DOI: https://doi.org/10.1109/tro.2026.3666155
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Gianluca Rinaldi وآخرون
الموضوع الرئيسي: ألم العضلات والعظام وإعادة التأهيل
نظرة عامة
تقيّم الدراسة الهيكل الخارجي Flexos، وهو دعم كتف محمول ثنائي الجانب مصمم لمساعدة المشغلين الصناعيين في المهام التي تتضمن رفع الأثقال وحمل الأحمال بشكل متكرر، والتي تُعرف بأنها تساهم في اضطرابات العضلات والعظام المرتبطة بالعمل (WMDs). تم إجراء تقييم في المختبر شمل اثني عشر مشاركًا صحيًا (9 ذكور و3 إناث) لقياس فعالية الهيكل الخارجي خلال المهام الثابتة والديناميكية وحمل الأحمال. أظهرت النتائج أن Flexos يغطي 89.2% من نطاق حركة الكتف للانثناء/التمديد و88.4% للدوران الداخلي/الخارجي، بينما يقلل بشكل كبير من النشاط العضلي في مجموعة الكتف—متوسط الانخفاضات بلغ 27.2% للمهام الثابتة، 18.6% للمهام الديناميكية، و23.4% لمهام حمل الأحمال.
في الختام، تشير الدراسة إلى أن Flexos يوفر تأثيرًا مساعدًا مفيدًا خلال الحركات المتكررة للكتف، خاصةً أثناء الانقباضات الثابتة المطولة، دون التأثير سلبًا على الأداء. على الرغم من أن الدراسة تعترف بالقيود مثل حجم العينة الصغيرة وطبيعة النموذج الأولي للجهاز، إلا أن النتائج واعدة. يبدو أن Flexos يعزز الأداء في المهام التي تتطلب انثناءً مستمرًا للكتف، مما يمثل خطوة نحو اعتماد أوسع للهياكل الخارجية في البيئات الصناعية للتخفيف من WMDs وتعزيز بيئة عمل أكثر أمانًا. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآثار الجانبية المحتملة على أداء الجزء السفلي من الجسم ولتأكيد هذه النتائج في مجموعات سكانية أكبر.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الكبير لاضطرابات العضلات والعظام المرتبطة بالعمل (WMSDs) على العمال الصناعيين، حيث تمثل 15% من تكاليف الرعاية الصحية في الاتحاد الأوروبي-28 وتؤثر على 60% من القوة العاملة. تؤثر هذه الاضطرابات بشكل أساسي على الرقبة والكتفين والظهر، مما يثير زيادة الطلب على المساعدة في الجزء العلوي من الجسم في مكان العمل. ظهرت الهياكل الخارجية المهنية (OEs) كحل واعد للتخفيف من WMSDs من خلال توفير عزم الدوران لذراعي المستخدم، مما يقلل من الإجهاد العضلي أثناء المهام مثل الرفع وحركات الكتف. تميز الورقة بين الهياكل الخارجية الصلبة والناعمة، مشيرة إلى أنه بينما تواجه الأجهزة الصلبة تحديات مع عدم محاذاة المفاصل، فإن الهياكل الخارجية الناعمة محدودة في إنتاج عزم الدوران بسبب تصميمها.
يقدم المؤلفون Flexos، وهو هيكل خارجي للكتف خفيف الوزن، يعمل بالبطارية، ومزود بمحرك مرن متسلسل مصمم للمساعدة في مهام الرفع والحمل. يتميز Flexos بتصميم مبسط مع درجة حرية واحدة متحركة، ومع ذلك فإنه يقلل بشكل فعال من الجهد العضلي مقارنة بالنماذج الأولية الحالية. تهدف الدراسة إلى تقييم فعالية Flexos من خلال سلسلة من المهام الثابتة والديناميكية التي تحاكي الأنشطة المهنية الحقيقية، والتي تتضمن رفع وحمل الأوزان على ارتفاعات مختلفة. تم تحسين البروتوكول التجريبي ليعكس بشكل أفضل سيناريوهات مكان العمل، ومن المتوقع أن توفر النتائج رؤى حول المزايا البيوميكانيكية لاستخدام OEs النشطة في المهام اليومية. ستفصل الأقسام التالية من الورقة التصميم الميكانيكي، ونظام التحكم، والمنهجية التجريبية، ونتائج تحليل البيانات المتعلقة بـ Flexos.
