Exoskeleton-Assisted Balance and Task Evaluation During Quiet Stance and Kneeling in Construction

要約

建設労働者は、激しい肉体労働を強いられ、危険な作業環境で深刻な安全・健康リスクを経験する。静止姿勢と膝立ちは、建設労働者が日常作業中に行う最も一般的な姿勢の一つである。本論文では、地面反力の交点の周波数挙動を用いて、下肢関節が神経バランス制御戦略に及ぼす影響を分析する。姿勢バランスと溶接作業パフォーマンスに対する高所と装着可能な膝外骨格の影響を評価するために、高所環境と溶接作業をシミュレートするための仮想現実と複合現実（VR/MR）を設計し統合する。リニア2次レギュレータ制御の3連リンクおよび2連リンク倒立振子モデルを用いて、それぞれ静的立位および膝立ちでのバランス戦略を定量化する。不安定な建設環境における作業用外骨格の有用性を評価するために、広範な複数被験者による実験を実施した。定量化されたバランス戦略は、静かな立脚歩行と膝立ち歩行のバランス制御における膝関節の重要性を捉えている。その結果、高所VR/MR作業現場で膝外骨格の補助を受けた被験者の圧力動揺中心面積は、静かな立位で62％、膝立ちで39％まで減少した。開発された包括的なバランスおよびマルチタスク評価方法は、建設現場における転倒リスクを軽減するための外骨格設計上の考慮事項を明らかにすることを目的としている。

要約(オリジナル)

Construction workers exert intense physical effort and experience serious safety and health risks in hazardous working environments. Quiet stance and kneeling are among the most common postures performed by construction workers during their daily work. This paper analyzes lower-limb joint influence on neural balance control strategies using the frequency behavior of the intersection point of ground reaction forces. To evaluate the impact of elevation and wearable knee exoskeletons on postural balance and welding task performance, we design and integrate virtual- and mixed-reality (VR/MR) to simulate elevated environments and welding tasks. A linear quadratic regulator-controlled triple- and double-link inverted pendulum model is used for balance strategy quantification in quiet stance and kneeling, respectively. Extensive multi-subject experiments are conducted to evaluate the usability of occupational exoskeletons in destabilizing construction environments. The quantified balance strategies capture the significance of knee joint during balance control of quiet stance and kneeling gaits. Results show that center of pressure sway area reduced up to 62% in quiet stance and 39% in kneeling for subjects tested in high-elevation VR/MR worksites when provided knee exoskeleton assistance. The comprehensive balance and multitask evaluation methodology developed aims to reveal exoskeleton design considerations to mitigate the fall risk in construction.

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