방법 논문

손 트랙터 의 작동 중 인간의 손 팔 시스템의 손 전송 진동의 측정

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DOI:

10.3791/62508

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2021년 6월 16일

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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

이 논문에서

요약

여기서, 우리는 그립력과 진동 주파수의 변화에 특별한 참조와 단일 차축 트랙터의 손잡이에서 손으로 전송 된 진동의 측정을위한 표준화 된 방법을 제시한다.

초록

핸드 트랙터의 운영자는 손 전송 진동 (HTV)의 높은 수준에 노출됩니다. 인간의 건강에 유해하고 인체 건강에 위험할 수 있는 이 진동은 손과 팔을 통해 운전자에게 부여됩니다. 그러나 손 트랙터의 HTV를 측정하는 표준화된 방법은 아직 정의되지 않았습니다. 연구의 목적은 고정 모드에서 손 트랙터의 작동 중에 손 팔 시스템의 생체 역학 적 반응 및 진동 전달성을 조사하는 실험 방법을 제시하는 것이었습니다. 측정은 3개의 그립 력과 3개의 핸들 진동 수준을 사용하여 10개의 피험체로 수행되어 손압력과 주파수의 영향을 손전한 진동(HTV)에 검사하였다. 결과는 핸들에 그립의 압박감이 특히 20~100Hz 사이의 주파수에서 핸드암 시스템의 진동 반응에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 핸드암 시스템에서 낮은 주파수의 전송은 상대적으로 무융되었다. 이에 비해 감쇠는 손 트랙터의 작동 중에 더 높은 주파수에 대해 상당히 표시된 것으로 나타났습니다. 진동 소스와의 거리가 증가함에 따라 손팔 시스템의 다른 부분에 대한 진동 과속성이 감소했습니다. 제안된 방법론은 작업자 진동 노출 및 손 트랙터의 인체 공학 적 개발 평가를 위한 일관된 데이터 수집에 기여합니다.

서론

전원 틸러라고도 하는 손 트랙터는 개발도상국에서 작은 들판의 토지 준비를 위해 널리 사용됩니다. 핸드 트랙터의 현장 작동은 기계 뒤로 걸어가서 움직임을 제어하기 위해 핸들을 잡는 것을 포함합니다. 손 트랙터의 운영자는 작은 단일 실린더 엔진과 손트랙터1의서스펜션 시스템의 부족에 기인 할 수있는 진동의 높은 수준에 노출된다. 손팔 진동 증후군(HAVS)2는 손 트랙터에 의해 생성되고 운전자의 손에 의해 수신되는 손 투과 진동(HTV)이라는 진동으로부터 장시간 내구성에 의해 발생할 수 있습니다. 손 트랙터의 HTV에 운전자가 노출하여 얻은 건강 위험을 평가하기 위해서는 핸드암 시스템의 진동 반응 측정 방법을 수립할 필요가 있다.

손 팔 시스템은 뼈, 근육, 조직, 정맥 및 동맥, 힘줄 및 피부3으로구성되어 있으며 HTV의 직접 측정은 많은 문제를 제기합니다. 관련 국제표준4,5는 손의 좌표시스템, 가속도계의 위치 및 장착, 측정 지속시간, 케이블 커넥터 문제 등을포함하여 손 바로 부근에서 발생하는 진동의 심각도 측정에 관한 가이드라인을 제공한다. 그러나, 표준은 그립력, 손과 팔의 자세, 개별 요인 등과같은 본질적인 변수를 고려하지 않는다. 이러한 요인들은 광범위한 진동 흥분 및 시험 조건6,7,8,9,10,11,12,13에따라 광범위하게 조사되었지만, 다른 조사자의 결과는 양호한 합의가 되지 않는다. 이러한 요소 중 상당수는 표준 방법에 통합될 수 있을 것으로 충분히 이해되지 않았습니다. 이러한 제한은 인간 손팔 시스템의 복잡성, 시험 조건 및 사용되는 실험 및 측정 기술의 차이에 부분적으로 기인한다.

