Summary
Hier presenteren we een gestandaardiseerde methode voor het meten van de handgedraagbare trillingen van handgrepen van een eenassige tractor met speciale verwijzing naar veranderingen in gripkracht en trillingsfrequentie.
Abstract
Exploitanten van handtractoren worden blootgesteld aan hoge niveaus van handgedraagbare trillingen (HTV). Deze trilling, die zowel vervelend als gevaarlijk voor de menselijke gezondheid kan zijn, wordt via zijn of haar handen en armen aan de operator overge dragen. Er moet echter nog een gestandaardiseerde methode voor het meten van HTV van handtractoren worden gedefinieerd. Het doel van het onderzoek was een experimentele methode te presenteren voor het onderzoek naar de biodynamische respons en trillingstransmissibility van het handarmsysteem tijdens de werking van een handtractor in stationaire modus. Metingen werden uitgevoerd met tien proefpersonen met behulp van drie gripkrachten en drie handvattrillingsniveaus om de invloeden van de handdruk en frequentie op handgedraagbare trillingen (HTV) te onderzoeken. De resultaten geven aan dat de dichtheid van de grip op de handgreep de trillingsrespons van het handarmsysteem beïnvloedt, vooral bij frequenties tussen 20 en 100 Hz. De transmissie van lagere frequenties in het handarmsysteem was relatief ongenattenuated. Ter vergelijking: demping bleek vrij duidelijk te zijn voor hogere frequenties tijdens de werking van de handtractor. De trillingstransmissibility aan verschillende delen van het hand-wapensysteem verminderde met de verhoging van de afstand van de trillingsbron. De voorgestelde methodologie draagt bij tot het verzamelen van consistente gegevens voor de evaluatie van de blootstelling aan trillingen van de machinist en de ergonomische ontwikkeling van handtractoren.
Introduction
Handtractoren, ook wel power tillers genoemd, worden in ontwikkelingslanden veel gebruikt voor de landvoorbereiding van kleine velden. De veldbediening van een handtractor houdt in dat u achter de machine loopt en de handgrepen vasthoudt om de beweging ervan te regelen. De exploitanten van handtractoren worden blootgesteld aan hoge trillingsniveaus, die kunnen worden toegeschreven aan de kleine eencilindermotor en het gebrek aan ophangsysteem van handtractoren1. Het hand-armtrillingssyndroom (HAVS)2 kan worden veroorzaakt door langdurig uithoudingsvermogen van de trilling, genaamd handgedraagbare trillingen (HTV), die door de handtractor worden gegenereerd en door de handen van de bestuurder worden ontvangen. Om de gezondheidsrisico's te beoordelen die voortvloeien uit de blootstelling van de bedieners aan de HTV van handtrekkers, moet een methode worden vastgesteld voor de meting van de trillingsrespons van het handarmsysteem.
Het hand-arm systeem bestaat uit botten, spieren, weefsels, aderen en slagaders, pezen en huid3, en de directe meting van HTV levert veel problemen op. De relevante internationale normen4,5 bevatten richtlijnen met betrekking tot de meting van de ernst van trillingen die in de directe omgeving van de hand worden gegenereerd, met inbegrip van het coördinatensysteem voor de hand, de locatie en montage van versnellingsmeters, de meetduur, problemen met de kabelconnector, enz. De normen houden echter geen rekening met intrinsieke variabelen, zoals de gripkracht, de houding van de hand en arm, individuele factoren, enz. Deze factoren zijn uitgebreid onderzocht onder een breed scala aan trillingsprikkels en testomstandigheden6,7,8,9,10,11,12,13, maar de resultaten van verschillende onderzoekers zijn het niet goed met u eens. Veel van deze factoren zijn onvoldoende begrepen om in standaardmethoden te worden opgenomen. Deze beperking is gedeeltelijk toe te schrijven aan de complexiteit van het handarmsysteem van de mens, de testomstandigheden en de verschillen in de toegepaste experimentele en meettechnieken.
Bovendien werden de meeste eerdere metingen van HTV uitgevoerd onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden met geïdealiseerde trillingsprikkels, gripkracht en houdingsomstandigheden. De bevindingen en experimentele procedures van deze metingen kunnen daarom niet echt de omstandigheden in de echte wereld repliceren, zoals de bedrijfsomstandigheden van handtractoren. Bovendien zijn slechts beperkte inspanningen geleverd om de HTV van handtractoren met veldmetingen te bestuderen. Deze metingen werden uitgevoerd met behulp van versnellingsmeters die aan de pols, arm, borst en het hoofd van de bestuurder waren bevestigd om de lichaamstrillingen te meten onder de vervoersomstandigheden van de trekker1, of onder de omstandigheden van het tillen in een tot een gestrekt veld en het kotsen in een ondergedompeld veld met verschillende niveaus van motortoerentallen14. Het effect van de grijpkracht, die een cruciale factor van HTV7,8zou kunnen zijn, was niet geïsoleerd. Deze methoden zijn daarom ongeschikt als gestandaardiseerde meetprocedures vanwege de verschillende gedwongen houdingen van de exploitant tijdens de landbouw die worden toegeschreven aan de barre omgevingsomstandigheden.
