ハンドトラクターの運転中の人手腕システムの手伝振動の測定

パワーティリングとも呼ばれるハンドトラクターは、小さな畑の土地整備のために発展途上国で広く使用されています。ハンドトラクターのフィールド操作は機械の後ろを歩き、その動きを制御するためにハンドルを握ることを含む。ハンドトラクターのオペレータは、小さな単一シリンダーエンジンとハンドトラクター¹のサスペンションシステムの欠如に起因する可能性のある高レベルの振動にさらされています。ハンドアーム振動症候群(HAVS)2は、ハンドトラクターによって発生し、オペレータの手で受け取る、手伝え振動(HTV)という振動からの長時間の持久力によって引き起こされる可能性があります。ハンドトラクターのHTVへのオペレータの暴露によって得られる健康上のリスクを評価するためには、手腕システムの振動応答の測定方法を確立する必要があります。

手腕系は骨、筋肉、組織、静脈および動脈、腱および皮膚³で構成され、HTVの直接測定は多くの問題を引き起こす。関連する国際規格^4、5は、手の座標系、加速度計の位置と取り付け、測定時間、ケーブルコネクタの問題などを含む、手の直近に発生する振動の重症度の測定に関するガイドラインを提供する。しかし、この規格では、グリップ力、手と腕の姿勢、個々の因子などの固有の変数は考慮されていません。これらの要因は、振動励起の広い範囲の下で広範囲に検討されており、試験条件6、7、8、9、10、11、12、13が、異なる研究者の結果は良好に一致していません。これらの要因の多くは、標準的な方法に組み込まれることが十分に理解されていない。この制限は、人間の手腕システムの複雑さ、試験条件、および使用される実験および測定技術の違いに部分的に起因する。

さらに、HTVの以前の測定のほとんどは、理想的な振動励起、グリップ力、姿勢条件を用いて慎重に制御された条件下で行われました。したがって、これらの測定の知見と実験手順は、ハンドトラクターの動作条件のような実際の条件を真に再現していない可能性があります。さらに、フィールド測定を用いたハンドトラクターのHTVを研究するための努力は限られています。これらの測定は、オペレータの手首、腕、胸部、および頭部に取り付けられた加速度計を用いて、トラクターの輸送条件¹の下で全身振動を測定し、または投げ込まれたフィールドで耕し、エンジン速度¹⁴の異なる水没場で水たまりの条件下で行われた。HTV^7,8の重要な要因となり得るグリップ力の効果は孤立していなかった。これらの方法は、過酷な環境条件に起因する農業中のオペレータの様々な強制姿勢のために標準化された測定手順として適していません。

本研究は、静止モードでのハンドトラクターのHTV測定のための信頼性と再現性の高い手順の確立に貢献するために行われました。図1は実験計画の概略図を示す。中国で製造され、中国の農家によって一般的に使用されるハンドトラクターが採用され、10人の研究労働者が研究の対象として選ばれました。振動を測定するために、トラクターハンドアームシステムに取り付けられた7つの軽量圧電加速度計を使用しました。1つのタコメータと2つの薄膜圧力センサーは、テスト中にエンジン速度とグリップ力を監視しました。被験者は、指定されたエンジン速度でハンドトラクターを順次操作し、様々な動作モードで振動特性を得るために指定されたグリップ力で動作させる必要がありました。この原稿は、グリップ力と振動周波数の変化を独自に考慮したトラクターハンドアームシステムのHTV測定のための詳細なプロトコルを提供します。

すべての手続きは重慶工科大学の倫理委員会によって承認され、各科目は本研究に参加する前に書面によるインフォームド・コンセントを提供した。

1. ハンドトラクターの準備

1. ハンドトラクターは、ボルトの緩みがなく、異常な振動をもたらす他の機械的欠陥なしに、完全な燃料タンクで適切な試験条件を受けることを確認してください。
   注: この実験で使用したハンドトラクターの仕様は 表1に示されています。
2. 乾燥した、しっかりした、およびレベルの地面のテストサイトにハンドトラクターを置きます。
   注:この実験が屋内の実験室で行われた場合、実験室は、ハンドトラクターからの排気ガスの有害な影響を防ぐために換気が必要です。
3. エンジンプーリーのダストカバーを取り外し、実験中にスピードメーターでエンジン速度を簡単に調整します。
4. ISO 5349-2 標準⁵に従ってハンドルのエラストマー材料を取り外します。

