Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Måling av håndsendert vibrasjon av det menneskelige håndarmsystemet under drift av en håndtraktor

Published: June 16, 2021 doi: 10.3791/62508
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3Mechanical and Manufacturing Engineering, Miami University

Summary

Her presenterer vi en standardisert metode for måling av håndoverføringsvibrasjon fra håndtak på en enkeltakslet traktor med spesiell referanse til endringer i gripekraft og vibrasjonsfrekvens.

Abstract

Operatører av håndtraktorer er utsatt for høye nivåer av håndoverført vibrasjon (HTV). Denne vibrasjonen, som kan være både irriterende og farlig for menneskers helse, blir gitt til operatøren via hans eller hennes hender og armer. Imidlertid er en standardisert metode for måling av HTV av håndtraktorer ennå ikke definert. Målet med studien var å presentere en eksperimentell metode for undersøkelse av den biodynamiske responsen og vibrasjonstransmissibiliteten til håndvåpensystemet under drift av en håndtraktor i stasjonær modus. Målinger ble utført med ti forsøkspersoner ved hjelp av tre gripekrefter og tre håndtaksvibrasjonsnivåer for å undersøke påvirkningen av håndtrykket og frekvensen på håndoverført vibrasjon (HTV). Resultatene indikerer at tettheten av grep på håndtaket påvirker vibrasjonsresponsen til håndarmsystemet, spesielt ved frekvenser mellom 20 og 100 Hz. Overføringen av lavere frekvenser i håndvåpensystemet var relativt uoppmerksom. Til sammenligning ble demping funnet å være ganske merket for høyere frekvenser under driften av håndtraktoren. Vibrasjonsoverførbarheten til ulike deler av håndarmsystemet ble redusert med økningen av avstanden fra vibrasjonskilden. Den foreslåtte metodikken bidrar til innsamling av konsistente data for evaluering av operatørvibrasjonseksponering og ergonomiutvikling av håndtraktorer.

Introduction

Håndtraktorer, også kjent som kraft styrekulter, er mye brukt i utviklingsland for landforberedelse av små felt. Feltoperasjonen av en håndtraktor innebærer å gå bak maskinen og holde håndtakene for å kontrollere bevegelsen. Operatørene av håndtraktorer er utsatt for høye vibrasjonsnivåer, noe som kan tilskrives den lille enkeltsylindrede motoren og mangel på fjæringssystem av håndtraktorer1. Hånd-arm vibrasjonssyndromet (HAVS)2 kan skyldes langvarig utholdenhet fra vibrasjonen, navngitt håndoverføringsvibrasjon (HTV), som genereres av håndtraktoren og mottas av operatørens hender. For å vurdere helserisikoen ved operatørens eksponering for HTV av håndtraktorer, er det nødvendig å etablere en metode for måling av vibrasjonsresponsen til håndvåpensystemet.

Håndarmsystemet består av bein, muskler, vev, årer og arterier, sener og hud3, og direkte måling av HTV utgjør mange problemer. De relevante internasjonale standardene4,5 gir retningslinjer knyttet til måling av alvorlighetsgraden av vibrasjon generert i umiddelbar nærhet av hånden, inkludert koordinatsystemet for hånden, plassering og montering av akselerometere, målevarighet, kabelkontaktproblemer, etc. Standardene tar imidlertid ikke hensyn til iboende variabler, for eksempel gripekraften, holdningen til hånden og armen, individuelle faktorer, etc. Disse faktorene har blitt undersøkt grundig under et bredt spekter av vibrasjonseksitasjoner og testforhold6,7,8,9,10,11,12,13, men resultatene fra forskjellige etterforskere er ikke i god enighet. Mange av disse faktorene er ikke tilstrekkelig forstått å være innlemmet i standardmetoder. Denne begrensningen kan delvis tilskrives kompleksiteten i det menneskelige håndvåpensystemet, testforholdene og forskjellene i eksperimentelle og måleteknikker som brukes.

