Summary
Aquí, presentamos un método estandarizado para la medición de la vibración transmitida por la mano de las asas de un tractor de un solo eje con especial referencia a los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.
Abstract
Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración transmitida por la mano (HTV). Esta vibración, que puede ser molesta y peligrosa para la salud humana, se transmite al operador a través de sus manos y brazos. Sin embargo, todavía no se ha definido un método normalizado para medir el HTV de los tractores de mano. El objetivo del estudio fue presentar un método experimental para la investigación de la respuesta biodinámica y la transmisibilidad de las vibraciones del sistema mano-brazo durante el funcionamiento de un tractor de mano en modo estacionario. Las mediciones se realizaron con diez sujetos utilizando tres fuerzas de agarre y tres niveles de vibración de mango para examinar las influencias de la presión de la mano y la frecuencia en la vibración transmitida por la mano (HTV). Los resultados indican que la estanqueidad del agarre en el mango influye en la respuesta de vibración del sistema mano-brazo, especialmente a frecuencias entre 20 y 100 Hz. La transmisión de frecuencias más bajas en el sistema mano-brazo fue relativamente desatendida. En comparación, se encontró que la atenuación era bastante marcada para frecuencias más altas durante el funcionamiento del tractor manual. La transmisibilidad de la vibración a diversas partes del sistema mano-brazo disminuyó con el aumento de la distancia de la fuente de la vibración. La metodología propuesta contribuye a la recopilación de datos coherentes para la evaluación de la exposición al comportamiento de las vibraciones del operador y el desarrollo ergonómico de los tractores de mano.
Introduction
Los tractores de mano, también conocidos como labradores de energía, son ampliamente utilizados en los países en desarrollo para la preparación de la tierra de pequeños campos. La operación de campo de un tractor de mano implica caminar detrás de la máquina y sostener sus asas para controlar su movimiento. Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración, que podrían atribuirse al pequeño motor monocilíndrico y a la falta de sistema de suspensión de los tractores de mano1. El síndrome de vibración mano-brazo (HAVS)2 puede ser causado por la resistencia de largo período de la vibración, llamada vibración transmitida por la mano (HTV), que se genera por el tractor de mano y se recibe por las manos del operador. Para evaluar los riesgos para la salud derivados de la exposición de los operadores al HTV de los tractores de mano, es necesario establecer un método para la medición de la respuesta a las vibraciones del sistema mano-brazo.
El sistema mano-brazo se compone de huesos, músculos, tejidos, venas y arterias, tendones y piel3,y la medición directa de HTV plantea muchos problemas. Las normas internacionales pertinentes4,5 proporcionan directrices relativas a la medición de la gravedad de la vibración generada en las inmediaciones de la mano, incluido el sistema de coordenadas de la mano, la ubicación y el montaje de los acelerómetros, la duración de la medición, los problemas del conector del cable, etc. Sin embargo, las normas no tienen en cuenta variables intrínsecas, como la fuerza de agarre, la postura de la mano y el brazo, factores individuales, etc. Estos factores han sido examinados exhaustivamente bajo una amplia gama de excitaciones de vibración y condiciones de prueba6,7,8,9,10,11,12,13,pero los resultados de diferentes investigadores no están de acuerdo. Muchos de estos factores no se han entendido suficientemente para ser incorporados en los métodos estándar. Esta restricción es parcialmente atribuible a las complejidades del sistema mano-brazo humano, las condiciones de prueba y las diferencias en las técnicas experimentales y de medición empleadas.
Además, la mayoría de las mediciones anteriores de HTV se realizaron en condiciones cuidadosamente controladas con excitaciones de vibración idealizadas, fuerza de agarre y condiciones posturales. Los hallazgos y los procedimientos experimentales de estas mediciones, por lo tanto, pueden no replicar realmente las condiciones del mundo real, como las condiciones de funcionamiento de los tractores de mano. Además, sólo se han realizado esfuerzos limitados para estudiar el HTV de los tractores de mano con mediciones de campo. Estas mediciones se realizaron utilizando acelerómetros unidos a la muñeca, el brazo, el pecho y la cabeza del operador para medir la vibración de todo el cuerpo en las condiciones de transporte del tractor1,o en las condiciones de labranza en un campo a labado y charco en un campo sumergido con diferentes niveles de velocidades del motor14. El efecto de la fuerza de agarre, que podría ser un factor crucial de HTV7,8,no se aisló. Por lo tanto, estos métodos no son adecuados como procedimientos de medición estandarizados debido a las diversas posturas forzadas del operador durante la agricultura atribuidas a las duras condiciones ambientales.
