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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
여기서, 우리는 그립력과 진동 주파수의 변화에 특별한 참조와 단일 차축 트랙터의 손잡이에서 손으로 전송 된 진동의 측정을위한 표준화 된 방법을 제시한다.
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.
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.
모든 절차는 충칭공과대학 윤리위원회의 승인을 받았으며, 각 과목은 본 연구에 참여하기 전에 서면 동의를 제공했습니다.
1. 손 트랙터 준비
2. 주제 준비
3. 측정 시스템 설정
4. 실험 및 데이터 수집
5. 데이터 처리 및 분석
(1)
(2)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 중앙 집중화되는 것으로 나타났다. 동일한 분석 과정을 통해 진동 진폭, 피크, 지배적 인 주파수 등과 같은 시간 도메인 및 주파수 도메인 신호의 특성을 얻을 수 있습니다.
손팔 시스템의 진동 반응에 그립력과 엔진 속도의 영향도 조사되었다. 도 9에도시된 바와 같이, 그립력의 증가는 20~100Hz 사이의 주파수에서 특히 진동 가속을 증가시키고, 3개의 공진 주파수(20, 40 및 80Hz)가 그립력의 증가와 함께 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 접촉 강성 및 관절 강성의 증가에기인한다(18,19). 이러한 연구 결과는 그립력의 제시된 측정 및 조정 방법이 HTV 측정에 효과적으로 적용될 수 있음을 나타냅니다.
도 10에도시된 바와 같이, 이 실험은 3단계(1500, 2500, 3500rpm)에서 엔진 속도 조정을 통해 HTV에 입력 주파수의 효과를 조사하였다. 손 의 뒤쪽 위치(도10A)에서엔진 속도가 낮은 3500rpm에서 더 높은 가속값을 얻었다. 대조적으로, 상완과어깨(도 10D, E및 F)에서피크 가속이 1500 rpm에서 발생하였다. 위치와 흥미 진진한 주파수를 포괄적으로 비교하면 낮은 주파수가 손 팔 시스템에서 상대적으로 무포화 전송되었다는 결론을 내리는 것이 합리적이며 감쇠는 주파수가 매우 높게 표시되었습니다. 따라서 대부분의 진동 에너지는 손과 팔뚝에서 발산되었다.
도 11은 엔진 속도 2500 rpm및 30 N의 그립력을 가진 10개의 피험자로부터 손, 팔뚝, 팔뚝 및 어깨의 뒷면에 평균 형부침성을 제시한다. 진동소스로부터의 거리가 증가함에 따라 손팔 시스템의 상이한 부분에 대한 전달성이 감소한 것으로 나타났다. 가장 높은 형필성은 손 뒤쪽(위치 1)에서 관찰되었으며, 피크 값은 약 80Hz에서 5.1입니다. 진동의 증폭은중족골(20)에서피부의 공명때문일 수있다. 이전 연구의 연구결과(22,23)와일치하여 손목(위치 2)과 팔꿈치(위치 4)의 공진 주파수는 약 20Hz였으며, 진도는 약 3.0이었다. 또한, 어깨 (위치 6) 형체 성수기 피크는 약 10 Hz에서 1.1이었다. 또한 25Hz 미만의 진동만 팔뚝, 팔뚝 및 어깨로 효과적으로 전달된 것으로 나타났습니다. 5.2항에 있는 방정식(2)을 통해, 다른 흥미진진한 주파수와 변화하는 그립력으로 과실에 미치는 영향을 검토할 수 있으며, 농민을 위한 손 트랙터 를 운영하는 합리적인 제안이 이루어질 수 있다.
| 엔진 모델 및 유형 | JUWEI FC 170, 가솔린, 단일 실린더, 4 스트로크, OHV, 강제 공기 냉각 |
| 스윕 볼륨, cc | 208 |
| 정격 전력, kW | 4.0 kW 앳 3600 rpm |
| 최대 토크, Nm/rpm | 12/2500 |
| 속도 수 | 2 포워드, 1 역 |
| 시작 모드 | 반동 시작(풀 시작) |
| 엔진의 건조 중량, kg | 19 |
| 전체 연료 탱크, 라디에이터 및 윤활 유, kg손 트랙터의 무게 | 72 |
| 타이어 타입 | 고무 바퀴 |
| 타이어 크기(공압), mm | 155×330 (350-6) |
표 1. 손 트랙터의 사양.
| 치수 및 자세 | 최소 | 최대 | 의미하다 | SD |
| 나이,년 | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| 무게, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| 키, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| 팔뚝 손 길이, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| 팔뚝 길이, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| 손 길이, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| 어깨 수평 납치 (α), 도 | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| 어깨 수직 납치 (β) , 도 | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| 팔꿈치 연장(γ) | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| 손목 익스텐션(θ) | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| 손목 편차 (ω) , 도 | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
표 2. 피사체 물리적 특성.

