Redesign and optimization of a low back passive exoskeleton - Superhuman project

Work-related musculoskeletal disorders, particularly lower back pain, are a major problem for manual workers. Exoskeletons have emerged and developed as a solution to reduce strain, improve endurance and increase safety. This study, part of a European initiative funded by KIC EIT Manufacturing, focuses on the redesign of a passive exoskeleton to better support the back. After the first tests in Bologna, limitations of the initial prototype have been identified, particularly in how it assisted movement, sometimes providing support in ways that aren’t biomechanically ideal. To address this, the back redesign stage occurred, and in addition to this, also a system for knee stability and upper hip support have been introduced. The new version features a modular structure with artificial vertebrae, traction and torsional springs, a passive knee support system with piston, and a hip mechanism with traction spring. Comfort, adaptability, and effectiveness have been priority in the redesign, ensuring that the exoskeleton remains practical for real-world use. Following improvements to the low-back and legs, attention shifted to developing solutions for relieving upper body stress. Two mechanisms have been developed: one to support the elbow reducing strain on the arms and forearms, and one for the shoulders. To evaluate the effectiveness, tests have been conducted with FEM simulations and motion analysis using a markerless tracking system to assess the interaction of the exoskeleton with the human body. The next test phases will take place in Spain and in Bologna at project partner companies, allowing real feedback to be gathered and the prototype to be refined. This work contributes to the development of more efficient and accessible exoskeletons while highlighting the importance of an iterative, user-centered approach. The ultimate goal is to improve worker safety and reduce the risk of musculoskeletal injuries during work.

I disturbi muscoloscheletrici legati al lavoro, in particolare il dolore lombare, sono un problema importante per i lavoratori manuali. Gli esoscheletri sono emersi e si sono sviluppati come una soluzione per ridurre lo sforzo, migliorare la resistenza e aumentare la sicurezza. Questo studio, parte di un'iniziativa europea finanziata dalla KIC Manufacturing, si concentra sulla riprogettazione di un esoscheletro passivo per meglio sostenere la schiena. Dopo i primi test a Bologna, sono stati identificati limiti del prototipo iniziale, come il modo in cui assisteva il movimento, fornendo a volte un supporto non biomeccanicamente ideale. Per ovviare a ciò, si è passati alla fase di riprogettazione dell'esoscheletro e, oltre a questo, sono stati introdotti un sistema per la stabilità del ginocchio e per il supporto dell'anca. La nuova versione presenta una struttura modulare con vertebre artificiali, molle di trazione e torsione, un supporto passivo del ginocchio con pistone e uno per l’anca con molla di trazione. Comfort, adattabilità ed efficacia sono stati prioritari nella riprogettazione per garantire l’efficienza dell'esoscheletro durante l’uso. Dopo i miglioramenti apportati per la parte bassa della schiena e delle gambe, l'attenzione si è spostata sullo sviluppo di soluzioni per alleviare lo stress della parte superiore del corpo. Sono stati sviluppati due meccanismi: uno per sostenere il gomito riducendo lo sforzo su braccia e avambracci, e uno per le spalle. Per valutare l'efficacia, sono stati condotti dei test con simulazioni FEM e analisi di movimento utilizzando un sistema di tracciamento senza sensori per valutare l’interazione dell'esoscheletro con il corpo umano. Le prossime fasi di test si svolgeranno in Spagna e a Bologna presso aziende partner del progetto, consentendo di raccogliere feedback reali e perfezionare il prototipo. Questo lavoro contribuisce allo sviluppo di esoscheletri più efficienti e accessibili, evidenziando l'importanza di un approccio iterativo e incentrato sull'utente. L'obiettivo finale è migliorare la sicurezza dei lavoratori e ridurre il rischio di lesioni muscoloscheletriche sul lavoro.