Videre ble de fleste av de tidligere målingene av HTV utført under nøye kontrollerte forhold med idealiserte vibrasjonseksitasjoner, gripekraft og posturale forhold. Funnene og eksperimentelle prosedyrer for disse målingene kan derfor ikke virkelig gjenskape virkelige forhold, for eksempel driftsforholdene til håndtraktorer. Videre er det bare gjort begrenset innsats for å studere HTV av håndtraktorer med feltmålinger. Disse målingene ble utført ved hjelp av akselerometere festet til operatørens håndledd, arm, bryst og hode for å måle hele kroppsvibrasjonen under traktorens transportforhold1, eller under forholdene for å vippe i et tilled felt og puddling i et nedsenket felt med forskjellige nivåer av motorhastigheter14. Effekten av gripekraften, som kan være en avgjørende faktor for HTV7,8, var ikke isolert. Disse metodene er derfor uegnet som standardiserte måleprosedyrer på grunn av operatørens ulike tvungne stillinger under oppdrett tilskrevet de tøffe miljøforholdene.

Den nåværende forskningen ble foretatt for å bidra til etablering av pålitelige og repeterbare prosedyrer for HTV-måling av håndtraktorer i stasjonær modus. Figur 1 viser det skjematiske diagrammet for eksperimentell utforming. En håndtraktor produsert i Kina og ofte brukt av kinesiske bønder ble ansatt, og ti forskningsarbeidere ble valgt som for studien. Syv lette piezoelektriske akselerometere festet til traktor-hånd-arm-systemet ble brukt til å måle vibrasjonen. Ett turteller og to tynnfilmtrykksensorer overvåket motorens hastighet og gripekraft under testing. Forsøkspersonene ble pålagt å betjene håndtraktoren sekvensielt ved angitte motorhastigheter og med spesifiserte gripekrefter for å oppnå vibrasjonsegenskapene i ulike driftsmoduser. Dette manuskriptet gir en detaljert protokoll for HTV-måling av traktor-hånd-arm-systemet med unik vurdering av endringer i gripekraft og vibrasjonsfrekvens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle prosedyrer ble godkjent av Etikkkomiteen ved Chongqing University of Technology og hvert emne ga skriftlig informert samtykke før deltakelse i denne studien.

1. Klargjøring av håndtraktor

  1. Forsikre deg om at håndtraktoren blir utsatt for riktige testforhold med en full drivstofftank, uten løshet av bolter, og uten andre mekaniske feil som vil resultere i unormal vibrasjon.
    MERK: Spesifikasjonene til håndtraktoren som brukes i dette eksperimentet er angitt i tabell 1.
  2. Plasser håndtraktoren på et teststed med en tørr, fast og jevn underlagsoverflate.
    MERK: Hvis dette eksperimentet ble utført i et innendørs laboratorium, må laboratoriet være godt ventilert for å forhindre skadelige effekter av eksosgassen fra håndtraktoren.
  3. Fjern støvdekselet på motorskiven for å kalibrere motorhastigheten enkelt med et speedometer under eksperimentet.
  4. Fjern de elastomeriske materialene til håndtakene i henhold til ISO 5349-2 standard5.