Dit onderzoek is uitgevoerd om bij te dragen tot de vaststelling van betrouwbare en herhaalbare procedures voor de HTV-meting van handtractoren in stationaire modus. Figuur 1 toont het schematische schema van het experimentele ontwerp. Een handtractor die in China wordt vervaardigd en vaak door Chinese landbouwers wordt gebruikt werd tewerkgesteld, en tien onderzoekers werden gekozen als onderwerpen voor de studie. Zeven lichtgewicht piëzo-elektrische versnellingsmeters die aan het tractor-hand-armsysteem waren bevestigd, werden gebruikt om de trilling te meten. Eén toerenteller en twee dunne-filmdruksensoren bewaakten het motortoerental en de gripkracht tijdens het testen. De proefpersonen moesten de handtractor opeenvolgend bedienen bij gespecificeerde motortoerentallen en met gespecificeerde gripkrachten om de trillingseigenschappen in verschillende bedrijfsmodi te verkrijgen. Dit manuscript biedt een gedetailleerd protocol voor de HTV-meting van het tractor-hand-armsysteem met unieke aandacht voor veranderingen in de gripkracht en trillingsfrequentie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedures werden goedgekeurd door de Ethische Commissie van de Chongqing University of Technology en elk onderwerp gaf schriftelijke geïnformeerde toestemming voorafgaand aan deelname aan deze studie.
1. Voorbereiding van de handtractor
- Zorg ervoor dat de handtractor aan de juiste testomstandigheden wordt onderworpen met een volle brandstoftank, zonder losraken van bouten en zonder andere mechanische defecten die tot abnormale trillingen zouden leiden.
OPMERKING: De specificaties van de handtractor die in dit experiment wordt gebruikt, zijn opgenomen in tabel 1. - Plaats de handtractor op een testplaats met een droog, stevig en vlak grondoppervlak.
OPMERKING: Als dit experiment in een laboratorium binnenshuis is uitgevoerd, moet het laboratorium goed worden geventileerd om schadelijke effecten van het uitlaatgas van de handtractor te voorkomen. - Verwijder de stofkap van de motorrol om het motortoerental tijdens het experiment gemakkelijk te kalibreren met een snelheidsmeter.
- Verwijder de elastomeermaterialen van de handgrepen volgens ISO 5349-2 norm5.
2. Voorbereiding van het onderwerp
- Zorg ervoor dat alle proefpersonen gezond zijn zonder lichamelijke aandoeningen en ouder zijn dan 18 jaar3. Informeer elk onderwerp over de studiedoelstellingen en testprocedures. Schriftelijke geïnformeerde toestemming van alle proefpersonen verkrijgen.
- Sluit personen met de volgende ziekten uit: primaire ziekte van Raynaud of secundair fenomeen van Raynaud, aantasting van de bloedcirculatie naar de handen, misvorming van botten en gewrichten, aandoeningen van het perifere zenuwstelsel of het bewegingsapparaat3.
- Vraag proefpersonen om mouwloze of korte mouwen kleding te dragen, en om horloges, armbanden, ringen, enz.te verwijderen.
- Waarschuw elk onderwerp om de versnellingspook van de handtractor niet aan te raken tijdens het gebruik. Waarschuw elk onderwerp om uit de buurt van de motorrol te blijven wanneer de handtractor draait.
- Geef onderwerpen een snelheidsregeltraining op de handtractor. Informeer elk onderwerp om de motor aan het einde van het experiment uit te schakelen door op de knop van de motorschakelaar te drukken.
OPMERKING: Over het algemeen wordt de regeling van het motortoerental geregeld door de gashendel aan de rechterhandgreep en worden proefpersonen getraind om het motortoerental te regelen door de gashendel naar links (snelheidsverlaging) of naar rechts (snelheidsverhoging) met hun rechterhand te draaien. - Instrueer elk onderwerp hoe de handtractor moet worden bediend en hoe het motortoerental van 1500 tpm tot 3500 tpm moet worden geregeld.
- Meet de lichaamsafmetingen van elk onderwerp (stahoogte, massa, onderarmlengte, lengte bovenarm, handlengte).
OPMERKING: Tabel 2 geeft een overzicht van de fysieke kenmerken van tien gezonde proefpersonen in dit experiment. - Wikkel de versnellingsmeteradapters stevig op de hand en arm van elk onderwerp op de in figuur 2aangegeven plaatsen .
OPMERKING: Elke adapter is vervaardigd met behulp van een nylon band en een stuk van de gegalvaniseerde ijzeren plaat (0,3 mm) om een stijve en lichte bevestiging te bieden.
