Articolo metodologico

Misurazione della vibrazione trasmessa a mano del sistema del braccio manuale umano durante il funzionamento di un trattore a mano

DOI:

10.3791/62508

⸱

16 giugno 2021

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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

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Qui presentiamo un metodo standardizzato per la misurazione delle vibrazioni trasmesse a mano dalle maniglie di un trattore monoassi con particolare riferimento ai cambiamenti nella forza di presa e nella frequenza delle vibrazioni.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli operatori dei trattori a mano sono esposti ad alti livelli di vibrazioni trasmesse a mano (HTV). Questa vibrazione, che può essere fastidiosa e pericolosa per la salute umana, viene impartita all'operatore attraverso le sue mani e le sue braccia. Tuttavia, non è ancora stato definito un metodo standardizzato per la misurazione dell'HTV dei trattori a mano. Lo studio aveva lo scopo di presentare un metodo sperimentale per lo studio della risposta biodinamica e della trasmissibilità delle vibrazioni del sistema mano-braccio durante il funzionamento di un trattore a mano in modo stazionario. Sono state effettuate misurazioni con dieci soggetti utilizzando tre forze di presa e tre livelli di vibrazione della maniglia per esaminare le influenze della pressione e della frequenza della mano sulle vibrazioni trasmesse a mano (HTV). I risultati indicano che la tenuta di aderenza sulla maniglia influenza la risposta di vibrazione del sistema mano-braccio, specialmente a frequenze tra 20 e 100 Hz. La trasmissione di frequenze più basse nel sistema mano-braccio era relativamente incustodita. In confronto, l'attenuazione è stata riscontrata come abbastanza marcata per frequenze più elevate durante il funzionamento del trattore a mano. La trasmissibilità delle vibrazioni a diverse parti del sistema mano-braccio è diminuita con l'aumento della distanza dalla sorgente di vibrazioni. La metodologia proposta contribuisce alla raccolta di dati coerenti per la valutazione dell'esposizione alle vibrazioni dell'operatore e allo sviluppo ergonomico dei trattori a mano.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I trattori a mano, noti anche come fresatrici di potenza, sono ampiamente utilizzati nei paesi in via di sviluppo per la preparazione del terreno di piccoli campi. Il funzionamento sul campo di un trattore a mano comporta camminare dietro la macchina e tenere le maniglie per controllarne il movimento. Gli operatori dei trattori a mano sono esposti ad alti livelli di vibrazione, che potrebbero essere attribuiti al piccolo motore monocilindrico e alla mancanza di sistema di sospensione dei trattori amano 1. La sindrome da vibrazione mano-braccio (HAVS)2 può essere causata da una resistenza a lungo termine dalla vibrazione, denominata vibrazione trasmessa a mano (HTV), generata dal trattore a mano e ricevuta dalle mani dell'operatore. Per valutare i rischi per la salute derivanti dall'esposizione degli operatori all'HTV dei trattori a mano, è necessario stabilire un metodo per misurare la risposta alle vibrazioni del sistema mano-braccio.

Il sistema mano-braccio è composto da ossa, muscoli, tessuti, vene e arterie, tendini e pelle3e la misurazione diretta dell'HTV pone molti problemi. Le pertinenti norme internazionali4,5 forniscono linee guida relative alla misurazione della gravità delle vibrazioni generate nelle immediate vicinanze della mano, compreso il sistema di coordinate per la mano, la posizione e il montaggio degli accelerometri, la durata della misurazione, i problemi del connettore del cavo, ecc. Tuttavia, gli standard non prendono in considerazione variabili intrinseche, come la forza di presa, la postura della mano e del braccio, i singoli fattori, ecc. Questi fattori sono stati ampiamente esaminati in un'ampia gamma di eccitazioni di vibrazioni e condizioni di prova6,7,8,9,10,11,12,13, ma i risultati di diversi investigatori non sono in buoni accordi. Molti di questi fattori non sono stati sufficientemente compresi per essere incorporati nei metodi standard. Questa restrizione è in parte attribuibile alla complessità del sistema mano-braccio umano, alle condizioni di prova e alle differenze nelle tecniche sperimentali e di misurazione impiegate.