الطرق
يتضمن الإعداد التجريبي لتقييم الهيكل الخارجي Flexos تقييمًا شاملاً لفعاليته في دعم المستخدمين خلال مهام رفع الأطراف العلوية. تستخدم الدراسة وحدات قياس القصور الذاتي (IMUs) لقياس نطاق الحركة (ROM) ونظام تتبع الواقع الافتراضي، الذي يتكون من محطات HTC SteamVR الأساسية وVIVE Trackers، لمراقبة حركات الذراع بتردد 250 هرتز. يتم استخدام تخطيط كهربائية العضلات (EMG) لتقييم الجهد العضلي عبر خمسة عضلات مستهدفة خلال المهام التي تم تنفيذها مع وبدون الهيكل الخارجي. يتم مزامنة بيانات EMG مع بيانات تتبع الحركة ومعالجتها باستخدام MATLAB، بما في ذلك التصفية والتطبيع بناءً على قيم الانقباض الطوعي الأقصى (MVC).
يتكون البروتوكول التجريبي من أربع مهام رئيسية مصممة لمحاكاة السيناريوهات المهنية: (1) مهمة نطاق الحركة حيث يقوم المشاركون بأداء حركات كتف متنوعة؛ (2) مهمة ثابتة تتضمن حمل صندوق بزاوية محددة؛ (3) مهمة ديناميكية حيث يقوم المشاركون بوضع صندوق على رفوف بين ارتفاعات مختلفة؛ و(4) مهمة حمل الأحمال التي تختبر قدرات الهيكل الخارجي المساعدة أثناء حمل صندوق. يتم تنفيذ كل مهمة تحت حالتين (مع وبدون الهيكل الخارجي)، مع عشوائية ترتيب المهام لكل مشارك، باستثناء مهمة نطاق الحركة، التي يتم تنفيذها أولاً بشكل متسق. يُطلب من المشاركين الراحة بين المهام لتخفيف التعب، ويتم جمع التقييمات النوعية لحمولة المهام والإجهاد المدرك باستخدام مؤشر حمولة المهام من ناسا واستبيانات Borg CR-10، على التوالي.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. تشير الاختبارات الإحصائية إلى أن النتائج قوية، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يؤكد الفرضية.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة آثار هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج ليس فقط النظريات الحالية ولكن أيضًا تقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي، خاصة في استكشاف الآليات الأساسية التي تحرك العلاقات الملحوظة. بشكل عام، تسهم الدراسة برؤى قيمة تعزز فهمنا للموضوع وت pave الطريق لمزيد من الاستكشاف.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة من الورقة البحثية تصميم الهيكل الخارجي Flexos، ونظام التحكم، وأدائه، مع التركيز على أنظمته الميكانيكية والتحكم. يتضمن التصميم الميكانيكي أجزاء صلبة مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد وواجهات ناعمة، مما يسمح بنموذج أولي خفيف الوزن وقوي يتفاعل مع جسم الإنسان من خلال تثبيت على الظهر والذراع. ي decouple استخدام محرك مرن متسلسل (SEA) ديناميات المحرك والوصلة، مما يوفر تغذية راجعة أساسية لعزم الدوران بينما يحمي كل من المستخدم والجهاز من التأثيرات المحتملة. تم تحسين التصميم الحركي، بينما يحد من بعض حركات الذراع، لوظائف موجهة نحو المهام، مما يسمح للمستخدمين بتحقيق الوضعيات اللازمة من خلال حركات بديلة.
تُدمج أنظمة التحكم والاتصال داخل وحدة محمولة، باستخدام متحكم دقيق Teensy 4.1 لإدارة تفاعلات المحرك وبيانات المستشعر بتردد عالٍ. يهدف وحدة التحكم في عزم الدوران إلى تعويض القوى الجاذبية أثناء انثناء/تمديد الكتف، مع تحديد حد أقصى لعزم الدوران لمنع الأضرار الهيكلية للجهاز. تشير النتائج التجريبية إلى أن Flexos يقلل بشكل كبير من الجهد العضلي خلال المهام الثابتة، مع انخفاضات في تنشيط العضلات تتراوح بين 8% إلى 33% عبر مهام مختلفة. تشير التعليقات النوعية من المشاركين إلى انخفاض مدرك في الجهد وزيادة في الراحة عند استخدام الهيكل الخارجي، مما يتماشى مع مقاييس الأداء الموضوعية. بشكل عام، تظهر النتائج فعالية Flexos في مساعدة حركات الكتف مع الحفاظ على راحة المستخدم وسلامة الجهاز.
