Work-assistive exoskeletons: design, development and initial testing

This thesis delves into the design, optimization and initial evaluation of both active and passive back exoskeletons, aimed at improving workplace safety, ergonomics and efficiency. Musculoskeletal disorders, especially lower back pain, are prevalent among manual laborers due to repetitive strain and suboptimal ergonomic conditions, underscoring the need for innovative solutions. Exoskeletons have emerged as a promising intervention, providing support that surpasses traditional ergonomic measures. The research began with an extensive literature review to identify existing challenges and opportunities in exoskeleton design and application. This review informed the establishment of design criteria prioritizing user comfort, functionality and safety. Various design elements were explored, including replacing previous mechanisms with more efficient transmission systems and introducing a novel fish-scale-like component system for the passive exoskeleton. Advanced computational modeling and finite element analysis (FEA) were employed to simulate mechanical responses of the proposed designs. These simulations guided the iterative design process, ensuring the prototypes met the required performance standards. Empirical studies, including user trials and feedback collection, were conducted to validate the prototypes' effectiveness and identify areas for further improvement. The study's key findings indicate that the redesigned exoskeletons significantly enhance wearability, user comfort and overall effectiveness. In conclusion, this thesis addresses the critical issue of work-related musculoskeletal disorders and contributes valuable insights and practical solutions to the field of ergonomic support systems. The redesigned exoskeletons represent an advancement in protecting workers from physical strain, improving their quality of life, and enhancing productivity in various occupational settings.

Questa tesi esplora la progettazione, l'ottimizzazione e la valutazione iniziale di esoscheletri per la schiena, sia attivi che passivi, mirati a migliorare la sicurezza sul lavoro, l'ergonomia e l'efficienza. I disturbi muscoloscheletrici, in particolare il dolore lombare, sono comuni tra i lavoratori manuali a causa di sforzi ripetitivi e condizioni ergonomiche subottimali, evidenziando la necessità di soluzioni innovative. Gli esoscheletri sono emersi come un'intervento promettente, offrendo un supporto che supera le misure ergonomiche tradizionali. La ricerca è iniziata con una revisione approfondita della letteratura per identificare le sfide e le opportunità esistenti nella progettazione e nell'applicazione degli esoscheletri. Questa revisione ha delineato i criteri di progettazione, dando priorità al comfort dell'utente, alla funzionalità e alla sicurezza. Sono stati esplorati vari elementi di design, inclusa la sostituzione dei meccanismi precedenti con sistemi di trasmissione più efficienti e l'introduzione di un nuovo sistema di componenti a forma di squame di pesce per l'esoscheletro passivo. Sono stati utilizzati modelli computazionali avanzati e analisi agli elementi finiti (FEA) per simulare le risposte meccaniche dei progetti proposti. Queste simulazioni hanno guidato il processo di progettazione iterativo, assicurando che i prototipi soddisfassero gli standard di prestazione richiesti. Studi empirici, inclusi test con utenti e raccolta di feedback, sono stati condotti per convalidare l'efficacia dei prototipi e identificare aree di miglioramento. I risultati principali dello studio indicano che gli esoscheletri riprogettati migliorano significativamente la vestibilità, il comfort dell'utente e l'efficacia complessiva. In conclusione, questa tesi affronta la questione critica dei disturbi muscoloscheletrici legati al lavoro e contribuisce con preziose intuizioni e soluzioni pratiche nel campo dei sistemi di supporto ergonomico. Gli esoscheletri riprogettati rappresentano un avanzamento nella protezione dei lavoratori dallo sforzo fisico, migliorando la loro qualità della vita e aumentando la produttività in vari contesti occupazionali.