Work-related musculoskeletal disorders: passive upper-limbs exoskeleton evaluation and markerless motion capture system validation

Work-related musculoskeletal disorders are source of concern for both workers and organizations due to severe health issues and productivity losses. Consequently, various preventive strategies have been developed. Among those, the use of occupational exoskeletons has emerged. A first purpose of this study is to evaluate MATE-XT (S.p.A. COMAU), a passive upper limb exoskeleton, during a repetitive overhead screwing task. The second purpose is the validation of the new developed markerless motor capture system (The Captury GmbH) used to evaluate the kinematics in previous task both while wearing the exoskeleton (Exo) and without it (NoExo). The study was conducted in Human performance laboratory in Politecnico di Milano over 12 healthy subjects. A muscle activity analysis was performed using surface electromyography (sEMG) probes positioned on upper limb and trunk muscle to assess the level of fatigue in Exo and NoExo. An additional kinematic analysis was conducted to determine the effect of the exoskeleton on the upper limb joint angles using an inertial measurement unit system (Xsens IMU). The same kinematic analysis was considered for comparison with the motion capture system. Regarding the exoskeleton evaluation, the kinematic analysis revealed a postural adaptation with increase of mean angle and range of motion indices for shoulder joints. A reduction in peak activation values was found in upper limb muscles resulting in a potential mitigation of fatigue. In the motion capture system analysis, similar trends were observed for upper limbs flexion-extension. However, significant variations were obtained in shoulder adduction-abduction. Further analyses are required to achieve a greater generalization of the results by increasing the number of subjects, to evaluate the effect of the exoskeleton over time, and to increase the tracking accuracy of the motion capture system.

I disturbi muscoloscheletrici legati al lavoro sono fonte di preoccupazione sia per i lavoratori che per le società a causa di gravi problemi di salute e perdite di produttività. Di conseguenza, sono state sviluppate varie strategie preventive. Tra queste, è emerso l'uso di esoscheletri occupazionali. Un primo scopo di questo studio è la valutazione di MATE-XT (S.p.A. COMAU), un esoscheletro passivo per arti superiori, durante un compito ripetitivo di avvitatura sopra testa. Il secondo scopo è la validazione del nuovo sistema di cattura del movimento senza marcatori (The Captury GmbH) utilizzato per valutare la cinematica nel precedente compito sia indossando l’esoscheletro (Exo) che senza (NoExo). Lo studio è stato condotto nel laboratorio di prestazione umana al Politecnico di Milano su 12 soggetti sani. Un'analisi dell'attività muscolare è stata eseguita utilizzando sonde per elettromiografia di superficie (sEMG) posizionate sui muscoli degli arti superiori e del tronco per valutare il livello di affaticamento tra Exo e NoExo. Un’ulteriore analisi cinematica è stata condotta per determinare l'effetto dell'esoscheletro sugli angoli articolari degli arti superiori utilizzando un sistema di unità di misura inerziale (Xsens IMU). La stessa analisi cinematica è stata considerata per il confronto con il sistema di cattura del movimento. Per la valutazione dell'esoscheletro, l'analisi cinematica ha rivelato un adattamento posturale con aumento degli indici di angolo medio e range di movimento per le articolazioni della spalla. Una riduzione dei valori di picco di attivazione è stata riscontrata nei muscoli degli arti superiori con conseguente possibile attenuazione della fatica. Nell’analisi del sistema di cattura del movimento, tendenze simili sono stati osservati per la flessione-estensione degli arti superiori. Tuttavia, variazioni significative sono state ottenute nell'adduzione-abduzione della spalla. Ulteriori analisi sono richieste per ottenere una maggiore generalizzazione dei risultati aumentando il numero di soggetti, per valutare l'effetto dell'esoscheletro nel tempo e per aumentare l'accuratezza di tracciamento del sistema di cattura del movimento.