Inoltre, la maggior parte delle misurazioni precedenti dell'HTV sono state eseguite in condizioni attentamente controllate con eccitazioni di vibrazioni idealizzate, forza di presa e condizioni posturali. I risultati e le procedure sperimentali di queste misurazioni, quindi, potrebbero non replicare realmente le condizioni reali, come le condizioni operative dei trattori a mano. Inoltre, sono stati intrapresi sforzi limitati per studiare l'HTV dei trattori a mano con misurazioni sul campo. Queste misurazioni sono state eseguite utilizzando accelerometri attaccati al polso, al braccio, al torace e alla testa dell'operatore per misurare le vibrazioni di tutto il corpo nelle condizioni ditrasporto del trattore 1o nelle condizioni di lavorazione in un campo untilled e puddling in un campo sommerso con diversi livelli di velocità del motore14. L'effetto della forza di presa, che potrebbe essere un fattore cruciale di HTV7,8, non è stato isolato. Questi metodi non sono quindi adatti come procedure di misurazione standardizzate a causa delle varie posture forzate dell'operatore durante l'agricoltura attribuite alle dure condizioni ambientali.

La presente ricerca è stata intrapresa per contribuire alla definizione di procedure affidabili e ripetibili per la misurazione HTV dei trattori a mano in modo stazionario. La figura 1 presenta il diagramma schematico della progettazione sperimentale. Un trattore a mano prodotto in Cina e comunemente usato dagli agricoltori cinesi era impiegato, e dieci ricercatori sono stati scelti come soggetti per lo studio. Sette accelerometri piezoelettrici leggeri collegati al sistema trattore-braccio mano sono stati utilizzati per misurare la vibrazione. Un contagiri e due sensori di pressione a film sottile hanno monitorato la velocità del motore e la forza di presa durante i test. Ai soggetti è stato richiesto di azionare in sequenza il trattore a mano a velocità specifiche del motore e con forze di presa specificate per ottenere le caratteristiche di vibrazione in varie modalità operative. Questo manoscritto fornisce un protocollo dettagliato per la misurazione HTV del sistema trattore-braccio mano-braccio con considerazione unica dei cambiamenti nella forza di presa e nella frequenza delle vibrazioni.

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Protocollo

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Tutte le procedure sono state approvate dal Comitato Etico dell'Università di Tecnologia di Chongqing e ogni materia ha fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione a questo studio.

1. Preparazione del trattore a mano

  1. Assicurarsi che il trattore a mano sia sottoposto a condizioni di prova adeguate con un serbatoio pieno di carburante, senza allentamento dei bulloni e senza altri difetti meccanici che comporterebbero vibrazioni anomale.
    NOTA: Le specifiche del trattore a mano utilizzate in questo esperimento sono fornite nella tabella 1.
  2. Posizionare il trattore a mano in un sito di prova con una superficie del terreno asciutta, soda e livellata.
    NOTA: Se l'esperimento è stato condotto in un laboratorio interno, il laboratorio deve essere ben ventilato per evitare effetti nocivi dei gas di scarico dal trattore a mano.
  3. Rimuovere il coperchio antipolvere della puleggia del motore per calibrare comodamente la velocità del motore con un tachimetro durante l'esperimento.
  4. Rimuovere i materiali elastomerici delle maniglie secondo lo standard ISO 5349-25.

2. Preparazione del soggetto

  1. Assicurarsi che tutti i soggetti siano sani senza disturbi fisici e siano al di sopra dell'età di 18 anni3. Informare ogni argomento sugli obiettivi dello studio e sulle procedure di prova. Ottenere il consenso informato scritto da tutti i soggetti.
    1. Escludere soggetti con le seguenti malattie: malattia primaria di Raynaud o fenomeno secondario di Raynaud, compromissione della circolazione sanguigna alle mani, deformità delle ossa e delle articolazioni, disturbi del sistema nervoso periferico o del sistema muscolo-scheletrico3.
  2. Chiedi ai soggetti di indossare abiti senza maniche o a maniche corte e di rimuovere orologi, bracciali, anelli, ecc.
  3. Avvertire ogni soggetto di non toccare la leva del cambio del trattore a mano durante il funzionamento. Avvertire ogni soggetto di stare lontano dalla puleggia del motore quando il trattore a mano è in funzione.
  4. Fornire ai soggetti un allenamento di regolazione della velocità sul trattore a mano. Informare ogni soggetto di spegnere il motore alla fine dell'esperimento premendo il pulsante dell'interruttore del motore.
    NOTA: Generalmente, la regolazione della velocità del motore è controllata dall'interruttore dell'acceleratore situato sulla maniglia destra e i soggetti sono addestrati a regolare la velocità del motore ruotando l'interruttore dell'acceleratore a sinistra (diminuzione della velocità) o a destra (aumento della velocità) con le mani destra.
  5. Istruisi ogni soggetto su come utilizzare il trattore a mano e su come regolare il motore da 1500 giri/min a 3500 giri/min.
  6. Misurare le dimensioni del corpo di ciascun soggetto (altezza in piedi, massa, lunghezza dell'avambraccio, lunghezza superiore del braccio, lunghezza della mano).
    NOTA: La tabella 2 riassume le caratteristiche fisiche di dieci soggetti sani in questo esperimento.
  7. Avvolgere saldamente gli adattatori dell'accelerometro sulla mano e sul braccio di ciascun soggetto nelle posizioni indicate nella figura 2.
    NOTA: Ogni adattatore è stato fabbricato utilizzando un cinturino in nylon e un pezzo della lamiera di ferro zincata (0,3 mm) per fornire un attacco rigido e leggero.

