评估建筑施工中的跌倒风险：在滑倒和绊倒等干扰情况下，被动式背部支撑外骨骼的效果

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Assessing fall risk in construction: Effects of a passive back support exoskeleton during slip and trip perturbations

被动背部支撑外骨骼（BSE）在建筑作业中可能通过改变地面反作用力（GRF）、肌肉激活和髋关节角度影响跌倒风险，尤其在负重行走时效应更显著。实验显示BSE开启状态（EON）导致 lateral GRF增加25%，髋内收峰值角减少52%，且髋外展肌激活增强15%，表明BSE可能削弱动态平衡反应能力。本研究为外骨骼设计优化和施工安全指南制定提供数据支撑。

　　

马苏德·汗（Masood Khan）|朱恩奥·徐（JoonOh Seo）|麦克斯韦尔·福特朱尔·安特维-阿法里（Maxwell Fordjour Antwi-Afari）|袁周（Yuan Zhou）|岳功（Yue Gong）

香港特别行政区香港理工大学建筑与房地产系

摘要

被动式背部支撑外骨骼（BSEs）被推荐用于减少建筑行业中与工作相关的肌肉骨骼疾病的发生率并提高生产效率。然而，在施工任务（如行走和搬运重物）中使用BSE时，与跌倒风险相关的生物力学指标（例如滑倒和绊倒）尚未得到充分研究。本研究旨在评估这些指标，特别是在工人佩戴BSE的同时搬运物体的情况下。在参与者穿着BSE在装有传感器的跑步机上行走时，模拟了滑倒和绊倒的情况。设置了三种条件：不使用BSE（WOE）、BSE关闭（EOF）以及BSE开启（EON）。通过力板、肌电图（EMG）和运动捕捉系统测量了地面反作用力（GRF）、躯干、髋部和大腿肌肉的激活情况以及髋关节角度。在两种模式下使用BSE都显著改变了一些GRF、肌肉激活情况和髋关节角度。当参与者搬运物体时，变化更为明显。值得注意的是，在发生滑倒扰动后，EON模式下的侧向GRF增加了近25%，髋关节内收的峰值角度减少了近52%，同时髋关节外展肌的激活增加了近15%。这些变化表明反应效果较差。本研究探讨了变化的原因及其实际影响，强调了需要对外骨骼的设计进行改进、对用户进行培训，并制定施工现场使用BSE的指南。研究结果有助于建筑相关方就是否采用BSE做出明智的决定，并指导制造商开发更适合行走和搬运任务的BSE。

引言

建筑行业是一个劳动密集型行业，建筑工人经常需要保持极端或非中立的姿势（如头顶动作、跪姿或弯腰），同时还要搬运重物、过度劳累并暴露在振动环境中[[1], [2], [3], [4]]。建筑任务的体力要求导致了与工作相关的肌肉骨骼疾病（WMSDs）的高发率，这些疾病在许多国家被视为非致命伤害的主要原因，造成了显著的生产力和经济损失[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。最近，该行业试图通过采用主动或被动外骨骼等辅助技术来解决这些问题。与使用电池驱动的主动外骨骼相比，被动外骨骼不需要电池且重量更轻，因此在建筑作业等现场环境中具有优势[[12], [13], [14]]。

被动外骨骼主要有两个目的：1）减轻重复性任务导致的肌肉过载和疲劳；2）增强肌肉力量和耐力[15]。由于建筑活动通常涉及重复性和体力要求高的手动工作，被动式背部支撑外骨骼（BSEs）通过降低背部受伤的风险和代谢成本，同时提高生产效率，从而积极干预建筑工人的安全和健康风险[[16], [17], [18]]。先前的研究表明，使用BSE可以将任务完成时间减少15-50%，并完全消除下背部不适感[19]。此外，研究表明，在搬运10公斤物体时，BSE可以显著减少下背部肌肉的活动量——在提升时减少12.5%，在放下时减少15.5%[20,21]。

尽管BSE具有诸多优点，但在实际应用中仍存在一些问题，如可用性、不适感和姿势控制不佳等问题，这些问题根植于BSE的设计[22]。一般来说，BSE由被动执行器（如扭转弹簧）组成，用于提供辅助扭矩；刚性框架用于将负荷从危险区域传递到更安全的身体部位；以及BSE与人体之间的安装接口[23]。BSE的刚性结构和额外质量（2.8至4.5公斤）可能会影响佩戴者在执行任务时的可用性[16,24,25]。此外，安装接口区域（如肩膀、髋部和大腿）的接触力被认为是导致不适和疼痛的主要来源[26,27]。许多BSE在单一自由度（DOF）（即腰椎屈伸）上允许较大的活动范围（ROM），但在侧弯和扭转时限制了ROM，这可能会影响姿势控制[28,29]。

