## 中文标题 近距离无人机作业对斜面屋顶工人姿势平衡的影响：一项混合现实实验研究

《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》：Does Working in Proximity to Drones Affect Workers’ Postural Balance? A Mixed-Reality Study

　　

无人机在建筑施工现场的应用日益增多。然而，近距离无人机作业可能产生视觉与听觉干扰，损害工人的姿势平衡，并增加跌倒、绊倒和滑倒的风险，在斜面屋顶等危险作业环境中尤为如此。尽管存在上述担忧，有关该问题的实证证据仍然有限。为弥补这一空白，本研究开展了一项混合现实屋面实验，其中一架虚拟无人机接近并悬停于0.45 m的距离。31名参与者被要求在无无人机与近距离无人机两种条件下安装屋面瓦。可穿戴鞋垫传感器采集足底压力和压力中心（center of pressure, COP）数据。研究人员计算并比较了5项平衡相关指标。结果表明，近距离无人机存在使双足平均COP速度及右足内/外侧（medial/lateral, M/L）COP位移增加。上述发现提供了初步证据，表明近距离无人机作业可能增加工人的姿势控制需求，凸显了未来开展以人为中心的施工部署策略研究的必要性。

## 论文解读

**研究背景与问题**

跌倒（falls）是建筑行业工作场所死亡的首要原因，占死亡总数的40%，而与跌倒相关的风险在屋面作业中尤为突出；屋面作业仍是建筑业中最危险的任务之一。在斜面屋顶上，工人须以蹲、跪、前倾等别扭姿势（awkward postures）作业，同时维持姿势平衡，并持续监控屋顶边缘、足部状况及周围动态线索，面临严重的身体与认知挑战。近年来，无人机因可快速抵达屋顶等难以到达之处执行安全检查、进度监测和轻质材料运送等任务而在施工现场日益普及；但为完成预定功能，无人机须在工人附近作业，可能造成视觉和听觉干扰，损害其姿势平衡，增加跌倒、绊倒和滑倒风险。虽然已有证据表明无人机存在会分散工人注意力，但是否影响工人姿势平衡——尤其在高处斜面作业时——仍缺乏实证证据。为此，本研究采用混合现实（mixed-reality, MR）技术模拟住宅屋面场景，考察近距离无人机作业对工人姿势平衡的影响。

**研究方法（关键技术方法，约200字）**

研究采用混合现实实验平台，将Varjo XR-3头显与实体斜面屋顶（2.4 m × 1.8 m，27°坡度）结合，构建高保真屋面施工模拟，并以虚拟无人机作为刺激操纵手段（悬停于距头部0.45 m、与眼平齐处，该阈值依据Hall的空间关系学（proxemics）亲密距离边界设定）。每名参与者在无无人机（基线）与近距离无人机两种条件下各完成4 min的屋面瓦安装试次，顺序随机化以控制顺序效应。通过可穿戴鞋垫传感器系统（Moticon OpenGo；慕尼黑，德国）及Moticon Science软件采集足底压力与COP数据，采样频率100 Hz。数据分析采用线性插值填补短于0.5 s的数据缺口、四阶Butterworth低通滤波（截止频率6 Hz、零相位双向滤波）处理信号，提取5项平衡指标，经Shapiro-Wilk正态性检验后进行配对样本t检验（paired-sample t-test），并以Holm-Bonferroni法校正多重比较的I类错误。样本队列来自普渡大学（Purdue University）建筑工程、土木工程及施工管理技术专业，共31名参与者（男21名、女10名），年龄19至28岁（M = 24.45，SD = 2.46），平均建筑行业经验1.1年（SD = 0.91）。

**研究结果**

*Results*：描述性统计显示，两种条件下双足足底压力指标总体相近；左足平均压力由37.45略降至36.75 N/cm²，右足平均压力由36.73小幅升至38.19 N/cm²，峰值压力基本不变。由于鞋垫传感系统采用以内垫长度和宽度归一化的无量纲坐标系，COP指标数值应在此归一化坐标系内解读而非物理距离。前后向（anterior/posterior, A/P）COP范围双足相近；内/外侧COP范围右足由76.41增至78.86（×10^?2），左足变化很小；双足平均COP速度在近距离无人机条件下均升高，分别由44.24升至47.94（×10^?2）和由44.66升至47.49（×10^?2）。配对样本t检验表明，左足平均COP速度在近距离无人机条件下显著高于无无人机条件（t(30) = ?3.17，p = .03），左足其余指标无显著差异；右足内/外侧COP范围在近距离无人机条件下呈边缘性增加（t(30) = ?2.82，p = .08），平均COP速度亦呈边缘性差异（t(30) = ?2.78，p = .08）。综合而言，近距离无人机存在未显著影响足底压力分布，但可能影响反映姿势控制的COP变化。

**讨论与结论**

讨论指出，近距离无人机条件下多项COP指标出现显著变化，提示近距离无人机作业可能影响参与者姿势控制；双足平均COP速度的显著升高提示参与者可能进行了更频繁或更快速的动作调整，平均COP速度常被解读为姿势摇摆与平衡调节的指标，其升高反映维持稳定所需的姿势控制需求增加，故伴随视觉与听觉干扰的近距离无人机可视为增加屋面作业姿势控制需求的外部刺激。右足内/外侧COP位移的边缘性增加可能与所设计屋面任务中双腿功能不对称有关：屋面瓦始终置于参与者身后偏左，参与者可能更多依赖左腿移动或调整位置，右腿更多作为支撑腿承重并维持姿势稳定，因而在无人机刺激出现时通过右足进行更多侧向COP调整以保持平衡；但因该结果仅为边缘显著（p < .1），尚需未来研究进一步验证。相反，基于压力的指标均无显著变化，可能与当前分析方法有关：作为初步分析，压力指标按整足计算而未细分为后足、中足和前足等特定足底区域，而不同足底区域的压力分布可提供更详细的姿势控制信息，未来可开展分区足底压力分析。从施工安全角度看，屋面作业中近距离无人机造成的视觉与听觉干扰可能损害工人姿势稳定性并增加其平衡控制需求，在建筑等危险且体力要求高的环境中，姿势控制需求增加可能进一步升高滑倒、绊倒或跌倒风险；未来部署无人机时不仅应考虑飞行效率与任务完成，还应考虑交互距离、悬停时长和噪声水平，合理的无人机作业策略有助于实现更安全的以人为中心的施工应用。

结论部分译文：本研究采用混合现实实验平台考察近距离无人机作业对屋面作业中工人姿势平衡的影响。结果清楚表明，附近无人机的存在可能增加工人的姿势控制需求，体现为平均COP速度和内/外侧COP范围等COP指标的变化。上述发现表明，即使没有直接身体接触，在工人附近作业的无人机仍可能构成视觉与听觉干扰，进一步增加工人的姿势控制需求。总之，这些发现为建筑环境中无人机的安全部署提供了初步见解。但未来工作也应考虑若干局限：第一，本研究仅考察单一距离（0.45 m），结果无法确定安全阈值距离；第二，未来研究可整合注意力、心理生理及主观测量，以更好解释工人平衡如何受近距离无人机作业影响；第三，未来研究可进一步细化分析指标，如将足底压力测量划分为不同足部区域。