3. Installatie van het meetsysteem
- Versnellingsmeetsysteem instellen
OPMERKING: De huidige stappen zijn gericht op het verzamelen van de trillingsversnellingssignalen van de handgreep van de handtractor en zes locaties van het handarmsysteem van de machinist. De voorgestelde aanpak maakt gebruik van een compact Data Acquisition (DAQ)-systeem dat bestaat uit zeven versnellingsmeters, drie data-acquisitiekaarten, een DAQ-chassis, een laptopcomputer en enkele bijbehorende kabels (figuur 3). Andere soorten DAQ-systemen met de juiste kenmerken voor de betrokken toepassing kunnen op dezelfde manier worden toegepast.- Voordat u een meting start, verzamelt u alle componenten van het meetsysteem (versnellingsmeters, gegevensverwervingssysteem, dunne-filmdrukdetectiesysteem, toerenteller, digitale goniometer en andere relevante componenten).
- Om het versnellingsmeetsysteem in te stellen, sluit u de versnellingsmeter aan op de data-acquisitiekaarten met behulp van de versnellingsmeterkabels. Sluit het chassis met behulp van een Ethernet-kabel aan op de computer.
OPMERKING: In dit experiment werden twee triaxiale versnellingsmeters en vijf eenassige versnellingsmeters met een magnetische montagebasis gebruikt. - Bevestig een triaxiale versnellingsmeter aan de linkergreep van de handtractor en bevestig de andere op de versnellingsmeteradapter van de hand van het onderwerp. Bevestig een-voor-een versnellingsmeters met één as op de versnellingsmeteradapters van de arm en schouder van het onderwerp.
OPMERKING: De locaties van de versnellingsmeters zijn zoals weergegeven in figuur 1. De locatiekeuze van de triaxiale versnellingsmeter aan de linkerhandgreep van de handtractor moet zo dicht mogelijk bij de linkerhand van de bestuurder liggen. - Pas de oriëntatie van de triaxiale versnellingsmeters op de hand aan om consistent te zijn met het basiscoördinatensysteem (figuur 4) voor het meten van hand-armtrillingen zie ISO 5349-1 norm4. Bevestig met plakband de versnellingsmeterkabels op het huidoppervlak van de arm van het onderwerp en het stuur van de tractor.
- Gripkrachtmetingsopstelling
OPMERKING: Een dunne-film drukdetectiesysteem15,16 is ontworpen met twee weerstandsdrukgevoelige sensoren, een single-chip controller en een LED-display, en werd gekalibreerd voor de meting, zoals weergegeven in figuur 5.- Bevestig twee dunne-filmsensoren symmetrisch aan tegenovergestelde zijden rond de centrale as van de handgreep met dubbelzijdig plakband.
- Plaats het scherm van het detectiesysteem op een geschikte hoogte, zodat het onderwerp de grijpkracht tijdens de werking van de handtractor kan bewaken en aanpassen aan het opgegeven niveau.
- Motortoerental meting setup
OPMERKING: Motortoerental verwijst naar de omwentelingen per minuut (RPM) van de propeller van de gebruikte handtractormotor, wat gelijk is aan het toerental van de motorrol. Een lasertoerenteller werd gebruikt om het motortoerental tijdens het gebruik te kalibreren en te bewaken.- Bevestig een stuk retroreflectieve tape (ongeveer 10 × 10 mm) aan het oppervlak van de motorrol voor lasertoerentellermeting.
- Plaats de toerenteller op de juiste hoogte en loodrecht op de retroreflectieve tape.
- Houdingsmeting
- Instrueer het onderwerp om de handgreep in een horizontale positie te houden en op te tillen. Meet de hand- en armhouding van het onderwerp met behulp van een digitale goniometer.
OPMERKING: De vijf hoeken17 die worden gebruikt om de hand- en armhouding tijdens het gebruik van de handtractor te beschrijven, zijn weergegeven in figuur 6. De in dit experiment gemeten houdingshoeken van de proefpersonen zijn weergegeven in tabel 2. - Vraag de proefpersoon om de houding te behouden tot het einde van de proef.
- Instrueer het onderwerp om de handgreep in een horizontale positie te houden en op te tillen. Meet de hand- en armhouding van het onderwerp met behulp van een digitale goniometer.
4. Experiment en data-acquisitie
- Start de handtractor in neutraal en laat hem ongeveer 30 s draaien bij een laag motortoerental (ongeveer 1500 tpm) totdat deze gestabiliseerd is.
- Schakel respectievelijk de toerenteller, het dunne-filmdruksensorapparaat, de laptopcomputer en het versnellingsgegevensverwervingssysteem in.
- Open de DAQ-software en maak een nieuw bestand voor elk onderwerp. Stel de parameters versnelling, acquisitiemodus en bemonsteringsfrequentie in voor het verzamelen van gegevens.
OPMERKING: Om de nauwkeurige karakterisering van de HTV te verkrijgen, moet de bemonsteringsfrequentie niet minder dan 1500 Hz bedragen. In deze studie werd de bemonsteringsfrequentie vastgesteld op 1650 Hz. Als voor het verzamelen van gegevens een hogere bemonsteringsfrequentie werd gebruikt, werd een laagdoorlaatfilter met een afsluitfrequentie bij 1500 Hz geadviseerd om de geluidsinvloeden zoals de irrelevante hoogfrequente bijdragen te verwijderen. - Klik op uitvoeren en wacht ongeveer 10 s totdat het systeem is gestabiliseerd. Klik vervolgens op Opnemen om te beginnen met het opnemen van de versnellingsgegevens.
- Aanpassing van het motortoerental en de gripkracht
OPMERKING: Zoals weergegeven in figuur 7, werd dit experiment uitgevoerd op drie niveaus van motortoerental (1500, 2500 en 3500 tpm) en drie niveaus van gripkracht (20, 30 en 40 N) tijdens elke proef. De geschatte duur van de HTV-tests van elk onderwerp is 6 minuten.- Vraag de proefpersoon om de toerenteller in de gaten te houden en het motortoerental aan te passen tot 1500 tpm totdat deze gestabiliseerd is.
- Instrueer het onderwerp de grijpkracht zorgvuldig aan 20 N door te kijken naar de weergegeven krachtsignalen van het dunne-filmdrukdetectiesysteem en houd deze gripkracht ongeveer 30 s op peil.
OPMERKING: De instelling van de grijpkracht duidt op het verhogen of verlagen van de druk tussen de hand en het stuur van de handtractor. Proefpersonen moeten de gripkracht aanpassen door het stuur strakker of lichter vast te houden. - Stel de grijpkracht in op 30 N en houd ongeveer 30 s. Stel vervolgens de grijpkracht in op 40 N en houd ongeveer 30 s.
- Stel het motortoerental in op 2500 tpm en herhaal stap 4.5.2 en 4.5.3.
- Stel het motortoerental in op 3500 tpm en herhaal stap 4.5.2 en 4.5.3.
- Vraag de proefpersoon om de gashendel op het laagste motortoerental te zetten. Zet de handgreep neer en schakel de motor van de handtractor uit.
- Sla de gegevens op en sluit het DAQ-systeem af. Verwijder en plaats de versnellingsmeters op het volgende onderwerp.
- Herhaal stap 4.3 tot en met 4.7 tot het einde van de gegevensverzamelingen van alle onderwerpen.
- Exporteer de versnellingstijdreeksgegevens voor verdere analyse.
5. Gegevensverwerking en -analyse
- Importeer de geregistreerde trillingstijddomeinsignalen naar MATLAB-software. Bereken de wortel-gemiddelde-kwadratische (RMS) waarden van de trillingsversnelling van de handgreep van de handtractor, die de trillingsblootstelling tijdens de werking van de handtractor vertegenwoordigen, met de vergelijking (1):
(1)
waarbij eenRMS de RMS van trillingsversnelling (m/s2) is, berekend voor elke 1/3e octaafband, a(t) de gemeten trillingsversnellingsamplitude (m/s2) is en T de duur van de gemeten trillingsversnelling(en).
OPMERKING: In iso 5349-1-norm is het belangrijk om RMS-versnelling te gebruiken om de omvang van trillingen weer te geven die naar de handen van de bediener worden overgebracht. - Bereken de RMS-waarden van trillingsversnelling bij de hand, pols, arm en schouder van elk onderwerp met behulp van vergelijking (1). Bereken de trillingsoverdraagbare (TR) met behulp van vergelijking (2)1,14:
(2)
waarbij ain de handgreeptrilling voor HTV is en eenuit de betreffende trilling op de zes locaties van het handarmsysteem van de proefpersoon (zie figuur 2).
OPMERKING: Volgens ISO 5349-1 kunnen de factoren (met uitzondering van gripkracht en trillingsfrequentie) van invloed zijn op de resultaten van handgedraagbare trillingsmetingen, waaronder: de vaardigheid van de bediener, lichaamshouding, klimatologische omstandigheden, lawaai, enz. Om deze willekeurige factoren te verminderen, werden de TR-waarden van alle meetlocaties van de tien proefpersonen in deze studie gemiddeld. - Converteer de tijddomeinsignalen van de hendel naar frequentiedomeinsignalen door het snelle Fourier transform (FFT)-algoritme met behulp van het MATLAB-programma om de ingangstrilling te onderzoeken.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het experiment werd uitgevoerd in het laboratorium (luchttemperatuur 22,0 °C ± 1,5 °C) bij tien gezonde proefpersonen (tabel 2) tijdens het gebruik van een handtractor in stationaire toestand.
Volgens het protocol werden trillingsversnellingsgegevens verzameld van het handvat van de handtractor, evenals de achterkant van de hand, de pols, de arm en de schouder van elk onderwerp. Het spectrum van de trillingsversnelling die aan de handgreep optreedt (invoer naar de hand) werd verkregen. Figuur 8 toont voorbeelden van het tijddomein en RMS-frequentiedomeinversnellingen op de handgreep bij het motortoerental van 3500 tpm gedurende een bepaalde tijdsduur. Het is duidelijk dat de trillingsversnelling de hoogste was langs de Y-asen de laagste langs de X-as. De maximale versnellingen van de X- en Z-richtingen vonden plaats bij een frequentie van 58 Hz (dat is de werkfrequentie van de motor die overeenkomt met de rotatiesnelheid van 3500 tpm). Het grootste deel van de trillingsenergie bleek gecentraliseerd te zijn in het frequentiebereik van 50 tot 200 Hz. Met hetzelfde analyseproces konden de kenmerken van zowel het tijddomein als de frequentiedomeinsignalen worden verkregen, zoals de trillingsamplitude, piek, dominante frequentie, enz.
Ook de invloeden van de gripkracht en het motortoerental op de trillingsreactie van het handarmsysteem werden onderzocht. Zoals blijkt uit figuur 9, werd opgemerkt dat de toename van de gripkracht de trillingsversnelling met name bij frequenties tussen 20 en 100 Hz verhoogde, en dat drie resonantiefrequenties (20, 40 en 80 Hz) bijna lineair bleken te toenemen met de toename van de gripkracht. Dit wordt toegeschreven aan de toename van de contactstijfheid en gewrichtsstijfheid18,19. Deze bevindingen geven aan dat de gepresenteerde meet- en afstelmethoden van de grijpkracht effectief kunnen worden toegepast op HTV-metingen.
Zoals weergegeven in figuur 10, onderzocht dit experiment het effect van de ingangsfrequentie op HTV via motortoerentalaanpassing op drie niveaus (1500, 2500 en 3500 tpm). Op de plaats van de achterkant van de hand(figuur 10A)werd een hogere versnellingswaarde verkregen bij 3500 tpm in vergelijking met lagere motortoerentallen. Bij de bovenarm en schouder(figuur 10D, Een F)daarentegen vond de piekversnelling plaats bij 1500 tpm. Door de uitgebreide vergelijking van zowel de locaties als de opwindende frequenties, is het redelijk om te concluderen dat lagere frequenties relatief ongenattenuated werden uitgezonden in het handarmsysteem, terwijl demping vrij duidelijk was voor hogere frequenties. Zo werd het grootste deel van de trillingsenergie afgevoerd in de hand en onderarm.
Figuur 11 toont de gemiddelde overdraagbaarheid aan de achterkant van de hand, onderarm, bovenarm en schouder van de tien proefpersonen met een motortoerental van 2500 tpm en een gripkracht van 30 N. Er werd vastgesteld dat de overdraagbaarheid naar de verschillende delen van het handarmsysteem afnam met de toename van de afstand tot de trillingsbron. De hoogste overdraagbaarheid werd waargenomen aan de achterkant van de hand (locatie 1), met een piekwaarde van 5,1 bij ongeveer 80 Hz. De versterking van de trilling kan te wijten zijn aan de resonantie van de huid bij het middenhandsbeentje20,21. In overeenstemming met de bevindingen van eerdere studies22,23, was de resonantiefrequentie van de overdraagbare rond 20 Hz (locatie 2) en elleboog (locatie 4) ongeveer 20 Hz, met een magnitude van ongeveer 3,0. Bovendien was de overdraagbare piek van de schouder (locatie 6) 1,1 bij ongeveer 10 Hz. Er werd ook vastgesteld dat alleen trillingen van minder dan 25 Hz effectief werden overgedragen op de onderarm, bovenarm en schouder. Met vergelijking (2) in punt 5.2 en na het analyseproces van de overdraagbaarheid is het mogelijk om de invloeden op de overdraagbaarheid te onderzoeken met verschillende opwindende frequenties en veranderende grijpkracht, en een redelijke suggestie van het bedienen van handtractor voor boeren zou kunnen worden gedaan.
| Motormodel en type | JUWEI FC 170, benzine, eencilinder, viertakt, OHV, geforceerde luchtgekoeld |
| Geveegd volume, cc | 208 |
| Nominaal vermogen, kW | 4,0 kW bij 3600 tpm |
| Maximumkoppel, Nm/tpm | 12/2500 |
| Aantal snelheden | 2 vooruit, 1 achteruit |
| Startmodus | Terugslagstart (pull start) |
| Drooggewicht van de motor, kg | 19 |
| Gewicht van handtractor met volle brandstoftank, radiator en smeeroliën, kg | 72 |
| Type band | Rubber wiel |
| Bandenmaat (pneumatisch), mm | 155×330 (350-6) |
Tabel 1. Specificaties van de handtractor.
| Afmetingen en houdingen | minimum | maximum | bedoelen | Sd |
| Leeftijd, jaren | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Gewicht, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Gestalte, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Onderarm handlengte, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Lengte bovenarm, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Handlengte, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Schouder horizontale abductie (α), graden | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Schouder verticale abductie (β), graden | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Elleboogverlenging (γ), graden | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Polsverlenging (θ) , graden | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Polsafwijking (ω) , graden | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Tabel 2. Fysieke kenmerken van het onderwerp.
Figuur 1. Het experimentele protocol en de set-up van gegevensverzameling. Dit voorbeeld toont een enkele proef (van rechts naar links) voor het meten van de lichaamsafmetingen van een proefpersoon, het dragen van 6 versnellingsmeteradapters, de werkhouding van de handtractor en de gegevensverwerving die is ingesteld voor de acceleratie, gripkracht en motortoerental. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. De locaties van de versnellingsmeteradapters. 6 versnellingsmeteradapters werden gewikkeld in de plaatsen van de achterkant van de hand, distaal uiteinde van de onderarm, proximaal uiteinde van de onderarm, distaal uiteinde van de bovenarm, proximaal uiteinde van de bovenarm en het acromion langs het handarmsysteem. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Trillingsmeting instrumentatie. De componenten van het meetsysteem, waaronder versnellingsmeters, gegevensverwervingssysteem, dunne-filmdrukdetectiesysteem, een toerenteller, een digitale goniometer en andere relevante componenten (computer, versnellingsmeteradapters, kabels, meetlint, thermometer). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Het basicentrische coördinatensysteem voor hand-arm trillingsmeting. De X-aswordt parallel aan de lengteas van de grip gedefinieerd. De Y-aswordt langs het derde metacarpusbeen van de hand geleid. De Z-asstaat loodrecht op het palmoppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Het dunne-film drukdetectiesysteem. Dit systeem bestaat uit twee dunne-filmsensoren, een single-chip controller en een LED-display om de real-time gripkracht te tonen. De testgegevens kunnen ook naar een computer worden geëxporteerd door de seriële communicatie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6. De vijf hoeken die worden gebruikt om de hand- en armhouding te beschrijven. α beschrijft de horizontale abductie van de schouder, β de verticale abductie van de schouder beschrijft, γ de elleboogverlenging identificeert, θ de polsverlenging kenmerkt en ω de polsafwijking identificeert. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7. Aanpassing van het motortoerental en de gripkracht tijdens het experiment. De blauwe staven vertegenwoordigen verschillende gripkrachten van 20, 30 en 40 N. De rode lijnen geven de instelling van het motortoerental aan van 1500, 2500 tot 3500 tpm. Daarom zijn er 9 testcases van 1500 tpm, 20 N tot 3500 tpm, 40 N. De duur van elke testcase is ongeveer 30 s. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8. Monsters van de tijddomeingolf en amplitudespectra van de versnellingen op de handgreep bij het motortoerental van 3500 tpm. (A) De tijddomeingolf en (B) amplitudespectra in de X-richting; (C) de tijddomeingolf en (D) amplitudespectra in de Y-richting; (E) de tijddomeingolf en (F) amplitudespectra in de Z-richting. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 9. De gemiddelde relatie tussen de grijpkracht en rms-trillingsversnelling, gemeten op zes locaties van het handarmsysteem van tien proefpersonen: (A) achterkant van de hand; (B) distaal uiteinde van de onderarm; (C) proximale uiteinde van de onderarm; (D) distaal uiteinde van de bovenarm; (E) proximale uiteinde van de bovenarm; (F) acromion. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 10. De gemiddelde relatie tussen het motortoerental (frequentie) en de RMS-trillingsversnelling, gemeten op zes locaties van het handarmsysteem van tien proefpersonen: (A) achterkant van de hand; (B) distaal uiteinde van de onderarm; (C) proximale uiteinde van de onderarm; (D) distaal uiteinde van de bovenarm; (E) proximale uiteinde van de bovenarm; (F) acromion. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 11. Trillingsoverdraagbarering bij de 1/3e octaafband op verschillende plaatsen in het handarmsysteem bij een motortoerental van 2500 tpm en gripkracht van 30 N. De 6 krommen vertegenwoordigen de TR-waarden van de achterkant van de hand (locatie 1) tot het acromion (locatie 6) zoals weergegeven in de legenda. De onderbroken lijn is een scheidslijn van trillingsversterking (boven deze lijn) en trillingsdemping (onder deze lijn). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het in deze studie gepresenteerde protocol werd vastgesteld op basis van HTV-normen4,5,24en werd ontwikkeld als de standaardstappen voor de meting van de HTV van het menselijke handarmsysteem tijdens de werking van een handtractor in stationaire toestand. Deze toestand is de meest stabiele toestand van de handtractor om de betrouwbare meting van de daadwerkelijk overgebrachte trillingen op de hand en arm te garanderen. Het bereik van de variabelen die worden geacht de test uit te voeren, via de aanpassing van het motortoerental en de gripkracht, bestrijkt het normale en veilige werkingsbereik van de handtractor. Gezien de complexiteit van het handwapensysteem bleken de experimentele resultaten van dit protocol goed overeen te komen met de gegevens die zijn gerapporteerd in artikelen over de kenmerken van trillingsbronnen25, trillingsoverdraagbare1,26en de essentiële factoren8,27 die van invloed zijn op de respons van het handarmsysteem tijdens de werking van handtractoren.
De resultaten zijn afhankelijk van enkele kritieke onderdelen van deze installatie binnen het protocol. Ten eerste, omdat het gewicht van de versnellingsmeter de grootte van de trilling van het handarmsysteem20beïnvloedt, moet het totale gewicht van de versnellingsmeter en adapter zo licht mogelijk zijn om meetfouten te verminderen. Ten tweede moet elke versnellingsmeteradapter stevig op het handarmsysteem worden bevestigd om relatieve beweging tussen het meetpunt en de versnellingsmeter te voorkomen. Ten derde moet de testproef van elk onderwerp zonder onderbreking worden voltooid om het effect van de werkhouding te verminderen.
De belangrijkste beperking van deze studie is dat de trillingstransmissibility aan het hand-armsysteem slechts in de richting van de Z-as(Figuur 4) werd gemeten en geanalyseerd als gevolg van het gebruik van eenassige versnellingsmeters op de plaatsen van arm en schouder. Hoewel flexibele en dunne-filmsensoren werden gebruikt om gripkracht tijdens de test te meten, zullen verdere meetinspanningen langs de afschuifrichting naar verwachting aanzienlijke inzichten opleveren in de karakterisering en beoordeling van HTV, wat een andere beperking van de huidige studie vertegenwoordigt. Bovendien beïnvloeden de intrinsieke factoren van operators, zoals hun lichaamsgrootte, lichaamshouding en hand- en armgrootte, HTV. Als volgende stap zullen meer gegevens worden verzameld om deze factoren te onderzoeken met behulp van het gepresenteerde protocol.
Dit protocol zal nuttig zijn voor het begrijpen van de trillingsoverdrachtskenmerken van het handtractor-handarmsysteem. De belangrijkste potentiële toepassingen van de voorgestelde methodologie zijn de schatting van de interactieverschijnselen tussen mens en tractor, de ergonomische ontwikkeling van handtractoren en de ontwikkeling van beschermende voorzieningen zoals isolatoren en handschoenen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Natural Science Foundation van Chongqing, China (cstc2019jcyj-msxmX0046), het project van Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) en het project van Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, China (2020TJZ010). De auteurs willen prof. Yan Yang bedanken voor het beschikbaar stellen van de testsite. We zijn dr. Jingshu Wang en dr. Jinghua Ma ook dankbaar voor hun begeleiding bij het gebruik van de trillingsmeetinstrumenten. Dank gaat ook uit naar de proefpersonen voor hun volledige medewerking tijdens de experimenten.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Accelerometers | PCB Piezotronics Inc. | 352C33, 356A04 | Used to measure vibration signals. Including 2 tri-axial accelerometers and 5 single-axis accelerometers. |
| CompactDAQ System | National Instruments | cRIO-9045,NI-9234 C | Used for acceleration acquisition. The system consists of a chassis and 3 data acquisition cards. |
| Digital caliper | Sanliang | 160800635 | Used to measure dimensions of the hand. |
| Digital goniometer | Sanliang | 802973 | Used to measure hand and arm posture. |
| Laptop computer | Lenovo | Ideapad 500s | To run the softwares. |
| Matlab | MathWorks Inc. | Version 2020a | Used for data processing. |
| NI SignalExpress | National Instruments | Trial version 2015 | Use to acquire, analyze and present acceleration data. |
| Tachometer | Sanliang | TM 680 | Used to measure engine speed. |
| Thin-film pressure sensing system | YourCee | n/a | Used to measure grip force. The system consists of 2 thin-film sensors, a STM32 singlechip and a LED display. |
References
- Ahmadian, H., Hassan-Beygi, S. R., Ghobadian, B., Najafi, G. ANFIS modeling of vibration transmissibility of a power tiller to operator. Applied Acoustics. 138, 39-51 (2018).
- Heaver, C., Goonetilleke, K. S., Ferguson, H., Shiralkar, S. Hand-arm vibration syndrome: a common occupational hazard in industrialized countries. Journal of Hand Surgery. 36 (5), European Volume 354-363 (2011).
- Geethanjali, G., Sujatha, C. Study of Biomechanical Response of Human Hand-Arm to Random Vibrations of Steering Wheel of Tractor. Molecular & Cellular Biomechanics. 10 (4), 303-317 (2013).
- International Organization for Standardization. ISO 5349-1: Mechanical Vibration: Measurement and Evaluation of Human Exposure to Hand Transmitted Vibration Part 1: General requirements. International Organization for Standardization. , (2001).
