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手扶拖拉机操作过程中人体手-臂系统手传振动的测量

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DOI：

10.3791/62508

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2021年6月16日

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1School of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3Mechanical and Manufacturing Engineering, Miami University

本文内容

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。6,7,8,9,10,11,12,13但不同研究者的结果并不一致。许多影响因素尚未被充分理解，因而未能纳入标准方法中。这一局限性部分归因于人手-手臂系统的复杂性、测试条件的差异，以及所采用的实验与测量技术的不同。

此外，早期大多数手传振动（HTV）的测量均是在理想化的振动激励、握力和姿势条件下严格控制进行的。因此，这些测量结果和实验方法可能无法真实反映实际工况，例如手扶拖拉机的操作条件。而且，目前仅有少量研究通过实地测量来考察手扶拖拉机的手传振动。这些测量采用加速度传感器安装在操作者的手腕、手臂、胸部和头部，用于测量拖拉机在运输工况下的全身振动1，或在未耕田中耕作以及在淹水田中耙地、且发动机转速不同的工况下的振动情况14。然而，握力这一可能是影响手传振动的关键因素7,8，并未被单独加以研究。由于农业作业中操作者在恶劣环境条件下需保持多种强制性姿势，上述方法因而不适合作为标准化的测量程序。

本研究旨在为手扶拖拉机在静止状态下进行手传振动（HTV）测量建立可靠且可重复的测试程序。 图1展示了实验设计的示意图。实验采用一台在中国制造并被中国农民广泛使用的手扶拖拉机，并选取十名研究人员作为受试者。通过在拖拉机-手-臂系统上安装七个轻型压电加速度传感器来测量振动。同时使用一个转速计和两个薄膜压力传感器监测测试过程中的发动机转速和握持力。要求受试者依次在指定的发动机转速和规定的握持力条件下操作手扶拖拉机，以获取不同工况下的振动特性。本文提供了一套详细的拖拉机-手-臂系统HTV测量方案，特别考虑了握持力与振动频率变化的影响。

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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。
    注意：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。
    注意：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，并获取其签署的知情同意书。
    1. 排除患有以下疾病者：原发性雷诺病或继发性雷诺现象、手部血液循环障碍、骨与关节畸形、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，并取下手表、手镯、戒指 等等.
  3. 提醒每位受试者在操作过程中切勿触碰手扶拖拉机的换挡杆。提醒每位受试者在手扶拖拉机运行时远离发动机皮带轮。
  4. 为受试者提供手扶拖拉机的速度调节训练。告知每位受试者在实验结束时通过按下发动机开关按钮来关闭发动机。
    注意：通常情况下，发动机转速由右手把上的油门开关控制，受试者需通过右手向左（降低转速）或向右（提高转速）转动油门开关来调节发动机转速。
  5. 指导每位受试者如何操作手扶拖拉机，以及如何将发动机转速调节至1500 rpm至3500 rpm之间。
  6. 测量每位受试者的身体尺寸（站立身高、体重、前臂长度、上臂长度、手长）。
    注意： 表 2 总结了本实验中十名健康受试者的身体特征。
  7. 将加速度计适配器紧密缠绕在每位受试者的手部和手臂上，位置如图所示。 图2.
    ​注意：每个适配器均使用尼龙带和一块镀锌铁皮（0.3 mm）制成，以提供坚固且轻便的连接结构。

3. 测量系统设置

  1. 加速度测量系统设置
    注意：本步骤旨在采集手扶拖拉机手柄处以及操作员手-臂系统的六个位置的振动加速度信号。所采用的方法使用一套紧凑型数据采集（DAQ）系统，该系统由七个加速度传感器、三块数据采集卡、一个DAQ机箱、一台笔记本电脑以及若干配套电缆组成。图3). 其他具有适用于相关应用的适当特性的数据采集系统也可类似地应用。
    1. 在开始测量之前，收集测量系统的所有组件（加速度计、数据采集系统、薄膜压力传感系统、转速计、数字测角仪及其他相关组件）。
    2. 设置加速度测量系统时，使用加速度计电缆将加速度计连接至数据采集卡。使用以太网电缆将机箱与计算机连接。
      注意：本实验使用了两个三轴加速度计和五个单轴加速度计，均采用磁性底座固定。
    3. 在手扶拖拉机的左侧把手安装一个三轴加速度计，并在受试者手部的加速度计适配器上安装另一个。依次在受试者手臂和肩部的加速度计适配器上安装单轴加速度计。
      注意：加速度计的位置如图所示 图1三轴加速度计应尽可能靠近手扶拖拉机左侧把手处操作员的左手位置进行安装。
    4. 调整手部三轴加速度计的方向，使其与基本节坐标系保持一致（图4用于手-臂振动测量的方法参照 ISO 5349-1 标准4使用胶带将加速度计的电缆固定在受试者手臂的皮肤表面和拖拉机的车把上。
  2. 握力测量装置设置
    注意：一种薄膜压力传感系统15,16 采用两个电阻式压力感应器、一个单片机控制器和一个LED显示屏设计，并在测量前进行校准，如图所示 图5.
    1. 使用双面胶带将两个薄膜传感器对称地粘贴在手柄中央轴线两侧的相对位置上。
    2. 将传感系统的显示屏置于方便的高度，以便受试者在操作手扶拖拉机时能够监测并调节握力至指定水平。
  3. 发动机转速测量装置
    注意：发动机转速指的是所用手扶拖拉机发动机螺旋桨的每分钟转数（RPM），等于发动机皮带轮的转速。操作过程中使用激光转速计对发动机转速进行校准和监测。
    1. 粘贴一块反光胶带（约10 × 10 mm）至发动机皮带轮表面，用于激光转速计测量。
    2. 将转速计放置在适当高度，并使其与反射胶带垂直。
  4. 姿势测量
    1. 指导受试者握住手柄并将其抬升至水平位置。使用数字测角器测量受试者手部和手臂的姿势。
      ​注意：五个角度17 用于描述手扶拖拉机操作过程中手部和手臂姿势的示意图如图所示 图6本实验中测得的受试者姿势角度如图所示 表 2.
    2. 要求受试者保持该姿势直至试验结束。