2. Fagforberedelse

  1. Forsikre deg om at alle er sunne uten fysisk sykdom og er over 18 år3. Informer hvert emne om studiemålene og testprosedyrene. Innhente skriftlig informert samtykke fra alle.
    1. Utelukke personer med følgende sykdommer: primær Raynauds sykdom eller sekundær Raynauds fenomen, svekkelse av blodsirkulasjonen til hendene, deformitet av bein og ledd, forstyrrelser i det perifere nervesystemet eller muskel-skjelettsystemet3.
  2. Be forsøkspersonene bruke ermeløse eller kortermede klær, og fjerne klokker, armbånd, ringer osv.
  3. Advar hvert motiv om ikke å berøre girskifthendelen på håndtraktoren under drift. Advar hvert emne om å holde seg borte fra motorskiven når håndtraktoren er i gang.
  4. Gi fagene hastighetsreguleringstrening på håndtraktoren. Informer hvert emne om å slå av motoren på slutten av eksperimentet ved å trykke ned på motorbryterknappen.
    MERK: Generelt styres motorhastighetsreguleringen av gassbryteren på høyre håndtak, og forsøkspersonene er opplært til å regulere motorhastigheten ved å dreie gassbryteren mot venstre (hastighetsreduksjon) eller til høyre (hastighetsøkning) med høyre hender.
  5. Instruer hvert emne hvordan du bruker håndtraktoren og hvordan du regulerer motorhastigheten fra 1500 rpm til 3500 rpm.
  6. Mål hvert motivs kroppsdimensjoner (stående høyde, masse, underarmslengde, overarmslengde, håndlengde).
    MERK: Tabell 2 oppsummerer de fysiske egenskapene til ti friske forsøkspersoner i dette eksperimentet.
  7. Vikle akselerometeradapterne tett på hånden og armen til hvert motiv på stedene som er angitt i figur 2.
    MERK: Hver adapter ble fremstilt med en nylonstropp og et stykke galvanisert jernplate (0,3 mm) for å gi et stivt og lett feste.

3. Oppsett av målesystem

  1. Oppsett av system for akselerasjonsmåling
    MERK: De nåværende trinnene tar sikte på å samle vibrasjonsakselerasjonssignalene fra håndtaket på håndtraktoren og seks steder i operatørens håndvåpensystem. Den foreslåtte tilnærmingen bruker et kompakt DAQ-system (Data Acquisition) som består av syv akselerometere, tre datainnsamlingskort, et DAQ-chassis, en bærbar datamaskin og noen tilknyttede kablere (figur 3). Andre typer DAQ-systemer med riktige egenskaper for den involverte applikasjonen kan brukes på samme måte.
    1. Før du starter en måling, må du samle alle komponentene i målesystemet (akselerometere, datainnsamlingssystem, sensorsystem for tynnfilmtrykk, turteller, digitalt goniometer og andre relevante komponenter).
    2. For å sette opp akselerasjonsmålingssystemet, koble akselerometeret med datainnsamlingskortene ved hjelp av akselerometerkablene. Bruk en Ethernet-kabel til å koble kabinettet til datamaskinen.
      MERK: To triaksiale akselerometere og fem enaksede akselerometere festet med magnetisk monteringsbase ble brukt i dette eksperimentet.
    3. Fest det ene triaksiale akselerometeret på venstre håndtak på håndtraktoren og fest det andre på akselerometeradapteren på motivets hånd. Fest enaksede akselerometere, en etter en, på akselerometeradapterne til motivets arm og skulder.
      MERK: Plasseringen av akselerometerne er som vist i figur 1. Plasseringsvalget til triaksialakselerometeret på venstre håndtak på håndtraktoren skal være så nær operatørens venstre hånd som mulig.
    4. Juster retningen på de triaksiale akselerometerne på hånden slik at de samsvarer med det grunnleggende koordinatsystemet (figur 4) for måling av hånd-arm vibrasjon, se ISO 5349-1 standard4. Bruk tape til å feste akselerometerkablene på hudoverflaten på motivets arm og traktorens styre.
  2. Oppsett for måling av gripekraft
    MERK: Et tynnfilmtrykksensorsystem15,16 ble designet med to resistive trykkfølsomme sensorer, en enkeltbrikkekontroller og en LED-skjerm, og ble kalibrert før måling, som vist i figur 5.
    1. Fest to tynnfilmsensorer symmetrisk på motsatte sider rundt sentralaksen på håndtaket ved hjelp av dobbeltsidig tape.
    2. Plasser skjermen på sensorsystemet i en praktisk høyde slik at motivet kan overvåke og justere gripekraften til det angitte nivået under driften av håndtraktoren.
  3. Oppsett for måling av motorhastighet
    MERK: Motorhastighet refererer til omdreininger per minutt (RPM) på propellen til den brukte håndtraktormotoren, som tilsvarer turtallet til motorskiven. Et lasertachometer ble brukt til å kalibrere og overvåke motorhastigheten under drift.
    1. Fest et stykke retroreflektiv tape (ca. 10 × 10 mm) til motorskiveoverflaten for måling av lasertachometer.
    2. Plasser takometeret i riktig høyde og vinkelrett på retroreflective tape.
  4. Måling av holdning
    1. Be motivet holde og heve håndtaket i horisontal stilling. Mål motivets hånd- og armstilling ved hjelp av et digitalt goniometer.
      MERK: De fem vinklene17 som brukes til å beskrive hånd- og armstillingen under bruk av håndtraktoren, er vist i figur 6. Fagenes holdningsvinkler målt i dette eksperimentet er presentert i tabell 2.
    2. Be emnet om å opprettholde stillingen til slutten av rettssaken.