- International Organization for Standardization. ISO5349-2: Mechanical vibration- Measurement and evaluation of human exposure to hand-transmitted vibration. Part 2: Practical guidance for measurement at the workplace. International Organization for Standardization. , (2001).
- Besa, A. J., Valero, F. J., Suñer, J. L., Carballeira, J. Characterisation of the mechanical impedance of the human hand-arm system: The influence of vibration direction, hand-arm posture and muscle tension. International Journal of Industrial Ergonomics. 37 (3), 225-231 (2007).
- Marcotte, P., Aldien, Y., Boileau, P. É, Rakheja, S., Boutin, J. Effect of handle size and hand-handle contact force on the biodynamic response of the hand-arm system under zh-axis vibration. Journal of Sound and Vibration. 283 (3-5), 1071-1091 (2005).
- Pan, D., et al. The relationships between hand coupling force and vibration biodynamic responses of the hand-arm system. Ergonomics. 61 (6), 818-830 (2018).
- Dong, R. G., Rakheja, S., Schopper, A. W., Han, B., Smutz, W. P. Hand-transmitted vibration and biodynamic response of the human hand-arm: a critical review. Critical Reviews In Biomedical Engineering. 29 (4), 393-439 (2001).
- Marchetti, E., et al. An investigation on the vibration transmissibility of the human elbow subjected to hand-transmitted vibration. International Journal of Industrial Ergonomics. 62, 82-89 (2017).
- McDowell, T. W., Welcome, D. E., Warren, C., Xu, X. S., Dong, R. G. Assessment of hand-transmitted vibration exposure from motorized forks used for beach-cleaning operations. Annals of Work Exposures and Health. 57 (1), 43-53 (2013).
- Tony, B. J. A. R., Alphin, M. S. Finite element analysis to assess the biomechanical behavior of a finger model gripping handles with different diameters. Biomedical Human Kinetics. 11 (1), 69-79 (2019).
- Tony, B. J. A. R., Alphin, M. S., Velmurugan, D. Influence of handle shape and size to reduce the hand-arm vibration discomfort. Work. 63 (3), 415-426 (2019).
- Dewangan, V. K. T. Characteristics of hand-transmitted vibration of a hand tractor used in three operational modes. International Journal of Industrial Ergonomics. 39 (1), 239-245 (2009).
- Kalra, M., Rakheja, S., Marcotte, P., Dewangan, K. N., Adewusi, S. Measurement of coupling forces at the power tool handle-hand interface. International Journal of Industrial Ergonomics. 50, 105-120 (2015).
- Gurram, R., Rakheja, S., Gouw, G. J. A study of hand grip pressure distribution and EMG of finger flexor muscles under dynamic loads. Ergonomics. 38 (4), 684-699 (1995).
- Tarabini, M., Saggin, B., Scaccabarozzi, D., Moschioni, G. Hand-arm mechanical impedance in presence of unknown vibration direction. International Journal of Industrial Ergonomics. 43 (1), 52-61 (2013).
- Aatola, S. Transmission of vibration to the wrist and comparison of frequency response function estimators. Journal of Sound and Vibration. 131 (3), 497-507 (1989).
- Kihlberg, S. Biodynamic response of the hand-arm system to vibration from an impact hammer and a grinder. International Journal of Industrial Ergonomics. 16 (1), 1-8 (1995).
- Gurram, R., Rakheja, S., Gouw, G. J. Vibration transmission characteristics of the human hand-arm and gloves. International Journal of Industrial Ergonomics. 13 (3), 217-234 (1994).
- Burström, A. S. L. Transmission of vibration energy to different parts of the human hand-arm system. Int Arch Occup Environ Health. 70 (3), 199-204 (1997).
- Hartung, E., Dupuis, H., Scheffer, M. Effects of grip and push forces on the acute response of the hand-arm system under vibrating conditions. International Archives of Occupational and Environmental Health. 64 (6), 463-467 (1993).
- Pope, M. H., Magnusson, M., Hansson, T. The upper extremity attenuates intermediate frequency vibrations. Journal of Biomechanics. 30 (2), 103-108 (1997).
- International Organization for Standardization. ISO 8041-1: Human response to vibration-Measuring instrumentation. International Organization for Standardization. , (2017).
- Ying, Y. B., Zhang, L. B., Xu, F., Dong, M. D. Vibratory characteristics and hand-transmitted vibration reduction of walking tractor. Transactions Of The ASAE. 41 (4), 917-922 (1998).
- Dewangan, K. N., Tewari, V. K. Characteristics of vibration transmission in the hand-arm system and subjective response during field operation of a hand tractor. Biosystems Engineering. 100 (4), 535-546 (2008).
- Xu, X. S., et al. Vibrations transmitted from human hands to upper arm, shoulder, back, neck, and head. International Journal of Industrial Ergonomics. 62, 1-12 (2017).
