建筑工人穿戴膝关节外骨骼辅助平衡与工作任务评估

背景介绍

建筑工人在危险的工作环境中面临着严重的安全和健康风险，尤其是在高处施工时，长时间的站立和跪姿可能会导致膝关节损伤、肌肉骨骼疾病以及视觉干扰等因素影响工人的平衡能力。为了防止跌倒和其他工伤事故，研究人员开始关注如何通过技术手段提升建筑工人在这些高风险环境中的平衡能力。膝关节外骨骼（knee exoskeleton）作为一种可穿戴设备，被认为是一种有潜力的干预措施，可以减少膝关节的负荷，帮助工人在各种工作姿势中保持平衡。

本研究的核心在于探讨下肢关节，特别是膝关节，在站立和跪姿中对神经平衡控制策略的影响。同时，研究还评估了高处环境和膝关节外骨骼对建筑工人姿势平衡及焊接任务表现的影响。通过虚拟现实（VR）和混合现实（MR）技术，研究人员模拟了高处环境和焊接任务，为研究建筑工人平衡策略提供了新的工具。

论文来源

本论文由Gayatri Sreenivasan、Chunchu Zhu和Jingang Yi共同撰写，作者分别来自Purdue University和Rutgers University。论文于2023年8月26日至30日在2023 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering上发表，并计划于2025年正式发表在IEEE Transactions on Automation Science and Engineering期刊上。

研究流程

1. 实验设计与模型构建

研究首先通过多连杆倒立摆模型（multi-link inverted pendulum models）分析了站立和跪姿下的平衡控制策略。具体来说，站立姿势使用了三连杆倒立摆模型（triple-link inverted pendulum, TIP），而跪姿则使用了双连杆倒立摆模型（double-link inverted pendulum, DIP）。这些模型用于量化神经平衡控制策略，特别是通过地面反作用力交点（intersection point, IP）的高度频率行为来分析。

2. 虚拟现实环境搭建

研究人员使用HTC Vive Pro虚拟现实系统模拟了高处施工环境，并通过Unity游戏引擎构建了不同类型的视觉场景，包括低处（low elevation, LE）和高处（high elevation, HE）施工环境。虚拟环境中还模拟了焊接任务，以评估工人在执行任务时的平衡能力和任务表现。

3. 实验对象与流程

研究招募了11名健康受试者（4名女性，7名男性），进行了站立和跪姿两种姿势的实验。每名受试者在不同条件下完成了一系列测试，包括： - Protocol A: 平衡评估：受试者在有或无外骨骼的情况下保持站立或跪姿60秒，评估其平衡能力。 - Protocol B: 焊接任务评估：受试者在虚拟环境中进行焊接任务，评估其在执行任务时的平衡和任务表现。

实验数据包括地面反作用力（ground reaction force, GRF）、压力中心（center of pressure, COP）、加速度（通过IMU传感器测量）以及心率数据。研究人员通过自定义的Python脚本同步并分析这些数据。

4. 数据分析与模型验证

研究使用线性二次调节器（linear quadratic regulator, LQR）作为神经平衡控制器，量化了不同条件下受试者的平衡策略。通过分析IP高度频率曲线，研究人员得出了受试者在不同频率下的平衡控制策略。此外，研究人员还计算了加速度椭圆面积（acceleration ellipse area, A_acc）和摇摆椭圆面积（sway ellipse area, A_sway），以量化受试者的动态控制和姿势稳定性。

研究结果

1. 平衡策略分析

实验结果表明，膝关节在站立和跪姿下的平衡控制中发挥了重要作用。特别是在高处环境中，膝关节外骨骼显著减少了受试者的姿势摇摆。具体数据表明，在高处环境中，佩戴外骨骼的受试者在站立时的压力中心摇摆面积减少了62%，在跪姿下减少了39%。

2. 任务表现评估

在执行焊接任务时，佩戴外骨骼的受试者在高处环境中的任务表现显著提升。焊接任务的完成率、准确性和精度均有提高，特别是在高处环境中，外骨骼的辅助作用更为明显。

3. 心率与生理反应

研究还发现，高处环境会导致受试者的心率升高，而佩戴外骨骼可以在一定程度上缓解这种生理压力。尽管心率变化的统计显著性不高，但趋势表明外骨骼有助于减轻高处环境带来的心理压力。

4. 模型验证与参数拟合

通过LQR控制器的最佳参数拟合，研究人员发现，站立和跪姿下的平衡控制策略存在显著差异。站立时，受试者倾向于使用踝关节和膝关节策略，而跪姿下则更多依赖膝关节。这些发现为外骨骼的设计提供了重要参考。

结论与意义

本研究通过虚拟现实技术和多连杆倒立摆模型，深入探讨了膝关节在建筑工人平衡控制中的关键作用，并验证了膝关节外骨骼在高处施工环境中的有效性。研究结果表明，外骨骼不仅可以显著提高工人的姿势稳定性，还能改善其任务表现，特别是在高处环境中。这些发现为未来外骨骼设备的设计和优化提供了科学依据。

研究亮点

1. 创新性模型：本研究首次使用三连杆和双连杆倒立摆模型量化了站立和跪姿下的平衡控制策略，特别是膝关节的作用。
2. 虚拟现实技术：通过VR和MR技术，研究成功模拟了复杂的施工环境，为平衡控制研究提供了新的工具。
3. 外骨骼应用验证：研究验证了膝关节外骨骼在建筑工人平衡控制和任务表现中的实际应用价值，特别是在高处环境中。
4. 多维度数据分析：研究通过IP高度频率分析、加速度和摇摆面积等多维度数据，全面评估了受试者的平衡控制策略。

其他有价值信息

研究人员还指出，未来的研究可以进一步扩大受试者范围，包括经验丰富的建筑工人，并引入更直接的生理测量手段（如肌电图，EMG）来深入分析外骨骼对肌肉激活的影响。此外，开发能够实时响应平衡变化的自适应控制系统也是未来研究的重要方向。