القيود
تتعدد قيود الدراسة حول الهيكل الخارجي Flexos، وتنبع أساسًا من قيود التصميم وظروف التجربة. تم تحسين الهيكل الخارجي للمستخدمين الذين يبلغ ارتفاعهم الحد الأدنى 1.68 م، مما يقيد قابليته للتطبيق. على الرغم من أن التصميم المعياري يسمح ببعض التعديل في العرض، إلا أن الارتفاع يظل معيار استبعاد حاسم. بالإضافة إلى ذلك، فإن الوصلة المرنة التي تربط ظهر الهيكل الخارجي بالذراعين، المصنوعة من مواد مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، تفتقر إلى الصلابة الكافية، مما يؤدي إلى انزلاقات التواء تمنع الاستخدام الكامل لعزم الدوران لمحرك المرن المتسلسل (SEA). نسبة عزم الدوران إلى الوزن البالغة 0.66 Nm/kg منخفضة نسبيًا مقارنة بالحلول السلبية التقليدية، على الرغم من أن الميزات النشطة للجهاز، مثل تعديل عزم الدوران أثناء الانحناء، تساعد في التخفيف من هذه القيود.
علاوة على ذلك، فإن البروتوكول التجريبي للدراسة، الذي تم إجراؤه في بيئة مختبرية محكومة، لا يعكس تمامًا سيناريوهات مكان العمل النموذجية، حيث كانت المهام مبسطة وقصيرة المدة مقارنة بنوبة عمل قياسية مدتها 8 ساعات. قد لا تعكس التركيز على الحركات الثابتة عند زوايا محددة تعقيد الأنشطة الوظيفية الحقيقية، مما قد يؤثر على قابلية تعميم النتائج. بينما أدت إضافة مصطلح التغذية الأمامية إلى تحسين زمن الاستجابة من 100 مللي ثانية إلى 45 مللي ثانية، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم آثارها على دقة التتبع وأداء النظام بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، فإن الآثار الجانبية المحتملة على الساقين ودقة تقدير زاوية انثناء الكتف، المتأثرة بمستشعر BNO055 IMU، تتطلب مزيدًا من التحقيق لضمان تقييم شامل لتأثير الجهاز على بيوميكانيكا المستخدم.
DOI: https://doi.org/10.1109/tro.2026.3666155
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Gianluca Rinaldi et al.
Primary Topic: Musculoskeletal pain and rehabilitation
Overview
The research evaluates the Flexos exoskeleton, a portable, bilateral shoulder support designed to assist industrial operators in tasks involving repeated weight lifting and load carrying, which are known to contribute to work-related musculoskeletal disorders (WMDs). An in-lab assessment involving twelve healthy participants (9 males and 3 females) measured the exoskeleton’s effectiveness during isometric, dynamic, and load-carrying tasks. The results indicated that Flexos covered 89.2% of the shoulder’s range of motion for flexion/extension and 88.4% for internal/external rotation, while significantly reducing muscular activity in the shoulder complex—averaging reductions of 27.2% for static tasks, 18.6% for dynamic tasks, and 23.4% for carrying-load tasks.
In conclusion, the study suggests that Flexos provides a beneficial assistive effect during repetitive shoulder movements, particularly for prolonged isometric contractions, without negatively impacting performance. Although the study acknowledges limitations such as the small sample size and the prototype nature of the device, the findings are promising. Flexos appears to enhance performance in tasks requiring sustained shoulder flexion, marking a step towards broader adoption of exoskeletons in industrial settings to mitigate WMDs and promote a safer work environment. Further research is needed to explore potential side effects on lower body performance and to validate these findings in larger populations.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant impact of work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) on industrial workers, accounting for 15% of healthcare costs in the EU-28 and affecting 60% of the workforce. These disorders primarily affect the neck, shoulders, and back, prompting an increased demand for upper body assistance in the workplace. Occupational exoskeletons (OEs) have emerged as a promising solution to mitigate WMSDs by providing torque to the user’s arms, thereby reducing muscular strain during tasks such as lifting and shoulder movements. The paper distinguishes between rigid and soft exoskeletons, noting that while rigid devices face challenges with joint misalignment, soft exoskeletons are limited in torque output due to their design.
The authors introduce Flexos, a lightweight, battery-operated, series-elastic actuated shoulder exoskeleton designed to assist in lifting and carrying tasks. Flexos features a simplified design with one actuated degree of freedom, yet it effectively reduces muscular effort comparable to existing prototypes. The study aims to evaluate Flexos’ efficacy through a series of static and dynamic tasks that mimic real occupational activities, involving the lifting and carrying of weights at varying heights. The experimental protocol has been refined to better reflect workplace scenarios, and the results are expected to provide insights into the biomechanical advantages of using active OEs in daily tasks. The subsequent sections of the paper will detail the mechanical design, control system, experimental methodology, and data analysis outcomes related to Flexos.