多项现有研究通过实验室和现场测试探讨了BSE的负面影响，强调了改进BSE设计以适应更广泛实际应用的必要性[28,30,31]。然而，目前尚未充分研究佩戴BSE对佩戴者安全性的影响。现有BSE的设计和机械机制可能导致稳定性降低、重心（COM）改变以及反应时间增加[25,30,[32], [33], [34]]。对于在危险建筑环境中工作的建筑工人来说，这些问题尤为重要，因为那里存在多种可能导致跌倒的风险因素。由于现场条件恶劣（如地面湿滑、清洁维护不当），建筑工人经常经历滑倒和绊倒等引发跌倒的事件。因此，从失去平衡状态中快速恢复对于降低跌倒风险至关重要[35]。虽然佩戴BSE可以支持建筑工人的体力，但它可能会妨碍他们对跌倒事件的反应，从而增加跌倒的可能性。在这方面，有必要系统地、定量地评估在建筑环境中佩戴BSE的潜在跌倒风险，以确保建筑工人能够安全使用BSE。

本研究通过实验模拟在跑步机上行走时的滑倒和绊倒情况，定量评估佩戴BSE时身体对这些事件的反应，从而研究佩戴BSE对跌倒风险生物力学指标的影响。共招募了9名参与者参与实验，他们在六种实验条件下在跑步机上行走时经历了模拟的滑倒和绊倒——其中3种与BSE相关：不使用BSE（WOE）、BSE关闭（EOF）（BSE的扭矩辅助功能关闭）、BSE开启（EON）（BSE的扭矩辅助功能开启）× 2种搬运物体情况（携带物体和不携带物体）。为了评估身体对模拟滑倒和绊倒的反应，使用力板、肌电图（EMG）传感器和基于标记的运动捕捉系统连续记录了几项指标（地面反作用力（GRF）、肌肉活动和身体运动学数据）。通过统计分析定量评估了使用BSE相关的跌倒风险。基于实验结果，讨论了使用BSE导致生物力学指标变化的潜在原因及其对BSE设计和应用的实际影响。预计本研究将帮助建筑相关方（包括主管和管理人员）就是否在建筑中采用BSE做出明智的决定。此外，研究结果还将指导制造商设计更适合建筑任务的BSE。

章节摘录

被动式外骨骼与潜在的跌倒风险

尽管已在建筑行业中测试了多种类型的被动式外骨骼，但事实证明，对于经常需要搬运和重复性劳动的建筑工人来说，BSE在生物力学和操作性能方面具有显著优势[[36], [37], [38], [39]]。尽管BSE在特定任务（如重物搬运）中显示出其优势，但它们往往会妨碍佩戴者的自然动作和可用性。例如，能量存储和释放机制

方法

本研究旨在通过实验室实验评估BSE对佩戴者对跌倒事件反应及其从失去平衡状态中恢复能力的影响。图1概述了实验设置。选择滑倒和绊倒作为跌倒事件，因为这些事件在建筑现场由于地面湿滑和清洁维护不当等危险条件而常见[[68]]。

基于GRF数据的评估

图5总结了六种实验条件下滑倒和绊倒扰动后前三步中的GRF数据：F_x（ mediolateral方向的力量）、F_y（anteroposterior方向的力量）和F_r（合力）。首先观察到，佩戴激活的BSE在两种扰动后都增加了侧向力量（F_x）。例如，在不搬运物体的情况下，滑倒后的中位标准化F_x值分别为WOE为0.16、EOF为0.18、EON为0.20

讨论

本研究调查了在模拟滑倒和绊倒扰动后搬运物体时，BSE对跌倒风险生物力学指标的影响。这些扰动是通过装有传感器的跑步机来诱导的。除了GRF外，还使用EMG和运动捕捉系统测量了肌肉激活和运动学数据。具体来说，记录了躯干、双侧髋部和大腿肌肉的激活情况

理论贡献与实际意义

本研究探讨了在行走和搬运负载时，使用BSE对跌倒风险生物力学指标的影响。它在几个重要方面与以往的研究有所不同。首先，它采用了一种新颖的方法，在参与者在装有传感器的跑步机上行走时模拟了滑倒和绊倒事件，紧密模仿了现实世界的建筑条件。其次，参与者搬运了6公斤的物体以复制实际情况

结论

被动式外骨骼被认为可以提高手动物料处理任务的效率并减少肌肉骨骼疾病（WMSDs）的发生率。然而，人们对其使用可能带来的跌倒风险表示担忧。本研究通过测量地面反作用力（GRF）、肌肉激活和运动学数据，评估了在行走和搬运重物时使用BSE对跌倒风险生物力学指标的影响。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本稿件时，作者使用了[ChatGPT、DeepSeek、Copilot]来改进语法和可读性。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

马苏德·汗（Masood Khan）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、验证、方法论、调查、数据分析、概念化。朱恩奥·徐（JoonOh Seo）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。麦克斯韦尔·福特朱尔·安特维-阿法里（Maxwell Fordjour Antwi-Afari）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督。袁周（Yuan Zhou）：软件开发、调查、数据分析。岳功（Yue Gong）：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了香港理工大学BRE研究激励计划的支持。