4. Eksperiment og datainnsamling

  1. Start håndtraktoren i nøytral og hold den i gang med lav motorhastighet (rundt 1500 o/min) i ca. 30 s til den stabiliserte seg.
  2. Slå på turtelleren, den tynne filmtrykksensoren, den bærbare datamaskinen og akselerasjonsdatainnsamlingssystemet.
  3. Åpne DAQ-programvaren og opprett en ny fil for hvert emne. Angi parameterne for akselerasjon, innsamlingsmodus og samplingsfrekvens for datainnsamling.
    MERK: For å oppnå nøyaktig karakterisering av HTV, bør samplingsfrekvensen ikke være mindre enn 1500 Hz. I denne studien ble samplingsfrekvensen satt til 1650 Hz. Hvis en høyere samplingsfrekvens ble brukt til datainnsamling, ble et lavpassfilter med en avskjæringsfrekvens på 1500 Hz anbefalt å fjerne støypåvirkningene som de irrelevante høyfrekvente bidragene.
  4. Klikk på Kjør og vent i ca. 10 s til systemet er stabilisert. Klikk deretter Record for å begynne å registrere akselerasjonsdataene.
  5. Justering av motorens hastighet og gripekraft
    MERK: Som vist i figur 7ble dette eksperimentet utført med tre nivåer av motorhastighet (1500, 2500 og 3500 o/min) og tre nivåer av gripekraft (20, 30 og 40 N) under hver studie. Den omtrentlige varigheten av hvert HTV-testing er 6 min.
    1. Be motivet om å overvåke turtelleren og juster motorhastigheten til 1500 o/min til den stabiliserte seg.
    2. Be motivet justere gripekraften nøye til 20 N ved å se på de viste kraftsignalene fra det tynne filmtrykksensorsystemet, og hold dette gripekraftnivået i ca. 30 s.
      MERK: Justeringen av gripekraften angir økningen eller reduksjonen av trykket mellom hånden og håndtaket på håndtraktoren. Motivene bør utføre justeringen av gripekraften ved å holde styret tettere eller lettere.
    3. Juster gripekraften til 30 N og hold ca. 30 s. Juster deretter gripekraften til 40 N og hold ca. 30 s.
    4. Juster motorhastigheten til 2500 o/min og gjenta trinn 4.5.2 og 4.5.3.
    5. Juster motorhastigheten til 3500 o/min og gjenta trinn 4.5.2 og 4.5.3.
  6. Be motivet om å vri gassbryteren til laveste motorhastighet. Sett ned håndtaket og slå av motoren på håndtraktoren.
  7. Lagre dataene og slå av DAQ-systemet. Fjern og plasser akselerometerne på neste emne.
  8. Gjenta trinn 4.3 til 4.7 til slutten av datainnsamlingen for alle emner.
  9. Eksporter tidsseriedataene for akselerasjon for videre analyse.

