手扶拖拉机操作过程中人体手-臂系统手传振动的测量

摘要

本文介绍了一种标准化方法，用于测量单轴拖拉机手柄传递到手部的振动，特别关注握力和振动频率变化的影响。

摘要

手扶拖拉机操作员会暴露于高水平的手传振动（HTV）中。这种振动通过操作员的手和手臂传递，不仅令人不适，还可能危害人体健康。然而，目前尚未建立针对手扶拖拉机手传振动测量的标准化方法。本研究旨在提出一种实验方法，用于研究在静止状态下操作手扶拖拉机时手-臂系统的生物动力学响应及振动传递特性。实验由十名受试者参与，采用三种握力和三种手柄振动水平，以考察手部压力和频率对手传振动（HTV）的影响。结果表明，握持手柄的紧度会影响手-臂系统的振动响应，尤其在20至100 Hz频率范围内影响显著。手-臂系统对较低频率振动的衰减较小，而对较高频率振动的衰减则较为明显。在操作手扶拖拉机过程中，振动从振源向外传递时，随着距振源距离的增加，传至手-臂系统不同部位的振动传递率逐渐降低。所提出的实验方法有助于系统性地收集操作员振动暴露评估数据，并推动手扶拖拉机的人机工程学设计发展。

引言

手扶拖拉机，也称为动力耕耘机，在发展中国家被广泛用于小块农田的耕作准备。手扶拖拉机的田间作业需要操作者步行于机器后方，双手握持把手以控制其移动。手扶拖拉机的操作者会暴露于高水平的振动环境中，这主要归因于手扶拖拉机所采用的小型单缸发动机及其缺乏悬置系统¹。长期暴露于手扶拖拉机产生并由操作者手部接收的振动，即手传振动（HTV），可能导致手-臂振动综合征（HAVS）²。为了评估操作者暴露于手扶拖拉机手传振动所带来的健康风险，有必要建立一种用于测量手-臂系统振动响应的方法。

手-臂系统由骨骼、肌肉、组织、静脉和动脉、肌腱以及皮肤组成³，且对HTV的直接测量存在诸多问题。相关的国际标准^4,5 提供有关测量手部附近振动强度的指南，包括手部坐标系、加速度计的安装位置与固定方式、测量时长以及电缆连接器问题的处理方法 等等然而，这些标准并未考虑内在变量，例如握力、手部和手臂的姿势以及个体差异， 等等这些因素已在多种振动激励和测试条件下得到了广泛研究。^6,7,

方案

所有实验程序均经重庆理工大学伦理委员会批准，每位受试者在参与本研究前均签署了书面知情同意书。

1. 手扶拖拉机准备

1. 确保手扶拖拉机在燃油箱加满、螺栓无松动、无其他可能导致异常振动的机械缺陷等正常测试条件下进行测试。
   注：本实验所用手扶拖拉机的规格见表1。
2. 将手扶拖拉机置于地面干燥、坚实且平坦的测试场地。
   注：若在室内实验室进行本实验，实验室必须具备良好的通风条件，以避免手扶拖拉机排放的废气造成伤害。
3. 拆除发动机皮带轮的防尘罩，以便在实验过程中使用转速计方便地校准发动机转速。
4. 根据ISO 5349-2标准⁵，拆除手柄上的弹性材料。

2. 受试者准备

1. 确保所有受试者身体健康，无任何身体疾病，且年龄在18岁以上³向每位受试者说明研究目的和测试流程，并获取所有受试者的书面知情同意书。
   1. 排除患有以下疾病的受试者：原发性雷诺病或继发性雷诺现象、手部血液循环障碍、骨骼和关节畸形、周围神经系统或肌肉骨骼系统疾病³.
2. 要求受试者穿着无袖或短袖衣物，并取下....

结果

实验在实验室条件下（空气温度 22.0 °C ± 1.5 °C）进行，十名健康受试者（表 2）在固定状态下操作手扶拖拉机。

根据方案，从手扶拖拉机的把手以及每位受试者的手背、手腕、前臂和肩部采集了振动加速度数据。获得了把手处（输入至手部）振动加速度的频谱。 图8 显示了在3500 rpm发动机转速水平下，给定时间段内手柄处时域和RMS频域加速度的样本。显然，振动加速度在 Y-轴方向最高，沿最低的 X-轴。该最大加速度 X 和 Z 方向变化的频率为58 Hz（即对应转速3500 rpm时发动机的工作频率）。大部分振动能量集中在50至200 Hz的频率范围内。通过相同的分析过程，可获得时域和频域信号的特征，如振动幅值、峰值、主频等。 等等。

还考察了握力和发动机转速对手臂系统振动响应的影响。如图9

讨论

本研究中提出的实验方案基于HTV标准^4,5,24，并被制定为在固定工况下测量人体手-臂系统在操作手扶拖拉机时HTV的标准步骤。该工况是手扶拖拉机最稳定的状态，有助于确保对实际传递至手和臂的振动进行可靠测量。通过调节发动机转速和握力来实施测试，所考虑的变量范围覆盖了手扶拖拉机正常且安全的操作范围。鉴于手-臂系统的复杂性，采用本方案获得的实验结果与有关振动源特性²⁵、振动传递率^1,26以及影响手扶拖拉机操作过程中手-臂系统响应的关键因素^8,27的文献报道数据具有良好的一致性。

结果依赖于该实验方案中设置的某些关键组件。首先.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
加速度计	PCB Piezotronics Inc.	352C33, 356A04	用于测量振动信号，包括2个三轴加速度计和5个单轴加速度计。
CompactDAQ 系统	National Instruments	cRIO-9045,NI-9234 C	用于加速度信号采集。该系统由一个机箱和3块数据采集卡组成。
数显卡尺	Sanliang	160800635	用于测量手部尺寸。
数字测角仪	Sanliang	802973	用于测量手部和手臂姿势。
笔记本电脑	Lenovo	Ideapad 500s	用于运行软件。
Matlab	MathWorks Inc.	版本 2020a	用于数据处理。
NI SignalExpress	National Instruments	试用版 2015	用于采集、分析和展示加速度数据。
转速计	Sanliang	TM 680	用于测量发动机转速。
薄膜压力传感系统	YourCee	n/a	用于测量握力。该系统由2个薄膜传感器、一个STM32单片机和一个LED显示屏组成。