또한, HTV의 초기 측정의 대부분은 이상화 된 진동 여기, 그립 힘 및 자세 조건과 신중하게 제어 된 조건에서 수행되었다. 따라서 이러한 측정의 결과와 실험 절차는 손 트랙터의 작동 조건과 같은 실제 조건을 실제로 복제하지 못할 수 있습니다. 또한, 필드 측정손 트랙터의 HTV를 연구하기 위한 제한된 노력만 수행되었습니다. 이러한 측정은 운전자의 손목, 팔, 가슴 및 머리에 부착된 가속도계를 사용하여 트랙터의 운송 조건1하에서 전신 진동을 측정하거나, 또는 엔진 속도14의다른 수준으로 침수된 필드에서 경작및 웅웅거리는 조건 하에서 수행되었다. HTV7,8의중요한 요인이 될 수있는 그립 력의 효과는 격리되지 않았습니다. 따라서 이러한 방법은 가혹한 환경 조건에 기인하는 농업 도중 운영자의 각종 강제 자세 때문에 표준화된 측정 절차로 부적당합니다.

본 연구는 고정 모드에서 손 트랙터의 HTV 측정을 위한 신뢰할 수 있고 반복가능한 절차의 수립에 기여하기 위하여 착수되었습니다. 도 1은 실험 설계의 회로도를 제시한다. 중국에서 제조되고 중국 농부들이 일반적으로 사용하는 손 트랙터가 고용되었고, 10명의 연구 근로자가 연구의 대상으로 선정되었습니다. 트랙터 핸드암 시스템에 부착된 7개의 경량 압전 가속도계를 사용하여 진동을 측정했습니다. 테스트 중 엔진 속도와 그립력을 모니터링한 타코스터 1개와 박막 압력 센서 2개가 있습니다. 피사체는 다양한 작동 모드에서 진동 특성을 얻기 위해 지정된 엔진 속도와 지정된 그립 힘으로 핸드 트랙터를 순차적으로 작동시켜야 했습니다. 이 원고는 그립력및 진동 주파수의 변화를 고려하여 트랙터 손 팔 시스템의 HTV 측정을 위한 상세한 프로토콜을 제공합니다.

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프로토콜

모든 절차는 충칭공과대학 윤리위원회의 승인을 받았으며, 각 과목은 본 연구에 참여하기 전에 서면 동의를 제공했습니다.

1. 손 트랙터 준비

  1. 핸드 트랙터가 볼트의 느슨함 없이, 비정상적인 진동을 초래할 다른 기계적 결함없이 전체 연료 탱크로 적절한 테스트 조건을 받게됩니다.
    참고 : 이 실험에 사용되는 손 트랙터의 사양은 표 1에제공됩니다.
  2. 손 트랙터를 건조하고 단단하며 평평한 지면표면이 있는 테스트 사이트에 배치합니다.
    참고: 이 실험이 실내 실험실에서 수행된 경우, 실험실은 손 트랙터에서 배기 가스의 해로운 영향을 방지하기 위해 통풍이 잘되어야 합니다.
  3. 실험 중에 엔진 풀리의 먼지 커버를 제거하여 실험 중에 속도계로 엔진 속도를 편리하게 보정합니다.
  4. ISO 5349-2 표준5에따라 핸들의 탄성액 재료를 제거하십시오.

2. 주제 준비

  1. 모든 피험자가 신체적 질병없이 건강하고 18 세이상인지 3세 이상인지 확인하십시오. 각 과목에 연구 목표 및 시험 절차에 대해 알립니다. 모든 과목으로부터 서면 동의를 얻습니다.
    1. 다음과 같은 질병을 가진 과목을 제외: 1 차 Raynaud의 질병 또는 이차 Raynaud의 현상, 손에 혈액 순환의 손상, 뼈와 관절의 기형, 말초 신경계 또는 근골격계 의 무질서3.
  2. 피험자에게 민소매 또는 반소매 의류를 착용하고 시계, 팔찌, 반지 등을제거하도록 요청합니다.
  3. 각 피사체에 작동 중에 핸드 트랙터의 기어 시프트 레버를 만지지 않도록 경고합니다. 손 트랙터가 실행될 때 각 피사체에 엔진 풀리에서 멀리 떨어져 있으라고 경고합니다.
  4. 손 트랙터에 속도 조절 교육을 피사체에 제공합니다. 각 피사체에 엔진 스위치 버튼을 눌러 실험 이 끝날 때 엔진을 종료하도록 알립니다.
    참고: 일반적으로 엔진 속도 조절은 오른쪽 손잡이에 있는 스로틀 스위치에 의해 제어되며, 피사체는 스로틀 스위치를 왼쪽(속도 감소) 또는 오른손으로 오른쪽(속도 증가)으로 전환하여 엔진 속도를 조절하도록 훈련됩니다.
  5. 각 피사체에게 손 트랙터를 작동하는 방법과 엔진 속도를 1500 rpm에서 3,500 rpm으로 조절하는 방법을 지시합니다.
  6. 각 피사체의 체형(서 높이, 질량, 팔뚝 길이, 팔뚝 길이, 팔뚝 길이, 손 길이)을 측정합니다.
    참고: 표 2는 이 실험에서 10명의 건강한 과목의 신체적 특성을 요약합니다.
  7. 도 2에 표시된 위치에서 각 피사체의 손과 팔에 가속도계 어댑터를 단단히 감쌉다.
    참고: 각 어댑터는 나일론 스트랩과 아연 도금 철시트(0.3mm)를 사용하여 조작하여 단단하고 가벼운 부착을 제공합니다.