5. Databehandling og analyse

  1. Importer registrerte vibrasjonstidsdomenesignaler til MATLAB-programvare. Beregn verdiene for rot-middel-kvadratet (RMS) for vibrasjonsakselerasjonen til håndtraktorens håndtak, som representerer vibrasjonseksponeringen under driften av håndtraktoren, med ligningen (1):
    Equation 1 (1)
    der enRMS er RMS for vibrasjonsakselerasjon (m/s2) beregnet for hvert 1/3. oktavbånd, a(t) er den målte vibrasjonsakselerasjonsamplituden (m/s2), og T er varigheten av den målte vibrasjonsakselerasjonen(e).
    MERK: I ISO 5349-1-standarden er det viktig å bruke RMS-akselerasjon for å representere størrelsen på vibrasjoner som overføres til operatørens hender.
  2. Beregn RMS-verdiene for vibrasjonsakselerasjon på hånden, håndleddet, armen og skulderen til hvert motiv ved hjelp av ligning (1). Beregn vibrasjonsoverførbarheten (TR) ved hjelp avligning(2) 1,14:
    Equation 2 (2)
    hvor, enin er håndtaksvibrasjonen for HTV, og enut er den respektive vibrasjonen på de seks stedene i motivets håndarmsystem (se figur 2).
    MERK: I henhold til ISO 5349-1 kan faktorene (unntatt gripekraft og vibrasjonsfrekvens) påvirke resultatene av håndoverført vibrasjonsmåling inkluderer: operatørens dyktighet, kroppsstilling, klimatiske forhold, støy, etc. For å redusere disse tilfeldige faktorene ble TR-verdiene for alle målestedene til de ti fagene i denne studien gjennomsnittet.
  3. Konverter tidsdomenesignalene til håndtaket til frekvensdomenesignaler ved hjelp av den raske Fourier transform (FFT)-algoritmen ved hjelp av MATLAB-programmet for å undersøke inngangsvibrasjonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Eksperimentet ble utført i laboratoriet (lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) på ti friske personer (tabell 2) under drift av en håndtraktor i stasjonær tilstand.

Etter protokollen ble vibrasjonsakselerasjonsdata samlet inn fra håndtaket på håndtraktoren, samt baksiden av hånden, håndleddet, armen og skulderen til hvert emne. Spekteret av vibrasjonsakselerasjonen som forekommer ved håndtaket (inngang til hånden) ble oppnådd. Figur 8 viser eksempler på tidsdomenet og RMS-frekvensdomeneakselerasjoner på håndtaket ved motorhastighetsnivået på 3500 o/min i en gitt tidsperiode. Det er tydelig at vibrasjonsakselerasjonen var den høyeste langs Y-aksenog den laveste langs X-aksen. Maksimal akselerasjon av X- og Z-retningene skjedde med en frekvens på 58 Hz (som er arbeidsfrekvensen til motoren som tilsvarer rotasjonshastigheten på 3500 rpm). Mesteparten av vibrasjonsenergien ble funnet å være sentralisert i frekvensområdet fra 50 til 200 Hz. Med samme analytiske prosess kan egenskapene til både tidsdomenet og frekvensdomenesignalene oppnås, for eksempel vibrasjonsamplitude, topp, dominerende frekvens, etc.

Påvirkningen av gripekraften og motorhastigheten på vibrasjonsresponsen til håndarmsystemet ble også undersøkt. Som vist i figur 9, ble det observert at økningen i gripekraften økte vibrasjonsakselerasjonen spesielt ved frekvenser mellom 20 og 100 Hz, og tre resonansfrekvenser (20, 40 og 80 Hz) ble funnet å øke nesten lineært med økningen av gripekraften. Dette tilskrives økningen av kontaktstivhet og leddstivhet18,19. Disse funnene indikerer at de presenterte måle- og justeringsmetodene for gripekraften effektivt kan brukes på HTV-måling.