2. 対象準備

1. すべての被験者が身体的な病気のない健康であり、18^歳3歳以上であることを確認してください。各被験者に学習目標とテスト手順について知らせます。すべての被験者から書面によるインフォームド・コンセントを取得する。
   1. 次の疾患を有する対象を除外する:原発レイノー病または二次レイノーの現象、手への血液循環の障害、骨および関節の変形、末梢神経系または筋骨格系の障害^3。
2. 被験者にノースリーブまたは半袖の服を着て、時計、ブレスレット、リングなどを取り除 くように頼みます。
3. 操作中にハンドトラクターのギアシフトレバーに触れないように各被験者に警告します。ハンドトラクターが動作しているときにエンジンプーリーから離れるように各被験者に警告します。
4. ハンドトラクターの速度調節訓練を被験者に提供する。各被験者に、エンジンスイッチボタンを押して、実験終了時にエンジンを停止するように通知します。
   注:一般的に、エンジン速度の調整は右ハンドルにあるスロットルスイッチによって制御され、被験者はスロットルスイッチを左(速度低下)または右手で右(速度上昇)に変えてエンジン速度を調整するように訓練されます。
5. 各被験者にハンドトラクターの操作方法とエンジン速度を1500 rpmから3500 rpmに調整する方法を指示します。
6. 各被験者の体の寸法(立ち高さ、質量、前腕の長さ、上腕の長さ、手の長さ)を測定します。
   注: 表 2 は、この実験における 10 人の健康な被験者の物理的特徴をまとめます。
7. 図 2に示す場所で、各被験者の手と腕に加速度計アダプターをしっかりとラップします。
   注:各アダプタは、ナイロンストラップと亜鉛メッキ鉄板(0.3mm)を使用して製造され、剛性と軽量のアタッチメントを提供しました。

3. 測定システムのセットアップ

1. 加速度測定システムのセットアップ
   注:このステップは、ハンドトラクターのハンドルとオペレータのハンドアームシステムの6つの位置から振動加速信号を収集することを目的としています。提案されたアプローチは、7つの加速度計、3つのデータ集録カード、DAQシャーシ、ラップトップコンピュータ、およびいくつかの関連ケーブルで構成されるコンパクトなデータ収集(DAQ)システムを採用しています(図3)。関連するアプリケーションに対して適切な特性を持つ他のタイプのDAQシステムも同様に適用できます。
   1. 測定を開始する前に、測定システムのすべてのコンポーネント(加速度計、データ収集システム、薄膜圧力センシングシステム、タコメーター、デジタルゴニオメータ、およびその他の関連するコンポーネント)を収集します。
   2. 加速度測定システムをセットアップするには、加速度計ケーブルを使用して加速度計をデータ取得カードに接続します。イーサネットケーブルを使用して、シャーシをコンピュータに接続します。
      注: この実験では、2 つの 3 軸加速度計と磁気取付ベースで固定された 5 つの単軸加速度計を使用しました。
   3. ハンドトラクターの左ハンドルに1つの三軸加速度計を取り付け、もう一方を被験者の手の加速度計アダプタに取り付けます。被験者の腕と肩の加速度計アダプターに、単軸加速度計を1つずつ取り付けます。
      注: 加速度計の位置は 図 1に示すようにします。ハンドトラクターの左ハンドルにある3軸加速度計の位置選択は、オペレータの左手にできるだけ近くであるべきです。
   4. 手腕振動の測定のために手体の振動の測定のための手軸の座標系(図4)と一致するように手の三軸加速度計の向きを調節する ISO 5349-1 標準 4を参照して下^さい。粘着テープを使用して、被写体の腕とトラクターのハンドルバーの皮膚表面に加速度計ケーブルを固定します。
2. グリップ力測定設定
   メモ:薄膜圧検出システム^15,16は、2つの抵抗感圧センサ、シングルチップコントローラ、およびLEDディスプレイで設計されており、測定前にキャリブレーションされた後、図5に示すように。
   1. 両面粘着テープを使用して、ハンドルの中央軸を中心に、2つの薄膜センサーを対称に取り付けます。
   2. 被験者がハンドトラクターの操作中に指定されたレベルにグリップ力を監視し、調整できるように、センシングシステムの画面を便利な高さに置きます。
3. エンジン速度測定のセットアップ
   注:エンジン速度は、エンジンプーリーのRPMに等しい採用ハンドトラクターエンジンのプロペラの1分あたりの回転数(RPM)を指します。レーザータコメータを使用して、運転中にエンジン速度を校正し、監視しました。
   1. レーザータコメータ測定用にエンジンプーリー表面に再帰反射テープ(約10×10mm)を取り付けます。
   2. タコメータを適切な高さに配置し、再帰反射テープに垂直に置きます。
4. 姿勢測定
   1. 被験者にハンドルを保持し、水平位置まで上げるよう指示します。デジタルゴニオメーターを使用して、被験者の手と腕の姿勢を測定します。
      メモ: ハンドトラクターの操作中に手と腕の姿勢を説明するために使用される5つの角度¹⁷ を 図6に示します。この実験で測定した被験者の姿勢角度を 表2に示す。
   2. 裁判が終わるまで姿勢を維持するよう被験者に依頼する。

