INTEGRATED BIOMECHANICAL FRAMEWORKS IN OCCUPATIONAL SETTINGS: BRIDGING FUNCTIONAL ASSESSMENT AND HUMAN-EXOSKELETON INTERACTION

Work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) represent a major concern in occupations that involve repetitive lifting, handling heavy loads, and performing tasks in awkward or unsafe postures. Occupational exoskeletons have emerged as promising ergonomic solutions; however, their actual effectiveness depends on task characteristics, user–device interaction, and the ability to accurately quantify changes in internal biomechanical loading. This thesis presents an integrated methodological framework combining laboratory assessments, wearable sensing, and musculoskeletal modelling to analyse human–exoskeleton interaction under both controlled and semi-realistic conditions. Across three experimental studies, the biomechanical, physiological, and neuromuscular effects of passive and hybrid upper-limb and trunk exoskeletons were systematically investigated. The first study quantified the impact of a passive lumbar exoskeleton during standardised lifting, revealing reductions in spinal loading and trunk extensor activation. The second study evaluated three upper-limb exoskeletons during lifting and overhead tasks through a multi-parametric approach, including EMG, kinematics, energetic cost, postural stability, and muscle synergies, showing substantial decreases in deltoid activation while preserving overall coordination strategies. The third study applied an EMG-driven musculoskeletal modelling framework (OpenSim + CEINMS) to semi-realistic lifting tasks, enabling subject-specific estimation of lumbar muscle forces and L5–S1 compression and demonstrating notable reductions in spinal loading without altering natural kinematics. Overall, the proposed framework enables a more comprehensive and realistic evaluation of exoskeleton effectiveness, providing valuable insight into their actual benefits and the conditions under which they can be used effectively in occupational settings.

I disturbi muscoloscheletrici lavoro-correlati (WMSDs) rappresentano una delle principali problematiche nelle professioni che richiedono sollevamenti ripetitivi, carichi pesanti e l’assunzione di posizioni o posture scorrette. Gli esoscheletri occupazionali stanno emergendo come potenziali soluzioni ergonomiche; tuttavia, la loro efficacia reale dipende dalle caratteristiche del compito, dall’interazione utente-dispositivo e dalla capacità di quantificare accuratamente le variazioni del carico biomeccanico interno. Questa tesi propone un quadro metodologico integrato che combina valutazioni di laboratorio, sensori indossabili e modellazione muscoloscheletrica per analizzare l’interazione uomo-esoscheletro in scenari controllati e semirealistici. Attraverso tre studi sperimentali sono stati analizzati in modo sistematico gli effetti biomeccanici, fisiologici e neuromuscolari di esoscheletri passivi e ibridi per gli arti superiori e il tronco. Il primo studio ha quantificato l’impatto di un esoscheletro lombare passivo durante sollevamenti standardizzati, evidenziando riduzioni del carico spinale e dell’attivazione dei muscoli estensori del tronco. Il secondo studio ha valutato tre esoscheletri per gli arti superiori in compiti di sollevamento e mantenimento sopra la testa attraverso un approccio multiparametrico, comprendente EMG, cinematica, costo energetico, stabilità posturale e sinergie muscolari, mostrando significative riduzioni dell’attivazione dei muscoli deltoidei senza alterazioni sostanziali delle strategie di coordinazione. Il terzo studio ha applicato un modello muscoloscheletrico EMG-driven (OpenSim + CEINMS) a compiti di sollevamento semirealistici, permettendo la stima soggetto-specifica delle forze muscolari lombari e della compressione L5–S1, e mostrando riduzioni rilevanti del carico spinale senza modificare la cinematica naturale. Nel complesso, i risultati evidenziano vantaggi e limiti degli esoscheletri industriali attuali e dimostrano l’importanza dell’integrazione tra misure sperimentali e modellazione per una valutazione completa. Il framework proposto permette una valutazione più completa e realistica dell’efficacia degli esoscheletri, aiutando a identificarne i reali benefici e le condizioni ottimali di utilizzo.