorsali occupazionali sono progettati per supportare i lavoratori che svolgono mansioni fisicamente impegnative e per ridurre il rischio di disturbi muscoloscheletrici (DMS). Per raggiungere questo obiettivo in modo efficace, gli esoscheletri devono essere adattabili e accedere alle informazioni sull'attività dell'utente in tempo reale. In questo studio, abbiamo sviluppato un sistema di rilevamento chiamato "perception layer" e lo abbiamo integrato in un esoscheletro passivo per la zona lombare della schiena per misurare il peso sollevato dall'utente. Questo sistema, costituito da due sensori piezoresistivi e cuscinetti in silicone, è stato testato in un ambiente controllato su una singola unità funzionale dell'esoscheletro. I test sono stati condotti in diverse configurazioni (allineate e ruotate). Attraverso test, modifiche alla struttura dell'esoscheletro e valutazione strutturale, abbiamo ottenuto un'alta precisione con un errore tipico del 5% circa nella misurazione della forza per tutte le configurazioni tranne quella ruotata di 8° in senso orario. Per preparare la futura integrazione e il test del perception layer nell'intero esoscheletro, è stato costruito e valutato un prototipo per quanto riguarda l'usabilità e la compatibilità cinematica. L'esperimento ha coinvolto attività come piegarsi, torcere il busto, sollevare pesi chinandosi, facendo squat e sollevare pesi in modo asimmetrico. Il prototipo ha ottenuto un punteggio inferiore alla soglia di usabilità accettabile (69,5%). Sebbene la maggior parte dei movimenti fossero gestibili con l'esoscheletro, il sollevamento asimmetrico è stato parzialmente limitato. I risultati di questo studio hanno mostrato risultati incoraggianti per il perception layer, ma hanno anche evidenziato la necessità di ripensare il prototipo dell'esoscheletro.