Som vist i figur 10undersøkte dette eksperimentet effekten av inngangsfrekvensen på HTV via motorhastighetsjustering på tre nivåer (1500, 2500 og 3500 o/min). På baksiden av hånden (figur 10A) ble det oppnådd en høyere akselerasjonsverdi ved 3500 o/min sammenlignet med lavere motorhastigheter. I motsetning til øvre arm og skulder (Figur 10D, Eog F) oppstod toppakselerasjonen ved 1500 o/min. Gjennom den omfattende sammenligningen av både lokasjoner og spennende frekvenser, er det rimelig å konkludere med at lavere frekvenser ble overført relativt uoppmerksomt i håndarmsystemet, mens demping var ganske merket for høyere frekvenser. Dermed ble det meste av vibrasjonsenergien spredt i hånden og underarmen.

Figur 11 viser gjennomsnittlig transmissibility på baksiden av hånden, underarmen, overarmen og skulderen fra de ti motivene som er med motorhastighet på 2500 rpm og gripekraft på 30 N. Det ble funnet at overførbarheten til de forskjellige delene av håndarmsystemet ble redusert med økningen av avstanden fra vibrasjonskilden. Den høyeste transmissibiliteten ble observert på baksiden av hånden (posisjon 1), med en toppverdi på 5,1 ved rundt 80 Hz. Forsterkning av vibrasjon kan skyldes resonans av huden på metakarpal20,21. I samsvar med funnene i tidligere studier22,23, var resonansfrekvensen til håndleddet (sted 2) og albuen (sted 4) transmissibility rundt 20 Hz, med en størrelsesorden på ca. 3,0. I tillegg var skulder (sted 6) transmissibility peak 1.1 på rundt 10 Hz. Det ble også funnet at bare vibrasjoner på mindre enn 25 Hz effektivt ble overført til underarmen, overarmen og skulderen. Med ligning (2) i pkt. 5.2 og etter den analytiske prosessen med overførbarheten, er det mulig å undersøke påvirkningen på transmissibility med ulike spennende frekvenser og skiftende grepskraft, og et rimelig forslag om å betjene håndtraktor for bønder kan gjøres.

Motormodell og -type JUWEI FC 170, bensin, enkeltsylinder, firetakts, OHV, tvungen luftkjølt
Feide volum, cc 208
Nominell effekt, kW 4,0 kW ved 3600 o/min
Maksimalt dreiemoment, Nm/rpm 12/2500
Antall hastigheter 2 forover, 1 revers
Start-modus Start på nytt (trekkstart)
Tørrvekt av motor, kg 19
Vekt på håndtraktor med full drivstofftank, radiator og smøreoljer, kg 72
Dekktype Gummi hjul
Dekkstørrelse (pneumatisk), mm 155×330 (350-6)

Tabell 1. Spesifikasjoner for håndtraktoren.

Dimensjoner og stillinger minimum maksimum bety Sd
Alder, år 18 37 22.6 5.6
Vekt, kg 50 72 62.6 7.3
Statur, cm 164 179 172.1 4.7
Håndlengde under armene, cm 22.1 26.8 25.2 1.3
Lengde på overarmen, cm 26.8 34 31.1 2.1
Håndlengde, cm 15.2 21 17.1 1.6
Skulder horisontal bortføring (α), grader 22.6 31.5 27.1 3.2
Skulder vertikal bortføring (β) , grader 16.5 24.2 20.7 2.6
Vinkelforlengelse (γ) , grader 134.1 169.3 150.1 10.9
Håndleddsforlengelse (θ) , grader 160.5 174.8 169 5.5
Avvik fra håndleddet (ω) , grader 139.2 159.5 148.1 5.6

Tabell 2. Subjekt fysiske egenskaper.