Methods
The experimental setup for assessing the Flexos exoskeleton involves a comprehensive evaluation of its effectiveness in supporting users during upper-limb elevation tasks. The study employs inertial measurement units (IMUs) for measuring range of motion (ROM) and a virtual reality tracking system, consisting of HTC SteamVR Base Stations and VIVE Trackers, to monitor arm movements at a frequency of 250 Hz. Electromyography (EMG) is utilized to assess muscular effort across five targeted muscles during tasks performed both with and without the exoskeleton. EMG data is synchronized with motion tracking data and processed using MATLAB, including filtering and normalization based on maximum voluntary contraction (MVC) values.
The experimental protocol consists of four main tasks designed to simulate occupational scenarios: (1) a ROM task where participants perform various shoulder movements; (2) an isometric task involving holding a box at a specified angle; (3) a dynamic task where participants shelve a box between different heights; and (4) a carrying-load task that tests the exoskeleton’s assistive capabilities while carrying a box. Each task is executed under two conditions (with and without the exoskeleton), with the order of tasks randomized for each participant, except for the ROM task, which is consistently performed first. Participants are required to rest between tasks to mitigate fatigue, and qualitative assessments of task load and perceived exertion are collected using the NASA Task Load Index and Borg CR-10 questionnaires, respectively.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Statistical tests indicate that the results are robust, with a p-value less than 0.05, confirming the hypothesis.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings within the broader context of the field. The results not only support existing theories but also suggest potential avenues for future research, particularly in exploring the underlying mechanisms driving the observed relationships. Overall, the study contributes valuable insights that enhance our understanding of the topic and pave the way for further exploration.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the design, control, and performance of the Flexos exoskeleton, emphasizing its mechanical and control systems. The mechanical design incorporates custom 3-D printed rigid parts and soft interfaces, allowing for a lightweight and robust prototype that interfaces with the human body through a back and arm attachment. The use of a Series Elastic Actuator (SEA) decouples motor and link dynamics, providing essential torque feedback while protecting both the user and the device from potential impacts. The kinematic design, while limiting certain arm movements, is optimized for task-oriented functionality, allowing users to achieve necessary postures through alternative movements.
Control and communication systems are embedded within a portable unit, utilizing a Teensy 4.1 microcontroller to manage motor interactions and sensor data at a high frequency. The torque controller aims to compensate for gravitational forces during shoulder flexion/extension, with a maximum torque limit set to prevent structural damage to the device. Experimental results indicate that Flexos significantly reduces muscular effort during isometric tasks, with reductions in muscle activation ranging from 8% to 33% across various tasks. Qualitative feedback from participants suggests a perceived decrease in effort and improved comfort when using the exoskeleton, aligning with objective measures of performance. Overall, the findings demonstrate Flexos’ effectiveness in assisting shoulder movements while maintaining user comfort and device integrity.
Limitations
The limitations of the study on the Flexos exoskeleton are multifaceted, primarily stemming from design constraints and experimental conditions. The exoskeleton is optimized for users with a minimum height of 1.68 m, which restricts its applicability. Although the modular design allows for some adjustment in width, height remains a critical exclusion criterion. Additionally, the flexible link connecting the exoskeleton’s back to the arms, made from 3D-printed materials, lacks sufficient stiffness, leading to torsional displacements that prevent the full utilization of the series elastic actuator (SEA) torque. The torque-to-weight ratio of 0.66 Nm/kg is relatively low compared to conventional passive solutions, although the device’s active features, such as torque modulation during bending, help mitigate this limitation.
Furthermore, the study’s experimental protocol, conducted in a controlled lab environment, does not fully replicate typical workplace scenarios, as tasks were simplified and of shorter duration than a standard 8-hour shift. The focus on isometric motions at specific angles may not accurately reflect the complexity of real job activities, which could impact the generalizability of the findings. While the introduction of a feedforward term improved response time from 100 ms to 45 ms, further research is needed to assess its effects on tracking accuracy and overall system performance. Additionally, potential side effects on the legs and the accuracy of shoulder flexion angle estimation, influenced by the BNO055 IMU sensor, warrant further investigation to ensure comprehensive evaluation of the device’s impact on user biomechanics.