La presente investigación se llevó a cabo para contribuir al establecimiento de procedimientos fiables y repetibles para la medición de HTV de tractores de mano en modo estacionario. La Figura 1 presenta el diagrama esquemático del diseño experimental. Se empleó un tractor de mano fabricado en China y comúnmente utilizado por los agricultores chinos, y diez investigadores fueron elegidos como sujetos para el estudio. Para medir la vibración se utilizaron siete acelerómetros piezoeléctricos ligeros acoplados al sistema tractor-mano-brazo. Un tacómetro y dos sensores de presión de película delgada monitorearon la velocidad del motor y la fuerza de agarre durante las pruebas. Los sujetos debían operar secuencialmente el tractor de mano a velocidades de motor especificadas y con fuerzas de agarre especificadas para obtener las características de vibración en varios modos de funcionamiento. Este manuscrito proporciona un protocolo detallado para la medición de HTV del sistema tractor-mano-brazo con una consideración única de los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.
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Protocol
Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Ética de la Universidad Tecnológica de Chongqing y cada sujeto proporcionó su consentimiento informado por escrito antes de la participación en este estudio.
1. Preparación del tractor de mano
- Asegúrese de que el tractor de mano esté sujeto a condiciones de prueba adecuadas con un tanque de combustible lleno, sin holgura de los pernos y sin otros defectos mecánicos que resultarían en vibraciones anormales.
NOTA: Las especificaciones del tractor de mano utilizado en este experimento figuran en el Cuadro 1. - Coloque el tractor de mano en un sitio de prueba con una superficie de suelo seca, firme y nivelada.
NOTA: Si este experimento se llevó a cabo en un laboratorio interior, el laboratorio debe estar bien ventilado para evitar cualquier efecto perjudicial de los gases de escape del tractor de mano. - Retire la cubierta de polvo de la polea del motor para calibrar convenientemente la velocidad del motor con un velocímetro durante el experimento.
- Retirar los materiales elastoméricos de las asas según la norma ISO 5349-25.
2. Preparación de la materia
- Asegúrese de que todos los sujetos estén sanos sin dolencia física y estén por encima de la edad de 18 años3. Informar a cada sujeto sobre los objetivos del estudio y los procedimientos de prueba. Obtener el consentimiento informado por escrito de todos los sujetos.
- Excluir sujetos con las siguientes enfermedades: enfermedad de Raynaud primaria o fenómeno de Raynaud secundario, deterioro de la circulación sanguínea en las manos, deformidad de huesos y articulaciones, trastornos del sistema nervioso periférico o del sistema musculoesquelético3.
- Pida a los sujetos que usen ropa sin mangas o de manga corta, y que se quiten los relojes, pulseras, anillos, etc.
- Advierta a cada sujeto que no toque la palanca de cambios del tractor de mano durante el funcionamiento. Advierta a cada sujeto que se mantenga alejado de la polea del motor cuando el tractor de mano esté en marcha.
- Proporcione a temas el entrenamiento de la regulación de la velocidad en el tractor de la mano. Informe a cada sujeto para que apague el motor al final del experimento presionando el botón del interruptor del motor.
NOTA: Generalmente, la regulación de la velocidad del motor es controlada por el interruptor del acelerador situado en la manija derecha, y los sujetos están entrenados para regular la velocidad del motor girando el interruptor del acelerador a la izquierda (disminución de la velocidad) o a la derecha (aumento de velocidad) con sus manos derechas. - Instruya a cada sujeto cómo operar el tractor de mano y cómo regular la velocidad del motor de 1500 rpm a 3500 rpm.
- Mida las dimensiones del cuerpo de cada sujeto (altura de pie, masa, longitud del antebrazo, longitud superior del brazo, longitud de la mano).