4. 実験とデータ収集

1. 中性でハンドトラクターを起動し、安定するまで約30sの低エンジン速度(約1500rpm)で動作し続けます。
2. タコメータ、薄膜圧検知装置、ノートパソコン、加速度データ取得システムをそれぞれオンにします。
3. DAQソフトウェアを開き、各テーマに対して新しいファイルを作成します。データ収集の加速度、取得モード、およびサンプリングレートのパラメータを設定します。
   注:HTVの正確な特性を得るために、サンプリングレートは1500 Hz以上でなければなりません。本研究では、サンプリングレートを1650Hzに設定しました。より高いサンプリングレートをデータ収集に使用した場合、1500 Hzのカットオフ周波数を持つローパスフィルタは、無関係な高周波寄与などのノイズの影響を取り除くことをお勧めします。
4. [ 実行 ] をクリックし、システムが安定するまで約 10 s 待ちます。次に、[ 記録 ]をクリックして、加速度データの記録を開始します。
5. エンジン速度とグリップ力の調整
   注: 図 7に示すように、この実験は、各試験の間に 3 レベルのエンジン速度 (1500、2500、3500 rpm) と 3 レベルのグリップ力 (20、30、および 40 N) で行いました。各被験者のHTVテストのおおよその持続時間は6分です。
   1. 被験者にタコメータを監視し、エンジンの速度を安定するまで1500rpmに調整してもらいます。
   2. 薄膜圧センシングシステムから表示される力信号を見て、被検体に20Nにグリップ力を注意深く調整し、このグリップ力レベルを約30sに保つように指示する。
      注:グリップ力の調整は、ハンドとハンドトラクターのハンドルバーとの間の圧力の増加または減少を示します。被験者は、ハンドルバーをよりしっかりとまたは軽く保持して、グリップ力の調整を行う必要があります。
   3. グリップ力を30Nに調整し、約30sに保ちます。その後、グリップ力を40Nに調整し、約30sに保ちます。
   4. エンジン速度を2500 rpmに調整し、ステップ4.5.2と4.5.3を繰り返します。
   5. エンジン速度を3500 rpmに調整し、ステップ4.5.2と4.5.3を繰り返します。
6. スロットルスイッチをエンジン速度を最も低くするように被験者に依頼します。ハンドルを下ろして、ハンドトラクターのエンジンをシャットダウンします。
7. データを保存し、DAQシステムをシャットダウンします。次の主題に加速度計を取り外し、置きます。
8. すべてのサブジェクトのデータ収集の最後まで、手順 4.3 から 4.7 を繰り返します。
9. 加速時系列データをエクスポートして、さらに分析します。