그림 1. 실험 프로토콜 및 데이터 수집 설정. 이 예제에서는 피사체의 체형 측정을 위한 단일 시험(오른쪽에서 왼쪽으로), 6가속도계 어댑터의 착용, 손 트랙터의 작동 자세 및 가속, 그립 력 및 엔진 속도를 위해 설정된 데이터 수집을 묘사합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2. 가속도계 어댑터의 위치입니다. 6 가속도계 어댑터는 손 뒤의 위치, 팔뚝의 말단, 팔뚝의 근위 쪽 끝, 팔뚝의 단부 말단, 팔뚝의 근간, 팔뚝의 근접 말단 및 핸드암 시스템을 따라 곡예어로 감쌌다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 진동 측정 계측. 가속도계, 데이터 수집 시스템, 박막 압력 감지 시스템, 타코메터, 디지털 고니미터 어댑터 및 기타 관련 구성 요소(컴퓨터, 가속도계 어댑터, 케이블, 테이프 측정, 온도계)를 포함한 측정 시스템의 구성 요소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4. 손팔 진동 측정을 위한 베이스센트릭 좌표 시스템. X축은 그립의 세로 축과 평행하게 정의됩니다. Y축은손의 세 번째 메타카르푸스 뼈를 따라 향합니다. Z축은야자수 표면적에 수직입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5. 박막 압력 감지 시스템. 이 시스템은 두 개의 박막 센서, 단일 칩 컨트롤러 및 실시간 그립 력을 보여주는 LED 디스플레이로 구성됩니다. 테스트 데이터는 직렬 통신을 통해 컴퓨터로 내보낼 수도 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6. 손과 팔 자세를 설명하는 데 사용되는 다섯 각도. α 어깨 수평 납치를 설명, β 어깨 수직 납치를 설명, γ 팔꿈치 확장을 식별, θ는 손목 확장을 특성화, ω손목 편차를 식별합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7. 실험 중 엔진 속도와 그립력조정. 파란색 막대는 20, 30 및 40 N의 서로 다른 그립 력을 나타냅니다. 빨간색 선은 엔진 속도가 1500, 2500에서 3500 rpm으로 조정되었음을 나타냅니다. 따라서 1500 rpm, 20 N ~ 3500 rpm, 40 N에서 9 개의 테스트 사례가 있습니다. 각 테스트 사례의 기간은 약 30초입니다.

그림 8. 3500 rpm의 엔진 속도로 핸들에 있는 가속도의 시간 도메인 웨이브 및 진폭 스펙트럼의 샘플. (A)시간 도메인 웨이브 및(B)진폭 스펙트럼X 방향으로; (C)시간 도메인 웨이브 및(D)진폭 스펙트럼Y 방향으로; (E)시간 도메인 웨이브 및(F)진폭 스펙트럼은 Z 방향으로. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9. 10개의 피험자의 손팔 시스템의 6개 위치에서 측정된 그립력과 RMS 진동 가속 사이의 평균 관계: (A)손의 뒷면; (B)팔뚝의 말단 끝; (C)팔뚝의 근위 쪽 끝; (D)팔뚝의 말단 끝; (E)팔뚝의 근접 끝; (F)아크로미온. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10. 10개의 피험자의 핸드암 시스템의 6개 위치에서 측정된 엔진 속도(주파수)와 RMS 진동 가속 사이의 평균 관계: (A)손의 뒷면; (B)팔뚝의 말단 끝; (C)팔뚝의 근위 쪽 끝; (D)팔뚝의 말단 끝; (E)팔뚝의 근접 끝; (F)아크로미온. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 11. 2500 rpm의 엔진 속도와 30 N의 그립 력으로 핸드 암 시스템의 다른 위치에서 1/3 옥타브 밴드의 진동 진동 성. 6개의 곡선은 범례에 표시된 대로 손 뒤쪽(위치 1)에서 곡예(위치 6)까지의 TR 값을 나타냅니다. 파선선은 진동 증폭(이 선 위)과 진동 감쇠(이 선 아래)의 분할선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
여기서, 우리는 그립력과 진동 주파수의 변화에 특별한 참조와 단일 차축 트랙터의 손잡이에서 손으로 전송 된 진동의 측정을위한 표준화 된 방법을 제시한다.
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.
| 가속도계 | PCB Piezotronics Inc. | 352C33, 356A04 | 진동 신호를 측정하는 데 사용됩니다. 2개의 3축 가속도계와 5개의 단일 축 가속도계를 포함합니다. |
| CompactDAQ 시스템 | 내쇼날인스트루먼트 | cRIO-9045,NI-9234 C | 가속 수집에 사용됩니다. 이 시스템은 섀시와 3개의 데이터 수집 카드로 구성됩니다. |
| 디지털 캘리퍼 | Sanliang | 160800635 | 손의 치수를 측정하는 데 사용됩니다. |
| 디지털 방식으로 goniometer | Sanliang | 802973 | 손과 팔의 자세를 측정하기 위하여 사용됩니다. |
| 노트북 컴퓨터 | Lenovo | Ideapad 500s | 소프트웨어를 실행합니다. |
| 매트랩 | ,매스웍스, Inc. | 버전 2020a | 데이터 처리에 사용됩니다. |
| NI SignalExpress | National Instruments | 평가판 버전 2015 | 가속도 데이터를 수집, 분석 및 표시하는 데 사용합니다. |
| 타코미터 | Sanliang | TM 680 | 엔진 속도를 측정하는 데 사용됩니다. |
| 박막 압력 감지 시스템 | YourCee | n/a | 그립력을 측정하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 2개의 박막 센서, STM32 단일 칩 및 LED 디스플레이로 구성됩니다. |