NOTA: La Tabla 2 resume las características físicas de diez sujetos sanos en este experimento. - Envuelva los adaptadores del acelerómetro firmemente en la mano y el brazo de cada sujeto en las ubicaciones indicadas en la Figura 2.
NOTA: Cada adaptador fue fabricado usando una correa de nylon y una pieza de la lámina de hierro galvanizado (0,3 mm) para proporcionar una fijación rígida y ligera.
3. Configuración del sistema de medición
- Configuración del sistema de medición de aceleración
NOTA: Los pasos actuales tienen como objetivo recoger las señales de aceleración de vibración de la manija del tractor de mano y seis ubicaciones del sistema de mano-brazo del operador. El enfoque propuesto emplea un sistema compacto de adquisición de datos (DAQ) compuesto por siete acelerómetros, tres tarjetas de adquisición de datos, un chasis DAQ, una computadora portátil y algunos cables asociados (Figura 3). Otros tipos de sistemas DAQ con características adecuadas para la aplicación involucrada se pueden aplicar de manera similar.- Antes de iniciar una medición, reúna todos los componentes del sistema de medición (acelerómetros, sistema de adquisición de datos, sistema de detección de presión de película delgada, tacómetro, goniómetro digital y otros componentes relevantes).
- Para configurar el sistema de medición de aceleración, conecte el acelerómetro con las tarjetas de adquisición de datos utilizando los cables del acelerómetro. Con un cable Ethernet, conecte el chasis con el ordenador.
NOTA: En este experimento se utilizaron dos acelerómetros triaxiales y cinco acelerómetros de un solo eje fijos con base de montaje magnético. - Acople un acelerómetro triaxial en el mango izquierdo del tractor de mano y conecte el otro en el adaptador del acelerómetro de la mano del sujeto. Coloque acelerómetros de un solo eje, uno por uno, en los adaptadores del acelerómetro del brazo y el hombro del sujeto.
NOTA: Las ubicaciones de los acelerómetros son las que se muestran en la Figura 1. La selección de ubicación del acelerómetro triaxial en el mango izquierdo del tractor de mano debe estar lo más cerca posible de la mano izquierda del operador. - Ajuste la orientación de los acelerómetros triaxiales en la mano para que sean consistentes con el sistema de coordenadas básicas(Figura 4)para la medición de la vibración mano-brazo, consulte la norma ISO 5349-14. Con cinta adhesiva, asegure los cables del acelerómetro en la superficie de la piel del brazo del sujeto y el manillar del tractor.
- Configuración de medición de la fuerza de agarre
NOTA: Un sistema de detección de presión de película delgada15,16 fue diseñado con dos sensores sensibles a la presión resistiva, un controlador de un solo chip y una pantalla LED, y fue calibrado antes de la medición, como se muestra en la Figura 5.- Conecte dos sensores de película delgada simétricamente en lados opuestos alrededor del eje central del mango utilizando cinta adhesiva de doble cara.
- Coloque la pantalla del sistema de detección a una altura conveniente para que el sujeto pueda monitorear y ajustar la fuerza de agarre al nivel especificado durante el funcionamiento del tractor de mano.
- Configuración de medición de la velocidad del motor
NOTA: La velocidad del motor se refiere a las revoluciones por minuto (RPM) de la hélice del motor del tractor de mano empleado, que equivale a las RPM de la polea del motor. Se utilizó un tacómetro láser para calibrar y monitorear la velocidad del motor durante el funcionamiento.- Coloque un trozo de cinta retrorreflectante (aproximadamente 10 × 10 mm) a la superficie de la polea del motor para la medición del tacómetro láser.
- Coloque el tacómetro a una altura adecuada y perpendicular a la cinta retrorreflectante.
- Medición de la postura
- Indique al sujeto que sostenga y eleve el mango a una posición horizontal. Mida la postura de la mano y el brazo del sujeto usando un goniómetro digital.
NOTA: Los cinco ángulos17 utilizados para describir la postura de la mano y el brazo durante el funcionamiento del tractor de mano se muestran en la Figura 6. Los ángulos de postura de los sujetos medidos en este experimento se presentan en la Tabla 2. - Pídale al sujeto que mantenga la postura hasta el final del juicio.
- Indique al sujeto que sostenga y eleve el mango a una posición horizontal. Mida la postura de la mano y el brazo del sujeto usando un goniómetro digital.
4. Experimento y adquisición de datos
- Arranque el tractor de mano en punto muerto y manténgalo funcionando a una velocidad baja del motor (alrededor de 1500 rpm) durante unos 30 s hasta que se estabilice.
- Encienda el tacómetro, el dispositivo de detección de presión de película delgada, la computadora portátil y el sistema de adquisición de datos de aceleración, respectivamente.
- Abra el software DAQ y cree un nuevo archivo para cada asunto. Establezca los parámetros de aceleración, modo de adquisición y velocidad de muestreo para la recopilación de datos.
NOTA: Para obtener la caracterización precisa del HTV, la velocidad de muestreo no debe ser inferior a 1500 Hz. En este estudio, la velocidad de muestreo se fijó en 1650 Hz. Si se utilizaba una velocidad de muestreo más alta para la recopilación de datos, se aconsejaba un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte a 1500 Hz para eliminar las influencias de ruido, como las contribuciones irrelevantes de alta frecuencia. - Haga clic en Ejecutar y espere unos 10 s hasta que el sistema se estabilice. A continuación, haga clic en Grabar para comenzar a grabar los datos de aceleración.
- Ajuste de la velocidad del motor y la fuerza de agarre
NOTA: Como se muestra en la Figura 7,este experimento se llevó a cabo a tres niveles de velocidad del motor (1500, 2500 y 3500 rpm) y tres niveles de fuerza de agarre (20, 30 y 40 N) durante cada ensayo. La duración aproximada de la prueba de HTV de cada sujeto es de 6 min.- Pida al sujeto que monitoree el tacómetro y ajuste la velocidad del motor a 1500 rpm hasta que se estabilice.
- Indique al sujeto que ajuste la fuerza de agarre cuidadosamente a 20 N mirando las señales de fuerza mostradas desde el sistema de detección de presión de película delgada, y mantenga este nivel de fuerza de agarre durante aproximadamente 30 s.
NOTA: El ajuste de la fuerza de agarre denota el aumento o disminución de la presión entre la mano y el manillar del tractor de mano. Los sujetos deben realizar el ajuste de la fuerza de agarre a través de la sujeción del manillar más firme o ligeramente. - Ajuste la fuerza de agarre a 30 N y mantenga unos 30 s. Luego, ajuste la fuerza de agarre a 40 N y mantenga aproximadamente 30 s.
- Ajuste la velocidad del motor a 2500 rpm y repita los pasos 4.5.2 y 4.5.3.
- Ajuste la velocidad del motor a 3500 rpm y repita los pasos 4.5.2 y 4.5.3.
- Pídale al sujeto que gire el interruptor del acelerador a la velocidad más baja del motor. Coloque el mango y apague el motor del tractor de mano.
- Guarde los datos y apague el sistema DAQ. Retire y coloque los acelerómetros en el siguiente sujeto.
- Repita los pasos 4.3 a 4.7 hasta el final de las recopilaciones de datos de todos los sujetos.
- Exporte los datos de series temporales de aceleración para su posterior análisis.
5. Tratamiento y análisis de datos
- Importe las señales de dominio de tiempo de vibración grabadas al software MATLAB. Calcule los valores de raíz-media-cuadrada (RMS) de la aceleración de la vibración del mango del tractor de mano, que representan la exposición a la vibración durante el funcionamiento del tractor de mano, con la ecuación (1):
(1)
donde, unRMS es el RMS de la aceleración de vibración (m/s2) calculado para cada banda de 1/3ª octava, a(t) es la amplitud de aceleración de vibración medida (m/s2), y T es la duración de la aceleración de vibración medida (s).