4. 实验与数据采集

  1. 将手扶拖拉机置于空挡启动，并以低转速（约1500 rpm）运行约30秒，直至运转稳定。
  2. 依次开启转速计、薄膜压力传感装置、笔记本电脑和加速度数据采集系统。
  3. 打开数据采集软件，为每位受试者创建新文件。设置加速度的采集模式和采样率等参数以进行数据采集。
    注意：为准确表征手扶拖拉机振动（HTV），采样率不应低于1500 Hz。本研究中采样率设定为1650 Hz。若采用更高的采样率进行数据采集，建议使用截止频率为1500 Hz的低通滤波器，以消除无关高频成分等噪声影响。
  4. 点击 运行，等待约10秒直至系统稳定，然后点击 记录 开始采集加速度数据。
  5. 发动机转速与握力的调节
    注意：如 图7 所示，每次试验中，实验在三个发动机转速水平（1500、2500和3500 rpm）以及三个握力水平（20、30和40 N）下进行。每位受试者完成HTV测试的持续时间约为6分钟。
    1. 要求受试者观察转速计，并将发动机转速调节至1500 rpm，直至稳定。
    2. 指导受试者通过观察薄膜压力传感系统显示的力信号，小心地将握力调节至20 N，并维持该握力水平约30秒。
      注意：握力调节是指手与手扶拖拉机把手之间压力的增加或减少。受试者应通过更紧或更轻地握持把手来调节握力。
    3. 将握力调节至30 N并维持约30秒，随后再调节至40 N并维持约30秒。
    4. 将发动机转速调节至2500 rpm，并重复步骤4.5.2和4.5.3。
    5. 将发动机转速调节至3500 rpm，并重复步骤4.5.2和4.5.3。
  6. 要求受试者将油门开关调至最低转速，放下把手，关闭手扶拖拉机的发动机。
  7. 保存数据并关闭数据采集系统。取下加速度计，并安装到下一位受试者身上。
  8. 重复步骤4.3至4.7，直至完成所有受试者的数据采集。
  9. 导出加速度时间序列数据以供进一步分析。

5. 数据处理与分析

  1. 将记录的振动时域信号导入 MATLAB 软件。利用公式（1）计算手扶拖拉机手柄振动加速度的均方根（RMS）值，该值用于表征手扶拖拉机作业过程中的振动暴露水平：
    figure-protocol-1 (1)
    其中， aRMS 是振动加速度的均方根值（m/s2) 针对每个1/3倍频程频带进行计算， a(t) 是测得的振动加速度幅值（m/s²）2），以及 T 为测得的振动加速度持续时间（s）。
    注意：根据 ISO 5349-1 标准，应使用均方根（RMS）加速度来表示传递到操作者手部的振动幅度。
  2. 使用公式（1）计算每位受试者手部、手腕、前臂和肩部振动加速度的均方根值。使用公式（2）计算振动传递率（TR）。1,14:
    figure-protocol-2 (2)
    其中， a在 是HTV的手柄振动，以及 a出 是受试者手-臂系统六个位置的相应振动（参见 图2).
    注意：根据 ISO 5349-1，可能影响手传振动测量结果的因素（除握力和振动频率外）包括：操作者的技能、身体姿势、气候条件、噪声 等等。 为降低这些随机因素的影响，本研究对十名受试者所有测量位点的TR值进行了平均。
  3. 使用 MATLAB 程序通过快速傅里叶变换（FFT）算法将手柄的时域信号转换为频域信号，以分析输入振动。

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结果

实验在实验室中进行（空气温度为 22.0 °C ± 1.5 °C），十名健康受试者（表 2）在固定状态下操作手扶拖拉机时接受了测试。

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 显示在3500 rpm发动机转速下，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Z方向上最高 Y-轴方向最高，沿最低的 X-轴。该装置的最大加速度为 X 和 Z 振动方向发生的频率为58 Hz（即对应转速3500 rpm的发动机工作频率）。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。

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

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究受到中国重庆市自然科学基金（cstc2019jcyj-msxmX0046）、中国重庆市教育委员会项目（KJQN202001127）以及中国重庆市巴南区科学技术委员会项目（2020TJZ010）的资助。作者谨此感谢杨艳教授提供测试场地。同时，我们感谢王景舒博士和马静华博士在振动测量仪器使用方面提供的指导。此外，感谢所有受试者在实验过程中给予的全力配合。

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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 InstrumentscRIO-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Sanliang160800635用于测量手部尺寸。
数字测角仪Sanliang802973用于测量手部和手臂姿势。
笔记本电脑LenovoIdeapad 500s用于运行软件。
MatlabMathWorks Inc.版本 2020a用于数据处理。
NI SignalExpressNational Instruments试用版 2015用于采集、分析和展示加速度数据。
转速计SanliangTM 680用于测量发动机转速。
薄膜压力传感系统YourCeen/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。

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