3. Configurazione del sistema di misurazione

  1. Configurazione del sistema di misurazione dell'accelerazione
    NOTA: Le fasi attuali mirano a raccogliere i segnali di accelerazione delle vibrazioni dalla maniglia del trattore a mano e da sei posizioni del sistema mano-braccio dell'operatore. L'approccio proposto utilizza un sistema compatto di acquisizione dati (DAQ) composto da sette accelerometri, tre schede di acquisizione dati, uno chassis DAQ, un computer portatile e alcuni cavi associati(Figura 3). Altri tipi di sistemi DAQ con caratteristiche adeguate per l'applicazione coinvolta possono essere applicati in modo simile.
    1. Prima di iniziare una misurazione, raccogliere tutti i componenti del sistema di misurazione (accelerometri, sistema di acquisizione dati, sistema di rilevamento della pressione a film sottile, contagiri, goniometro digitale e altri componenti rilevanti).
    2. Per impostare il sistema di misurazione dell'accelerazione, collegare l'accelerometro con le schede di acquisizione dati utilizzando i cavi dell'accelerometro. Utilizzando un cavo Ethernet, collegare lo chassis con il computer.
      NOTA: In questo esperimento sono stati utilizzati due accelerometri triassiali e cinque accelerometri a singolo asse fissati con base di montaggio magnetica.
    3. Fissare un accelerometro triassiale sulla maniglia sinistra del trattore a mano e attaccare l'altro sull'adattatore dell'accelerometro della mano del soggetto. Attaccare accelerometri a singolo asse, uno per uno, sugli adattatori dell'accelerometro del braccio e della spalla del soggetto.
      NOTA: Le posizioni degli accelerometri sono come illustrato nella figura 1. La scelta della posizione dell'accelerometro triassiale sulla maniglia sinistra del trattore a mano deve essere il più vicino possibile alla mano sinistra dell'operatore.
    4. Regolare l'orientamento degli accelerometri triassiali sulla mano in modo che siano coerenti con il sistema di coordinate basicentrico (Figura 4) per la misurazione delle vibrazioni mano-braccio fare riferimento allo standard ISO 5349-14. Utilizzando del nastro adesivo, fissare i cavi dell'accelerometro sulla superficie della pelle del braccio del soggetto e sul manubrio del trattore.
  2. Configurazione della misurazione della forza di presa
    NOTA: Un sistema di rilevamento della pressione a filmsottile 15,16 è stato progettato con due sensori sensibili alla pressione resistiva, un controller a chip singolo e un display a LED ed è stato calibrato prima della misurazione, come mostrato nella figura 5.
    1. Attaccare simmetricamente due sensori a film sottile sui lati opposti attorno all'asse centrale della maniglia utilizzando nastro adesivo a doppia parte.
    2. Posizionare lo schermo del sistema di rilevamento ad un'altezza comoda in modo che il soggetto possa monitorare e regolare la forza di presa al livello specificato durante il funzionamento del trattore a mano.
  3. Configurazione della misurazione della velocità del motore
    NOTA: La velocità del motore si riferisce alle rivoluzioni al minuto (RPM) dell'elica del motore del trattore a mano impiegato, che è uguale al numero di giri della puleggia del motore. Un contagiri laser è stato utilizzato per calibrare e monitorare la velocità del motore durante il funzionamento.
    1. Collegare un pezzo di nastro retroriflessivo (circa 10 × 10 mm) alla superficie della puleggia del motore per la misurazione del contagiri laser.
    2. Posizionare il contagiri ad un'altezza adeguata e perpendicolare al nastro retroriflettore.
  4. Misurazione della postura
    1. Istruisi il soggetto a tenere e sollevare la maniglia in posizione orizzontale. Misurare la postura della mano e del braccio del soggetto utilizzando un goniometro digitale.
      NOTA: I cinque angoli17 utilizzati per descrivere la postura della mano e del braccio durante il funzionamento del trattore a mano sono riportati nella figura 6. Gli angoli di postura dei soggetti misurati in questo esperimento sono presentati nella tabella 2.
    2. Chiedi al soggetto di mantenere la postura fino alla fine della prova.

4. Esperimento e acquisizione dati

  1. Avviare il trattore a mano in neutro e mantenerlo in funzione a bassa velocità del motore (circa 1500 giri/min) per circa 30 s fino a stabilizzarsi.
  2. Accendere rispettivamente il contagiri, il dispositivo di rilevamento della pressione a film sottile, il computer portatile e il sistema di acquisizione dei dati di accelerazione.
  3. Aprire il software DAQ e creare un nuovo file per ogni soggetto. Impostare i parametri di accelerazione, modalità di acquisizione e frequenza di campionamento per la raccolta dei dati.
    NOTA: Per ottenere l'accurata caratterizzazione dell'HTV, la frequenza di campionamento non deve essere inferiore a 1500 Hz. In questo studio, la frequenza di campionamento è stata fissata a 1650 Hz. Se per la raccolta dei dati è stata utilizzata una frequenza di campionamento più elevata, è stato consigliato un filtro passa-basso con una frequenza di taglio a 1500 Hz per rimuovere le influenze sonore come i contributi irrilevanti ad alta frequenza.
  4. Fare clic sull'esecuzione e attendere circa 10 s fino a stabilizzare il sistema. Quindi fare clic su Registra per iniziare a registrare i dati di accelerazione.
  5. Regolazione della velocità del motore e della forza di presa
    NOTA: Come mostrato nella figura 7, questo esperimento è stato condotto a tre livelli di velocità del motore (1500, 2500 e 3500 giri/min) e tre livelli di forza di presa (20, 30 e 40 N) durante ogni prova. La durata approssimativa del test HTV di ogni soggetto è di 6 minuti.
    1. Chiedi al soggetto di monitorare il contagiri e regolare la velocità del motore a 1500 giri/min fino a quando non si stabilizza.
    2. Istruire il soggetto a regolare attentamente la forza di presa a 20 N osservando i segnali di forza visualizzati dal sistema di rilevamento della pressione a film sottile e mantenere questo livello di forza di presa per circa 30 s.
      NOTA: La regolazione della forza di presa denota l'aumento o la diminuzione della pressione tra la mano e il manubrio del trattore manuale. I soggetti devono eseguire la regolazione della forza di presa tenendo il manubrio più strettamente o leggermente.
    3. Regolare la forza di presa a 30 N e mantenere circa 30 s. Quindi, regolare la forza di presa a 40 N e mantenere circa 30 s.
    4. Regolare il motore a 2500 giri/min e ripetere i passaggi 4.5.2 e 4.5.3.
    5. Regolare il motore a 3500 giri/min e ripetere i passaggi 4.5.2 e 4.5.3.
  6. Chiedi al soggetto di ruotare l'interruttore dell'acceleratore al minor velocità del motore. Mettere giù la maniglia e spegnere il motore del trattore a mano.
  7. Salvare i dati e arrestare il sistema DAQ. Rimuovere e posizionare gli accelerometri sul soggetto successivo.
  8. Ripetere i passaggi da 4.3 a 4.7 fino alla fine delle raccolte dati di tutti i soggetti.
  9. Esportare i dati delle serie temporali di accelerazione per ulteriori analisi.