5. データ処理と分析

1. 記録された振動時間ドメイン信号を MATLAB ソフトウェアにインポートします。ハンドトラクターの操作時の振動暴露を表すハンドトラクターのハンドルの振動加速度の根平均平方根(RMS)値を計算します。
   (1)
   _{ここで、RMS}は 1/3 オクターブ帯域ごとに計算される振動加速度 RMS (m/s²⁾であり、a(t)は測定された振動加速度振幅 (m/s²⁾であり、Tは測定された振動加速度の継続時間 (複数可) です。
   注: ISO 5349-1 規格では、オペレータの手に伝達される振動の大きさを表すために RMS アクセラレーションを使用することが重要です。
2. 数式(1)を使用して、各被験者の手、手首、腕、肩の振動加速度のRMS値を計算します。(2)^1,14を使用して振動透過率(TR) を計算します。
   (2)
   ここで 、a_は HTV のハンドル振動であり 、_アウト は被験者のハンドアームシステムの 6 つの場所におけるそれぞれの振動です (図 2を参照)。
   注:ISO 5349-1によると、(グリップ力と振動周波数を除く)要因は、オペレータのスキル、身体姿勢、気候条件、騒音などの手の振動測定の結果に影響を与える可能性があります 。 これらのランダム因子を減少させるために、本研究における10人の被験者の全測定位置のTR値を平均化した。
3. MATLABプログラムを使用して、入力振動を調べ、高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを使用して、ハンドルのタイムドメイン信号を周波数ドメイン信号に変換します。

実験は、静止状態でのハンドトラクターの運転中に、10人の健康な被験者(表2)上の実験室(気温22.0°C±1.5°C)で行った。

プロトコルに従い、ハンドトラクターのハンドル、手の後ろ、手首、腕、および各被験者の肩から振動加速度データを収集した。ハンドルで発生する振動加速度のスペクトル(手への入力)が得られた。 図 8 は、特定の時間の間に 3500 rpm のエンジン速度レベルでハンドルのタイム・ドメインおよび RMS 周波数ドメインの加速のサンプルを表示します。振動加速度が Y軸に沿って最も高く 、X軸に沿って最低であったことは明らかです。 X および Z 方向の最大加速度は、58Hzの周波数(3500rpmの回転速度に対応するエンジンの動作周波数)で発生しました。振動エネルギーの大部分は、50~200Hzの周波数範囲で集中化されていることがわかった。同じ分析プロセスを用いて、振動振幅、ピーク、優位周波数などの時間領域と周波数領域信号の両方の特性を得ることができました 。

ハンドアームシステムの振動応答に対するグリップ力とエンジン速度の影響も調べた。図9に示すように、グリップ力の増加は20~100Hzの周波数で特に振動加速を増加させ、3つの共振周波数(20、40、80Hz)は、グリップ力の増加に伴ってほぼ直線的に増加することが分かった。これは、接触剛性と関節剛性18,19の増加に起因します。これらの知見は、提示されたグリップ力の測定および調整方法がHTV測定に効果的に適用できることを示している。

図10に示すように、この実験は、エンジン速度調整を介してHTVに対する入力周波数の影響を3段階(1500、2500、および3500 rpm)で調べた。手の背部の位置(図10A)では、エンジン速度の低下に比べて3500rpmの加速値が高くなっています。これに対し、上腕と肩(図10D、E、F)では、ピーク加速度は1500rpmで発生した。 位置と励起周波数の両方を総合的に比較して、低い周波数はハンドアームシステムで比較的減衰されずに送信され、減衰は高い周波数に対してかなりマークされたと結論付けるのが妥当です。したがって、振動エネルギーの大部分は手と前腕で消散した。

図11は、エンジン速度2500rpm、グリップ力が30Nの10人の被験者から手の後部、前腕、上腕および肩への平均透過率を示す。このことが、振動源からの距離の増加に伴い、ハンドアームシステムの異なる部分への透過性が低下することを発見した。最も高い透過率は手の後ろ(位置1)で観察され、ピーク値は約80Hzで5.1でした。振動の増幅は、中手骨20,21における皮膚の共鳴に起因する可能性がある。これまでの研究22,23の所見と一致して、手首(位置2)および肘(位置4)の共振周波数は約20Hzで、マグニチュードは約3.0であった。また、肩(位置6)透過性ピークは10Hz前後で1.1であった。また、前腕、上腕、肩に効果的に伝わるのは、25Hz未満の振動のみであることがわかりました。セクション5.2の式(2)と透過性の分析プロセスに従って、異なる励起周波数とグリップ力の変化による透過性への影響を調べることが可能であり、農家のための操作ハンドトラクターの合理的な提案がなされる可能性があります。

表 1.ハンドトラクターの仕様。

表 2.被験者の物理的特徴。

図 1.実験プロトコルとデータ収集のセットアップ。 この例では、被験者の体の寸法、6 つの加速度計アダプターの装着、ハンドトラクターの動作姿勢、および加速、グリップ力、およびエンジン速度に対して設定されたデータ取得の単一の試行 (右から左) を示しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 2.加速度計アダプターの位置。 6つの加速度計アダプタは、手の後ろの位置、前腕の遠位端、前腕の近位端、上腕の遠位端、上腕の近位端、ハンドアームシステムに沿ったアクロミオンに包まれていました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3.振動測定計装。 加速度計、データ取得システム、薄膜圧センシングシステム、タコメータ、デジタルゴニオメーター、その他の関連部品(コンピュータ、加速度計アダプタ、ケーブル、テープメジャー、温度計)を含む測定システムのコンポーネント。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 4.手腕振動測定のための基底座標系。X軸は、グリップの縦軸に平行に定義されます。Y軸は手の3番目のメタカルパスの骨に沿って向けられます。Z軸は、パームサーフェス領域に対して垂直です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 5.薄膜圧力感知システム。 このシステムは、2つの薄膜センサ、シングルチップコントローラ、およびリアルタイムグリップ力を示すLEDディスプレイで構成されています。テストデータは、シリアル通信によってコンピュータにエクスポートすることもできます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 6.手と腕の姿勢を表すために使用される5つの角度。α肩の水平な外線を記述β肩の垂直の外線を記述し、肘の延長を識別γ、θは手首の延長を特徴付け、そしてωは手首の偏差を識別する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 7.実験中のエンジン速度とグリップ力の調整。 青いバーは、20、30、および 40 N の異なるグリップ力を表します。赤い線は1500、2500から3500のrpmへのエンジン速度の調節を示す。したがって、1500 rpm、20 N~3500 rpm、40 Nの9つの試験ケースがある。各テストケースの所要時間は約30s です。

図 8.エンジン速度3500rpmでのハンドル上の加速度の時間領域波および振幅スペクトルのサンプル。 (A) 時間領域波と(B)X 方向の 振幅スペクトル(C) 時間領域波と (D) Y 方向の 振幅スペクトル;(E)時間領域波と(F)振幅スペクトルを Z 方向に表示する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 9.10人の被験者のハンドアームシステムの6箇所で測定されたグリップ力とRMS振動加速度の平均関係:(A)手の背部;(B) 前腕の遠位端;(C) 前腕の近位端;(D) 上腕の遠位端部;(E) 上腕の近位端;(F)アクロミオン.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 10.エンジン速度(周波数)とRMS振動加速度の平均関係は、10人の被験者のハンドアームシステムの6箇所で測定されます: (A)手の後ろ;(B) 前腕の遠位端;(C) 前腕の近位端;(D) 上腕の遠位端部;(E) 上腕の近位端;(F)アクロミオン. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 11.2500 rpmのエンジン速度と30 Nのグリップ力でハンドアームシステムの異なる位置での1/3オクターブバンドでの振動透過性。 6 つの曲線は、凡例に示すように、手の後ろ (位置 1) からアクロミオン (位置 6) までの TR 値を表します。破線は、振動増幅(このラインの上)と振動減衰(このラインの下)の分割線です。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

著者らは開示するものは何もない。