Figure 1
Figur 1. Den eksperimentelle protokollen og datainnsamlingsoppsettet. Dette eksemplet viser en enkelt prøveversjon (fra høyre til venstre) for måling av et emnes kroppsdimensjoner, bruk av 6 akselerometeradaptere, operasjonsstillingen til håndtraktoren og datainnsamlingen som er satt opp for akselerasjon, gripekraft og motorhastighet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2. Plasseringen av akselerometeradapterne. 6 akselerometeradaptere ble pakket inn på baksiden av hånden, distal ende av underarmen, proksimal ende av underarmen, distal ende av overarmen, proksimal ende av overarmen og acromion langs håndarmsystemet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3. Instrumentering av vibrasjonsmåling. Komponentene i målesystemet, inkludert akselerometere, datainnsamlingssystem, sensorsystem for tynnfilmtrykk, et turteller, et digitalt goniometer og andre relevante komponenter (datamaskin, akselerometeradaptere, kablere, målebånd, termometer). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4. Det grunnleggende koordinatsystemet for hånd-arm vibrasjonsmåling. X-aksener definert parallelt med grepets langsgående akse. Y-aksener rettet langs den tredje metakarpusbenet i hånden. Z-aksener vinkelrett på håndflateoverflateområdet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5. Det tynnfilmtrykkssensorsystemet. Dette systemet består av to tynnfilmsensorer, en enkeltbrikkekontroller og en LED-skjerm for å vise sanntids gripekraften. Testdataene kan også eksporteres til en datamaskin ved hjelp av den serielle kommunikasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6. De fem vinklene som brukes til å beskrive hånd- og armstillingen. α beskriver skulderen horisontal bortføring, β beskriver skulderen vertikal bortføring, γ identifiserer albue forlengelse, θ karakteriserer håndleddet forlengelse, og ω identifiserer håndleddet avvik. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7. Justering av motorens hastighet og gripekraft under eksperimentet. De blå stolpene representerer forskjellige gripekrefter på 20, 30 og 40 N. De røde linjene indikerer justering av motorhastigheten fra 1500, 2500 til 3500 rpm. Derfor er det 9 testtilfeller fra 1500 rpm, 20 N til 3500 rpm, 40 N. Varigheten av hvert testtilfelle er ca. 30 s. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8. Eksempler på tidsdomenebølgen og amplitudespektraet til akselerasjonene på håndtaket med motorhastigheten på 3500 rpm. (A) Tidsdomenebølgen og (B) amplitudespektra i X-retningen; (C) tidsdomenebølgen og (D) amplitudespektra i Y-retningen; (E) tidsdomenebølgen og (F) amplitudespektraet i Z-retningen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9. Gjennomsnittlig sammenheng mellom gripekraften og RMS vibrasjonsakselerasjon målt på seks steder i håndarmsystemet til ti personer: (A) baksiden av hånden; (B) distal ende av underarmen; (C) proksimal ende av underarmen; (D) distal ende av overarmen; (E) proksimal ende av overarmen; (F) akrom. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10. Gjennomsnittlig sammenheng mellom motorens hastighet (frekvens) og RMS vibrasjonsakselerasjon målt på seks steder i håndarmsystemet til ti personer: (A) baksiden av hånden; (B) distal ende av underarmen; (C) proksimal ende av underarmen; (D) distal ende av overarmen; (E) proksimal ende av overarmen; (F) akrom. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11. Vibrasjonsoverførbarhet på 1/3rd oktavbåndet på forskjellige steder i håndarmsystemet med motorhastigheten på 2500 rpm og gripekraft på 30 N. De 6 kurvene representerer TR-verdiene fra baksiden av hånden (posisjon 1) til akrom (posisjon 6) som vist i forklaringen. Den stiplede linjen er en skillelinje med vibrasjonsforsterkning (over denne linjen) og vibrasjonsdemping (under denne linjen). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen som presenteres i denne studien ble etablert basert på HTV-standarder4,5,24, og ble utviklet som standardtrinn for måling av HTV i det menneskelige håndvåpensystemet under drift av en håndtraktor i stasjonær tilstand. Denne tilstanden er den mest stabile tilstanden til håndtraktoren for å sikre pålitelig måling av vibrasjonen som faktisk overføres til hånden og armen. Utvalget av variabler som vurderes for å utføre testen, via justering av motorens hastighet og gripekraft, dekker det normale og sikre driftsområdet til håndtraktoren. Tatt i betraktning kompleksiteten til håndvåpensystemet, ble de eksperimentelle resultatene fra denne protokollen funnet å være enige godt med data rapportert i artikler om egenskapene til vibrasjonskilder25, vibrasjonstransmissibility1,26, og de viktigste faktorene8,27 som påvirker responsen til håndvåpensystemet under drift av håndtraktorer.

