Real-Time Control of Large Assistive Torques in Exoskeletons via Neuromechanical Modeling

Back support exoskeletons can prevent the onset of low back pain in the occupational domain by reducing the strain placed on the workers’ back muscles. However, their low acceptance and the challenge of developing an effective control strategy hinder their widespread use. A promising approach to address this issue is the use of a Neuromechanical Model-Based Controller (NMBC), which computes the assistive torques as a percentage of the biological lumbosacral (L5/S1) joint moments estimated with a real-time Electromyography (EMG)-driven musculoskeletal model. The support automatically adapts to different lifting conditions with no a priori knowledge. In the present work, for the first time, the NMBC control strategy was applied for the real-time control of a rigid active BSE. This allowed us to vary the level of assistance up to 80% of the model-estimated L5/S1 active moments. Three different levels of support (S20, S50, S80) were tested on three participants under two different load conditions (5kg and 15kg) and using two different lifting techniques (stoop and squat). Increasing the level of assistance was found to be beneficial in reducing the user’s effort and to induce a decrease in the levels of discomfort and effort experienced by the user. However, applying large assistive torques with the NMBC approach caused a deterioration of the torque tracking performance and led to the appearance of instabilities related to human-exoskeleton interaction. On one hand, we demonstrated the potential of providing large assistive torques with the NMBC control strategy to improve biomechanical outcomes, with significant implications for LBP prevention and exoskeleton acceptance. On the other hand, we identified the challenges of this approach when applying high levels of assistance, defining the starting point for future research.

Gli esoscheletri spinali possono prevenire l'insorgenza della lombalgia tra i lavoratori riducendo lo sforzo sui muscoli della schiena. Tuttavia, la loro scarsa accettazione e la difficoltà nello sviluppare una strategia di controllo efficace ostacolano il loro uso diffuso. Un approccio promettente per affrontare questa problematica è l'uso di un controllore basato su modello neuromeccanico (NMBC), che deriva le coppie assistive come una percentuale dei momenti articolari lombo-sacrali biologici (L5/S1) stimati in tempo reale con un modello muscoloscheletrico basato sull’elettromiografia (EMG). Pertanto, il supporto si adatta automaticamente a diverse condizioni di sollevamento senza conoscenze a priori. Nel presente lavoro, per la prima volta, la strategia di controllo NMBC è stata applicata per il controllo in tempo reale di un esoscheletro spinale attivo rigido. Questo ci ha permesso di variare il livello di assistenza fino all'80% dei momenti attivi stimati dal modello attorno all’articolazione L5/S1. Tre diversi livelli di supporto (S20, S50, S80) sono stati testati su tre partecipanti in due diverse condizioni di carico (5kg e 15kg) e utilizzando due diverse tecniche di sollevamento (stoop e squat). Abbiamo quindi dimostrato i vantaggi nell’uso di grandi coppie assistive con un approccio NMBC sia sulle metriche biomeccaniche sia su quelle soggettive riguardanti il comfort e lo sforzo percepiti. Inoltre, abbiamo individuato le sfide di questo approccio nell'applicare alte coppie di assistenza, tracciando una nuova linea di studio.