3. 측정 시스템 설정

  1. 가속 측정 시스템 설정
    참고: 현재 단계는 손 트랙터의 손잡이와 운전자의 손팔 시스템의 6개 위치에서 진동 가속 신호를 수집하는 것을 목표로 합니다. 제안된 접근 방식은 7개의 가속도계, 3개의 데이터 수집 카드, DAQ 섀시, 노트북 컴퓨터 및 일부 관련케이블(그림 3)으로구성된 컴팩트한 데이터 수집(DAQ) 시스템을 사용합니다. 관련 응용 프로그램에 대한 적절한 특성을 가진 다른 유형의 DAQ 시스템도 유사하게 적용될 수 있습니다.
    1. 측정을 시작하기 전에 측정 시스템의 모든 구성 요소(가속도계, 데이터 수집 시스템, 박막 압력 감지 시스템, 타코메터, 디지털 고니미터 및 기타 관련 구성 요소)를 수집합니다.
    2. 가속 측정 시스템을 설정하려면 가속도계 케이블을 사용하여 데이터 수집 카드와 가속도계를 연결합니다. 이더넷 케이블을 사용하여 섀시를 컴퓨터와 연결합니다.
      참고: 이 실험에서 2개의 삼축 가속도계 와 5개의 단일축 가속도계가 자기 장착 베이스로 고정되어 사용되었다.
    3. 손 트랙터의 왼쪽 손잡이에 하나의 삼축 가속도계를 부착하고 피사체의 손의 가속도계 어댑터에 다른 것을 부착합니다. 피사체의 팔과 어깨의 가속도계 어댑터에 단일 축 가속도계를 하나씩 부착합니다.
      참고: 가속도계의 위치는 그림 1에나와 있는 것과 같습니다. 손 트랙터의 왼쪽 손잡이에 있는 삼축 가속도계의 위치 선택은 작업자의 왼손에 가능한 한 가깝어야 합니다.
    4. 손에 삼축 가속도계의 방향을 조정하여 ISO 5349-1 표준4를참조하는 손암 진동의 측정을 위한 기저중심 좌표계(도 4)와일치하도록 조정한다. 접착제 테이프를 사용하여 피사체의 팔과 트랙터의 핸들바의 피부 표면에 가속도계 케이블을 고정합니다.
  2. 그립력 측정 설정
    참고: 박막 압력 감지시스템(15,16)은 두 개의 저항 압력 감지 센서, 단일 칩 컨트롤러 및 LED 디스플레이로 설계되었으며, 그림 5에나와 같이 측정 전에 보정되었다.
    1. 양면 접착제 테이프를 사용하여 핸들의 중앙 축 주위의 반대쪽에 대칭적으로 두 개의 박막 센서를 부착합니다.
    2. 피사체가 손 트랙터의 작동 중에 지정된 수준으로 그립 력을 모니터링하고 조정할 수 있도록 감지 시스템의 화면을 편리한 높이로 배치합니다.
  3. 엔진 속도 측정 설정
    참고: 엔진 속도는 엔진 풀리의 RPM과 동일한 사용 된 손 트랙터 엔진의 프로펠러의 분당 회전 (RPM)을 나타냅니다. 레이저 타코스터는 작동 중에 엔진 속도를 교정하고 모니터링하는 데 사용되었습니다.
    1. 레이저 타코스터 측정을 위해 엔진 풀리 표면에 레트로반사 테이프(약 10× 10mm)를 부착합니다.
    2. 타코필터를 적절한 높이에 놓고 레트로반사 테이프에 수직으로 놓습니다.
  4. 자세 측정
    1. 피사체에 핸들을 잡고 수평 위치로 올리라고 지시합니다. 디지털 곤니오미터를 사용하여 피사체의 손과 팔 자세를 측정합니다.
      참고: 손 트랙터 의 작동 중에 손과 팔 자세를 설명하는 데 사용되는 5 개의 각도(17)는 도 6에표시됩니다. 이 실험에서 측정된 피사체의 자세 각도는 표 2에제시된다.
    2. 재판이 끝날 때까지 자세를 유지하도록 피사체에 요청하십시오.

4. 실험 및 데이터 수집

  1. 핸드 트랙터를 중립으로 시작하고 안정화 될 때까지 약 30 초 동안 낮은 엔진 속도 (약 1500 rpm)로 계속 실행하십시오.
  2. 타코스터, 박막 압력 감지 장치, 랩톱 컴퓨터 및 가속 데이터 수집 시스템을 각각 켭니다.
  3. DAQ 소프트웨어를 열고 각 주제에 대한 새 파일을 만듭니다. 데이터 수집을 위한 가속, 수집 모드 및 샘플링 속도의 매개 변수를 설정합니다.
    참고: HTV의 정확한 특성을 얻으려면 샘플링 속도가 1,500Hz 이상이어야 합니다. 이 연구에서는 샘플링 속도가 1650Hz로 설정되었습니다. 데이터 수집에 더 높은 샘플링 속도를 사용하는 경우 1500Hz의 컷오프 주파수가 있는 저패스 필터는 관련없는 고주파 기여와 같은 노이즈 영향을 제거하는 것이 좋습니다.
  4. 실행을 클릭하고 시스템이 안정화 될 때까지 약 10 s를 기다립니다. 그런 다음 기록을 클릭하여 가속 데이터 기록을 시작합니다.
  5. 엔진 속도 및 그립 력 조정
    참고: 도 7에도시된 바와 같이, 이 실험은 각 시험 기간 동안 3단계 엔진 속도(1500, 2500 및 3500 rpm)와 3단계 의 그립력(20, 30 및 40 N)으로 수행되었다. 각 피사체의 HTV 테스트의 대략적인 지속 시간은 6분입니다.
    1. 피사체에 타코스터를 모니터링하고 엔진 속도가 안정될 때까지 1500rpm으로 조정하도록 요청합니다.
    2. 피사체에게 박막 압력 감지 시스템에서 표시된 힘 신호를 보고 그립력을 20 N으로 신중하게 조정하고, 약 30초 동안 이 그립 력 레벨을 유지하도록 지시한다.
      참고: 그립 력의 조정은 손과 손 트랙터의 핸들바 사이의 압력 증가 또는 감소를 나타냅니다. 피사체는 핸들바를 더 밀거나 가볍게 잡아 그립력을 조정해야 합니다.
    3. 그립력을 30 N으로 조정하고 약 30s를 유지합니다. 그런 다음 그립력을 40 N으로 조정하고 약 30s를 유지합니다.
    4. 엔진 속도를 2500rpm으로 조정하고 4.5.2 및 4.5.3 단계를 반복합니다.
    5. 엔진 속도를 3500rpm으로 조정하고 4.5.2 및 4.5.3 단계를 반복합니다.
  6. 피사체에 스로틀 스위치를 가장 낮은 엔진 속도로 전환하도록 요청합니다. 손잡이를 내려놓고 손 트랙터의 엔진을 종료합니다.
  7. 데이터를 저장하고 DAQ 시스템을 종료합니다. 제거 하 고 다음 주제에 가속도계를 배치 합니다.
  8. 모든 피험자의 데이터 수집이 끝날 때까지 4.3에서 4.7 단계를 반복합니다.
  9. 추가 분석을 위해 가속 타임시리즈 데이터를 내보냅니다.

5. 데이터 처리 및 분석

  1. 기록된 진동 시간 도메인 신호를 MATLAB 소프트웨어로 가져옵니다. 손 트랙터의 작동 중 진동 노출을 나타내는 손 트랙터 핸들의 진동 가속의 루트 평균 제곱(RMS) 값을 방정식(1)과 함께 계산합니다.
    figure-protocol-1 (1)
    여기서, RMS는 각 1/3 옥타브 대역에 대해 계산된 진동 가속(m/s2)의RMS이며, a(t)는 측정된 진동 가속 진폭(m/s2)이며, T는 측정된 진동 가속(들)의 지속시간이다.
    참고: ISO 5349-1 표준에서는 RMS 가속을 사용하여 작업자의 손에 전달되는 진동의 크기를 나타내는 것이 중요합니다.
  2. 방정식(1)을 사용하여 각 피사체의 진동 가속값을 손, 손목, 팔 및 어깨에 계산합니다. 방정식 (2)1,14를사용하여 진동 전환성 (TR)을 계산합니다.
    figure-protocol-2 (2)
    여기서, 인은 HTV의 핸들 진동이며, 아웃은 피사체의 손 팔 시스템의 6개 위치에서 각각의 진동이다(그림 2참조).
    참고: ISO 5349-1에 따르면, 요인(그립력 및 진동 주파수 제외)은 작업자의 기술, 신체 자세, 기후 상태, 소음 등 손 전달 진동 측정의 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 무작위 요인을 줄이기 위해 이 연구에서 10명의 피험자의 모든 측정 위치의 TR 값을 평균화했습니다.
  3. MATLAB 프로그램을 사용하여 빠른 Fourier transform(FFT) 알고리즘을 통해 핸들의 시간 도메인 신호를 주파수 도메인 신호로 변환하여 입력 진동을 검사합니다.

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결과

실험은 고정된 상태에서 손 트랙터의 작동 중에 10개의 건강한 피험자(표2)에대한 실험실(공기 온도 22.0°C ± 1.5°C)에서 수행되었다.

프로토콜에 따라 진동 가속 데이터는 손 트랙터의 손잡이뿐만 아니라 손의 뒷면, 손목, 팔 및 각 피사체의 어깨에서 수집되었습니다. 손잡이에서 발생하는 진동 가속의 스펙트럼(손에 입력)이 얻어졌다. 그림 8은 지정된 시간 동안 3,500rpm의 엔진 속도 수준에서 핸들에 시간 도메인 및 RMS 주파수 도메인 가속의 샘플을 표시합니다. 진동 가속이 Y축을따라 가장 높았으며 X축을따라 가장 낮았습니다. X 및 Z 방향의 최대 가속은 58Hz의 주파수에서 발생했습니다(이는 3500 rpm의 회전 속도에 대응하는 엔진의 작동 주파수입니다). 대부분의 진동 에너지는 50~200Hz의 주파수 범위에서 중...

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토론

본 연구에서 제시된 프로토콜은 HTV 표준4,5,24에기초하여 확립되었으며, 고정된 상태에서 손 트랙터를 동작하는 동안 인간 손팔 시스템의 HTV 측정을 위한 표준 단계로 개발되었다. 이 상태는 손과 팔에 실제로 전달되는 진동의 신뢰할 수 있는 측정을 보장하는 데 도움이 되는 손 트랙터의 가장 안정적인 상태입니다. 엔진 속도와 그립력의 조정을 통해 테스트를 수행하는 것으로 간주되는 변수의 범위는 핸드 트랙터의 정상 및 안전 작동 범위를 다룹니다. 손팔 시스템의 복잡성을 고려하여, 이 프로토콜에서 산출된 실험 결과는 손 트랙터의 작동 시 손팔 시스템의 반응에 영향을 미치는 진동원(25)및 진동 고침1,26,및 필수 인자...

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공개 사항

저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

이 작품은 중국 충칭 자연과학재단(cstc2019jcyj-msxx00046), 중국 충칭교육위원회(KJQQN202001127) 프로젝트, 중국 충칭반지구과학기술위원회(2020TJZ010)의 프로젝트에 의해 지원되었다. 저자는 시험장을 제공한 양양 교수에게 감사를 표하고 싶습니다. 또한 진동 측정 계측을 사용하는 안내에 대해 왕징슈 박사와 진화 마 박사님께 도주해 주셔서 감사합니다. 또한 실험 중 진심 어린 협력을 위한 주체들덕분입니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
가속도계PCB Piezotronics Inc.352C33, 356A04진동 신호를 측정하는 데 사용됩니다. 2개의 3축 가속도계와 5개의 단일 축 가속도계를 포함합니다.
CompactDAQ 시스템내쇼날인스트루먼트cRIO-9045,NI-9234 C가속 수집에 사용됩니다. 이 시스템은 섀시와 3개의 데이터 수집 카드로 구성됩니다.
디지털 캘리퍼Sanliang160800635손의 치수를 측정하는 데 사용됩니다.
디지털 방식으로 goniometerSanliang802973손과 팔의 자세를 측정하기 위하여 사용됩니다.
노트북 컴퓨터LenovoIdeapad 500s소프트웨어를 실행합니다.
매트랩매스웍스, Inc.버전 2020a데이터 처리에 사용됩니다.
NI SignalExpressNational Instruments평가판 버전 2015가속도 데이터를 수집, 분석 및 표시하는 데 사용합니다.
타코미터SanliangTM 680엔진 속도를 측정하는 데 사용됩니다.
박막 압력 감지 시스템YourCeen/a그립력을 측정하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 2개의 박막 센서, STM32 단일 칩 및 LED 디스플레이로 구성됩니다.
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