Resultatene er avhengige av noen kritiske komponenter i dette oppsettet i protokollen. For det første, fordi vekten av akselerometeret påvirker størrelsen på vibrasjonen i håndarmsystemet20, bør den totale vekten av akselerometeret og adapteren være så lett som mulig for å redusere målefeil. For det andre bør hver akselerometeradapter være tett festet på håndarmsystemet for å forhindre relativ bevegelse mellom målepunktet og akselerometeret. For det tredje bør testforsøket av hvert emne fullføres uten avbrudd for å redusere effekten av driftsstillingen.

Hovedbegrensningen i denne studien er at vibrasjonstransmissibiliteten til håndarmsystemet bare ble målt og analysert i Z-akseretningen (figur 4) på grunn av bruk av enaksede akselerometere på steder av arm og skulder. Selv om fleksible og tynnfilmsensorer ble brukt til å måle gripekraft under testen, forventes ytterligere måleinnsats langs skjærretningen å gi betydelig innsikt i karakterisering og vurdering av HTV, noe som representerer en annen begrensning i den nåværende studien. I tillegg påvirker de iboende faktorene til operatører, for eksempel kroppsstørrelse, kroppsstilling og hånd- og armstørrelse, HTV. Som et påfølgende trinn vil det bli samlet inn mer data for å undersøke disse faktorene ved hjelp av den presenterte protokollen.

Denne protokollen vil være nyttig for forståelsen av vibrasjonsoverføringsegenskapene til håndtraktor-håndarmsystemet. De viktigste potensielle anvendelsene av den foreslåtte metodikken er estimering av mennesketraktorinteraksjonsfenomer, ergonomiutviklingen av håndtraktorer og utvikling av beskyttelsesanordninger som isolatorer og hansker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Natural Science Foundation of Chongqing, Kina (cstc2019jcyj-msxmX0046), prosjektet til Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127), og prosjektet til Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, Kina (2020TJZ010). Forfatterne vil takke prof. Yan Yang for å ha levert teststedet. Vi er også takknemlige til Dr. Jingshu Wang og Dr. Jinghua Ma for deres veiledning om å bruke vibrasjonsmålingsinstrumentering. Takk skyldes også fagene for deres helhjertede samarbeid under forsøkene.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Pope, M. H., Magnusson, M., Hansson, T. The upper extremity attenuates intermediate frequency vibrations. Journal of Biomechanics. 30 (2), 103-108 (1997).
  24. International Organization for Standardization. ISO 8041-1: Human response to vibration-Measuring instrumentation. International Organization for Standardization. , (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).

Tags

Engineering Utgave 172 Håndoverført vibrasjon håndtraktor håndarmsystem vibrasjonsoverførbarhet 1/3.
Måling av håndsendert vibrasjon av det menneskelige håndarmsystemet under drift av en håndtraktor
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., … More

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., Huang, X., Song, K., Chen, C., Ding, J. Measurement of the Hand Transmitted Vibration of the Human Hand Arm System During Operation of a Hand Tractor. J. Vis. Exp. (172), e62508, doi:10.3791/62508 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter