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

要約

建設労働者は危険な作業環境で激しい肉体労働をし、安全と健康に重大なリスクを経験します。
静かな姿勢とひざまずく姿勢は、建設作業員が日常の作業中に行う最も一般的な姿勢の 1 つです。
本稿では、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解析した。
姿勢バランスと溶接作業のパフォーマンスに対する高さとウェアラブル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仮想現実と複合現実 (VR/MR) を設計および統合します。
線形二次レギュレータ制御のトリプルおよびダブルリンク倒立振子モデルは、それぞれ静かな姿勢と膝立ちでのバランス戦略の定量化に使用されます。
不安定な建設環境における職業用外骨格の有用性を評価するために、広範な複数被験者の実験が行われています。
定量化されたバランス戦略は、静かな姿勢と膝立ち歩行のバランス制御中の膝関節の重要性を捉えます。
結果によると、高所の VR/MR 作業現場で膝の外骨格補助を提供した場合、被験者の圧力変動中心が静かな姿勢で最大 62%、膝立ちで最大 39% 減少しました。
開発された包括的なバランスとマルチタスクの評価方法論は、建設中の転倒リスクを軽減するための外骨格設計の考慮事項を明らかにすることを目的としています。

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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