手扶拖拉机操作过程中人体手-臂系统手传振动的测量

本实验的总体目标是研究手扶式拖拉机操作过程中手-臂系统的生物动力学响应及振动传递特性。本研究提供了一种考虑握力和振动频率变化的手-臂系统振动传递测量方案。该方法有助于深入理解手-臂系统的振动传递特征。

开始，将手扶拖拉机置于具有干燥、坚实且平坦地面的测试场地。拆除手柄上的弹性材料。在获得所有受试者的知情同意后，测量每位受试者的身体尺寸，包括站立身高、体重、前臂长度、上臂长度和手长。

将加速度计适配器紧密地绑在每位受试者的手和手臂上。每个适配器由尼龙搭扣带和一块镀锌铁皮制成，以提供刚性且轻便的固定。加速度计适配器分别绑在手背、前臂远端、前臂近端、上臂远端、上臂近端以及肩峰处。

在开始测量之前，收集测量系统的所有组件，包括加速度计、数据采集系统、薄膜压力传感系统、转速计、数字测角仪、加速度计适配器及其他相关组件。设置加速度测量系统时，首先使用加速度计电缆将加速度计连接至数据采集卡，然后使用以太网电缆将机箱连接至计算机。

然后，将一个三轴加速度计安装在左手柄或手扶拖拉机的左侧手柄上，另一个安装在受试者左手的加速度计适配器上。依次将单轴加速度计安装在受试者手臂和肩部的加速度计适配器上。调整三轴加速度计的方向，使其与规定的坐标系保持一致。

最后，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。为了设置握力测量系统，首先使用双面胶带将两个薄膜传感器粘贴在手扶拖拉机的左侧手柄上。然后，将屏幕系统放置在方便的高度。

以便受试者在操作手扶拖拉机时能够监测并调整握力至指定水平。随后，指导受试者握住手柄并将其抬升至水平位置。使用电子测角仪测量受试者手部和手臂的姿势，包括肩部水平外展、肩部垂直外展、肘关节伸展、腕关节伸展以及腕关节偏移。

要求受试者保持该姿势直至试验结束。将手扶拖拉机置于空挡启动，并以低转速持续运行直至稳定。开启转速计、薄膜压力传感装置、笔记本电脑及加速度数据采集系统。

设置加速度、采集模式和采样率等参数以进行数据采集。点击“运行”，等待约十秒钟直至系统稳定，然后点击“记录”以开始记录加速度数据。测试过程中，请受试者监控转速计，并调节发动机转速至1,500转/分钟，直至转速稳定。

然后，指导受试者将握力精确调整至20牛顿，并维持该握力水平约30秒。接着，将握力调整至30牛顿，保持约30秒。随后，将握力调整至40牛顿，并维持约30秒。

随后，将发动机转速调节至 2,500 转/分钟，重复上述握力调节步骤。最后，将发动机转速调节至 3,500 转/分钟，并再次重复上述握力调节步骤。试验结束时，指示受试者放下手柄，并关闭手扶拖拉机的发动机。

保存振动加速度数据，取下加速度计并放置到下一位受试者身上。重复上述步骤，直至完成所有受试者的数据采集。然后导出加速度时间序列数据以供进一步分析。

这些图展示了手柄在半秒时间内的时域和频域加速度样本。X 和 Z 方向的最大加速度出现在 58 赫兹的频率处。大部分振动能量集中在 50 至 200 赫兹的频率范围内。

获得了手-臂系统握力与振动加速度均方根值之间的平均关系。观察到，在20至100赫兹频率范围内，握力的增加显著提高了振动加速度。并且发现三个共振频率几乎随握力的增加呈线性上升。

同时，获得了发动机转速与均方根加速度之间的关系。如图所示，较低频率的振动相对未经衰减地传递，而较高频率的振动衰减则非常明显。

因此，可以合理地得出结论：大部分振动能量在手部和前臂处被耗散。该图展示了手-臂系统不同位置的平均传递率。研究发现，手-臂系统对振动的传递率随着距振源距离的增加而降低。

手背处的振动传递率最高。腕部和肘部振动传递的共振频率约为 20 赫兹。研究还发现，只有低于 25 赫兹的振动才能有效传递至前臂、上臂和肩部。

该方法基于手传振动标准建立，旨在制定在固定工况下操作手扶拖拉机时人体手-臂系统手传振动测量的标准规程。加速度传感器及其适配器的总重量应尽可能轻，以减小测量误差。每位受试者的试验过程应连续完成，避免中断，以减少操作姿势变化带来的影响。

该方法的主要潜在应用包括估算人-拖拉机相互作用现象、手扶拖拉机的人体工程学开发，以及防护装置（如隔振器和手套）的开发。