5. Elaborazione e analisi dei dati

  1. Importare i segnali del dominio del tempo di vibrazione registrati nel software MATLAB. Calcolare i valori radice-medio-quadrato (RMS) dell'accelerazione delle vibrazioni della maniglia del trattore manuale, che rappresentano l'esposizione alle vibrazioni durante il funzionamento del trattore manuale, con l'equazione (1):
    figure-protocol-1 (1)
    dove, unRMS è l'RMS dell'accelerazione delle vibrazioni (m/s2) calcolato per ogni banda di ottava 1/3a, a(t) è l'ampiezza di accelerazione delle vibrazioni misurata (m/s2) e T è la durata dell'accelerazione (s) di vibrazione misurata.
    NOTA: Nello standard ISO 5349-1, è importante utilizzare l'accelerazione RMS per rappresentare l'entità delle vibrazioni trasmesse alle mani dell'operatore.
  2. Calcolare i valori RMS dell'accelerazione delle vibrazioni su mano, polso, braccio e spalla di ciascun soggetto utilizzando l'equazione (1). Calcolare la trasmissibilità delle vibrazioni (TR) utilizzando l'equazione(2) 1,14:
    figure-protocol-2 (2)
    dove, ain è la vibrazione della maniglia per HTV, e un out è la rispettiva vibrazione nelle sei posizioni del sistema mano-braccio del soggetto (vedi figura 2).
    NOTA: Secondo la ISO 5349-1, i fattori (ad eccezione della forza di presa e della frequenza delle vibrazioni) possono influenzare i risultati della misurazione delle vibrazioni trasmesse a mano includono: abilità dell'operatore, postura del corpo, condizioni climatiche, rumore, ecc. Per diminuire questi fattori casuali, sono stati medi i valori TR di tutte le posizioni di misurazione dei dieci soggetti in questo studio.
  3. Convertire i segnali del dominio del tempo della maniglia in segnali di dominio di frequenza tramite algoritmo FFT (Fast Fourier Transform) utilizzando il programma MATLAB per esaminare la vibrazione di ingresso.

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Risultati

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L'esperimento è stato effettuato in laboratorio (temperatura dell'aria 22,0 °C ± 1,5 °C) su dieci soggetti sani(tabella 2)durante il funzionamento di un trattore a mano in condizioni stazionarie.

Seguendo il protocollo, i dati di accelerazione delle vibrazioni sono stati raccolti dalla maniglia del trattore a mano, così come la parte posteriore della mano, il polso, il braccio e la spalla di ogni soggetto. È stato ottenuto lo spettro dell'accelerazione delle vibrazioni che si ...

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Discussione

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Il protocollo presentato in questo studio è stato stabilito sulla base degli standard HTV4,5,24, ed è stato sviluppato come passaggi standard per la misurazione dell'HTV del sistema uomo mano-braccio durante il funzionamento di un trattore a mano in condizioni stazionarie. Questa condizione è lo stato più stabile del trattore a mano per contribuire a garantire la misurazione affidabile della vibrazione effettivamente trasmessa a...

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Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo lavoro è stato supportato dalla Natural Science Foundation di Chongqing, Cina (cstc2019jcyj-msxmX0046), dal progetto della Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) e dal progetto della Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, Cina (2020TJZ010). Gli autori ringraziano il Prof. Siamo anche grati al Dr. Jingshu Wang e al Dr. Jinghua Ma per la loro guida nell'utilizzo della strumentazione di misurazione delle vibrazioni. Un ringraziamento va anche ai temi per la loro piena collaborazione durante gli esperimenti.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
AccelerometriPCB Piezotronics Inc.352C33, 356A04Utilizzato per misurare i segnali di vibrazione. Include 2 accelerometri triassiali e 5 accelerometri ad asse singolo.
NationalInstrumentscRIO-9045,NI-9234 CUtilizzato per l'acquisizione in accelerazione. Il sistema è composto da uno chassis e 3 schede di acquisizione dati.
Calibro digitaleSanliang160800635Utilizzato per misurare le dimensioni della mano.
Goniometro digitaleSanliang802973Utilizzato per misurare la postura delle mani e delle braccia.
Computer portatileLenovoIdeapad 500sPer eseguire i software.
MatlabMathWorks Inc.Versione 2020aUtilizzato per l'elaborazione dei dati.
NI SignalExpressNational InstrumentsTrial version 2015Da utilizzare per acquisire, analizzare e presentare i dati di accelerazione.
ContagiriSanliangTM 680Utilizzato per misurare la velocità del motore.
Sistema di rilevamento della pressione a film sottileYourCeen/aUtilizzato per misurare la forza di presa. Il sistema è composto da 2 sensori a film sottile, un singlechip STM32 e un display a LED.

Riferimenti

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