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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
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.
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.
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.
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
2. Preparazione del soggetto
3. Configurazione del sistema di misurazione
4. Esperimento e acquisizione dati
5. Elaborazione e analisi dei dati
(1)
(2)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 verifica alla maniglia (ingresso alla mano). Nella figura 8 vengono visualizzati esempi del dominio del tempo e delle accelerazioni del dominio della frequenza RMS sull'handle al livello di velocità del motore di 3500 giri/min per una determinata durata. È evidente che l'accelerazione delle vibrazioni era la più alta lungo l'asse Ye la più bassa lungo l'asse X. Le accelerazioni massime delle direzioni X e Z si sono verificate alla frequenza di 58 Hz (che è la frequenza di lavoro del motore corrispondente alla velocità di rotazione di 3500 giri/min). La maggior parte dell'energia di vibrazione è stata trovata centralizzata nella gamma di frequenza da 50 a 200 Hz. Con lo stesso processo analitico, si potrebbero ottenere le caratteristiche sia del dominio del tempo che dei segnali del dominio della frequenza, come l'ampiezza delle vibrazioni, il picco, la frequenza dominante, ecc.
Sono state esaminate anche le influenze della forza di presa e del marce del motore sulla risposta alle vibrazioni del sistema mano-braccio. Come mostrato nella figura 9, è stato osservato che l'aumento della forza di presa ha aumentato l'accelerazione delle vibrazioni in particolare a frequenze tra 20 e 100 Hz, e tre frequenze di risonanza (20, 40 e 80 Hz) sono state trovate ad aumentare quasi linearmente con l'aumento della forza di presa. Ciò è attribuito all'aumento della rigidità di contatto e della rigiditàarticolare 18,19. Questi risultati indicano che i metodi di misurazione e regolazione presentati della forza di presa potrebbero essere applicati efficacemente alla misurazione HTV.
Come mostrato nella figura 10, questo esperimento ha esaminato l'effetto della frequenza di ingresso sull'HTV mediante regolazione della velocità del motore a tre livelli (1500, 2500 e 3500 giri/min). Nella posizione del retro della mano(figura 10A),è stato ottenuto un valore di accelerazione più elevato a 3500 giri/min rispetto alla velocità del motore inferiore. Al contrario, nella parte superiore del braccio e della spalla (Figura 10D, Ee F), l'accelerazione di picco si è verificata a 1500 giri/min. Attraverso il confronto completo sia delle posizioni che delle frequenze eccitanti, è ragionevole concludere che le frequenze più basse sono state trasmesse relativamente incustodite nel sistema mano-braccio, mentre l'attenuazione era abbastanza marcata per frequenze più alte. Così, la maggior parte dell'energia di vibrazione è stata dissipata nella mano e nell'avambraccio.
La figura 11 presenta la trasmissibilità media alla parte posteriore della mano, dell'avambraccio, della parte superiore del braccio e della spalla dei dieci soggetti con velocità del motore di 2500 giri/min e forza di presa di 30 N. Si è constatato che la trasmissibilità alle diverse parti del sistema mano-braccio è diminuita con l'aumento della distanza dalla sorgente di vibrazione. La più alta trasmissibilità è stata osservata nella parte posteriore della mano (posizione 1), con un valore massimo di 5,1 a circa 80 Hz. L'amplificazione delle vibrazioni può essere dovuta alla risonanza della pelle al metacarpo20,21. Coerentemente con i risultati degli studiprecedenti 22,23, la frequenza risonante del polso (posizione 2) e del gomito (posizione 4) trasmissibilità era di circa 20 Hz, con una magnitudine di circa 3,0. Inoltre, il picco di trasmissibilità della spalla (posizione 6) era di 1,1 a circa 10 Hz. Si è anche scoperto che solo vibrazioni inferiori a 25 Hz sono state effettivamente trasmesse all'avambraccio, alla parte superiore del braccio e alla spalla. Con l'equazione (2) nella sezione 5.2 e seguendo il processo analitico della trasmissibilità, è possibile esaminare le influenze sulla trasmissibilità con diverse frequenze entusiasmanti e cambiare la forza di presa, e si potrebbe fare un ragionevole suggerimento di utilizzare il trattore a mano per gli agricoltori.
| Modello e tipo del motore | JUWEI FC 170, benzina, monocilindrico, a quattro tempi, OHV, raffreddato ad aria forzata |
| Volume spazzato, cc | 208 |
| Potenza nominale, kW | 4,0 kW a 3600 giri/min |
| Coppia massima, Nm/rpm | 12/2500 |
| Numero di velocità | 2 avanti, 1 indietro |
| Modalità start | Inizio rinculo (pull start) |
| Peso secco del motore, kg | 19 |
| Peso del trattore a mano con serbatoio pieno, radiatore e oli lubrificanti, kg | 72 |
| Tipo di pneumatico | Ruota di gomma |
| Dimensioni pneumatici pneumatici, mm | 155×330 (350-6) |
La tabella 1. Specifiche del trattore a mano.
| Dimensioni e posture | minimo | massimo | Significare | Sd |
| Età, anni | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Peso, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Statura, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Lunghezza della mano dell'avambraccio, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Lunghezza superiore del braccio, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Lunghezza della mano, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Rapimento orizzontale della spalla (α), gradi | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Rapimento verticale spalla (β) , gradi | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Estensione gomito (γ) , gradi | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Estensione del polso (θ), gradi | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Deviazione del polso (ω), gradi | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
La tabella 2. Caratteristiche fisiche del soggetto.

Figura 1. Il protocollo sperimentale e l'acquisizione dei dati sono stati impostati. In questo esempio viene illustrata una singola prova (da destra a sinistra) per la misurazione delle dimensioni del corpo di un soggetto, l'uso di 6 adattatori accelerometrici, la postura operativa del trattore manuale e l'acquisizione dei dati impostata per l'accelerazione, la forza di presa e la velocità del motore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Posizioni degli adattatori dell'accelerometro. 6 adattatori accelerometrici sono stati avvolti nelle posizioni della parte posteriore della mano, dell'estremità distale dell'avambraccio, dell'estremità prossimale dell'avambraccio, dell'estremità distale della parte superiore del braccio, dell'estremità prossimale del braccio superiore e dell'acromione lungo il sistema mano-braccio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Strumentazione di misurazione delle vibrazioni. I componenti del sistema di misurazione includono accelerometri, sistema di acquisizione dati, sistema di rilevamento della pressione a film sottile, un contagiri, un goniometro digitale e altri componenti rilevanti (computer, adattatori accelerometrici, cavi, metro a nastro, termometro). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Il sistema di coordinate basicentrico per la misurazione delle vibrazioni mano-braccio. L'asse Xè definito parallelamente all'asse longitudinale dell'impugnatura. L'asse Yè diretto lungo il terzo osso metacarpo della mano. L'asse Zè perpendicolare alla superficie del palmo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Il sistema di rilevamento della pressione a film sottile. Questo sistema è composto da due sensori a film sottile, un controller a chip singolo e un display a LED per mostrare la forza di presa in tempo reale. I dati di test possono anche essere esportati in un computer dalla comunicazione seriale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6. I cinque angoli utilizzati per descrivere la postura della mano e del braccio. α descrive il rapimento orizzontale della spalla, β descrive il rapimento verticale della spalla, γ identifica l'estensione del gomito, θ caratterizza l'estensione del polso e ω identifica la deviazione del polso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7. Regolazione del velocità del motore e della forza di presa durante l'esperimento. Le barre blu rappresentano diverse forze di presa di 20, 30 e 40 N. Le linee rosse indicano la regolazione della velocità del motore da 1500, 2500 a 3500 giri/min. Pertanto, ci sono 9 casi di prova da 1500 giri/min, da 20 N a 3500 giri/min, 40 N. La durata di ogni test case è di circa 30 s. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8. Campioni degli spettri di onda e ampiezza del dominio del tempo delle accelerazioni sulla maniglia alla velocità del motore di 3500 giri/min. (A) Gli spettri di ampiezza del dominio del tempo e(B)nella direzione X; (C) gli spettri di ampiezza del dominio del tempo e(D)nella direzione Y; (E) l'onda del dominio del tempoe glispettri di ampiezza ( F ) nella direzione Z. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9. La relazione media tra la forza di presa e l'accelerazione della vibrazione RMS misurata in sei posizioni del sistema mano-braccio di dieci soggetti: (A) posteriore della mano; B)estremità totale dell'avambraccio; Cestremità prossimale dell'avambraccio; (D) estremità distale della parte superiore del braccio; (E) estremità prossimale della parte superiore del braccio; (F) acromion. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 10. La relazione media tra la velocità del motore (frequenza) e l'accelerazione delle vibrazioni RMS misurata in sei posizioni del sistema mano-braccio di dieci soggetti: (A) posteriore della mano; B)estremità totale dell'avambraccio; Cestremità prossimale dell'avambraccio; (D) estremità distale della parte superiore del braccio; (E) estremità prossimale della parte superiore del braccio; (F) acromion. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 11. Trasmissibilità delle vibrazioni alla banda di 1/3 di ottava in diverse posizioni del sistema mano-braccio alla velocità del motore di 2500 giri/min e forza di presa di 30 N. Le 6 curve rappresentano i valori TR dal retro della mano (posizione 1) all'acromion (posizione 6), come mostrato nella legenda. La linea tratteggiata è una linea di demarcazione dell'amplificazione delle vibrazioni (al di sopra di questa linea) e dell'attenuazione delle vibrazioni (al di sotto di questa linea). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
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.
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.
| Accelerometri | PCB Piezotronics Inc. | 352C33, 356A04 | Utilizzato per misurare i segnali di vibrazione. Include 2 accelerometri triassiali e 5 accelerometri ad asse singolo. |
| National | Instruments | cRIO-9045,NI-9234 C | Utilizzato per l'acquisizione in accelerazione. Il sistema è composto da uno chassis e 3 schede di acquisizione dati. |
| Calibro digitale | Sanliang | 160800635 | Utilizzato per misurare le dimensioni della mano. |
| Goniometro digitale | Sanliang | 802973 | Utilizzato per misurare la postura delle mani e delle braccia. |
| Computer portatile | Lenovo | Ideapad 500s | Per eseguire i software. |
| Matlab | MathWorks Inc. | Versione 2020a | Utilizzato per l'elaborazione dei dati. |
| NI SignalExpress | National Instruments | Trial version 2015 | Da utilizzare per acquisire, analizzare e presentare i dati di accelerazione. |
| Contagiri | Sanliang | TM 680 | Utilizzato per misurare la velocità del motore. |
| Sistema di rilevamento della pressione a film sottile | YourCee | n/a | Utilizzato per misurare la forza di presa. Il sistema è composto da 2 sensori a film sottile, un singlechip STM32 e un display a LED. |