NOTA: En la norma ISO 5349-1, es importante utilizar la aceleración RMS para representar la magnitud de las vibraciones transmitidas a las manos del operador. - Calcule los valores RMS de aceleración de vibración en la mano, la muñeca, el brazo y el hombro de cada sujeto utilizando la ecuación (1). Calcular la transmisibilidad de la vibración (TR) utilizando la ecuación (2)1,14:
(2)
donde, ain es la vibración del mango para HTV, y aout es la vibración respectiva en las seis ubicaciones del sistema mano-brazo del sujeto (ver Figura 2).
NOTA: De acuerdo con iso 5349-1, los factores (a excepción de la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración) pueden influir en los resultados de la medición de la vibración transmitida por la mano incluyen: la habilidad del operador, postura corporal, condiciones climáticas, ruido, etc. Para disminuir estos factores aleatorios, se promediaron los valores de TR de todas las ubicaciones de medición de los diez sujetos en este estudio. - Convierta las señales de dominio de tiempo del mango en señales de dominio de frecuencia mediante el algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT) utilizando el programa MATLAB para examinar la vibración de entrada.
(1)
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Representative Results
El experimento se llevó a cabo en el laboratorio (temperatura del aire 22,0 °C ± 1,5 °C) en diez sujetos sanos(Tabla 2)durante la operación de un tractor manual en estado estacionario.
Siguiendo el protocolo, los datos de la aceleración de la vibración fueron recogidos de la manija del tractor de mano, así como de la parte posterior de la mano, de la muñeca, del brazo, y del hombro de cada tema. Se obtuvo el espectro de la aceleración de la vibración que se produce en el mango (entrada a la mano). La Figura 8 muestra muestras de las aceleraciones del dominio de tiempo y del dominio de frecuencia RMS en el controlador a un nivel de velocidad del motor de 3500 rpm para una duración de tiempo determinada. Es evidente que la aceleración de la vibración fue la más alta a lo largo del eje Yy la más baja a lo largo del eje X. Las aceleraciones máximas de las direcciones X y Z se produjeron a la frecuencia de 58 Hz (que es la frecuencia de trabajo del motor correspondiente a la velocidad de rotación de 3500 rpm). Se encontró que la mayor parte de la energía de vibración estaba centralizada en el rango de frecuencias de 50 a 200 Hz. Con el mismo proceso analítico, se podrían obtener las características tanto de las señales del dominio del tiempo como del dominio de la frecuencia, como la amplitud de la vibración, el pico, la frecuencia dominante, etc.
También se examinaron las influencias de la fuerza de agarre y la velocidad del motor en la respuesta de vibración del sistema mano-brazo. Como se muestra en la Figura 9,se observó que el aumento en la fuerza de agarre aumentó la aceleración de la vibración notablemente a frecuencias entre 20 y 100 Hz, y se encontró que tres frecuencias de resonancia (20, 40 y 80 Hz) aumentaron casi linealmente con el aumento de la fuerza de agarre. Esto se atribuye al aumento de la rigidez de contacto y rigidez articular18,19. Estos hallazgos indican que los métodos de medición y ajuste presentados de la fuerza de agarre podrían aplicarse eficazmente a la medición de HTV.
Como se muestra en la Figura 10,este experimento examinó el efecto de la frecuencia de entrada en HTV a través del ajuste de la velocidad del motor en tres niveles (1500, 2500 y 3500 rpm). En la ubicación del reverso de la mano (Figura 10A), se obtuvo un mayor valor de aceleración a 3500 rpm en comparación con las velocidades más bajas del motor. En contraste, en la parte superior del brazo y el hombro(Figura 10D, Ey F),la aceleración máxima se produjo a 1500 rpm. A través de la comparación exhaustiva de las ubicaciones y las frecuencias excitantes, es razonable concluir que las frecuencias más bajas se transmitieron relativamente desatendidas en el sistema mano-brazo, mientras que la atenuación fue bastante marcada para frecuencias más altas. Por lo tanto, la mayor parte de la energía de vibración se disipó en la mano y el antebrazo.
La Figura 11 presenta la transmisibilidad promediada al reverso de la mano, antebrazo, parte superior del brazo y hombro de los diez sujetos que están con velocidad del motor de 2500 rpm y fuerza de agarre de 30 N. Se encontró que la transmisibilidad a las diferentes partes del sistema mano-brazo disminuyó con el aumento de la distancia desde la fuente de vibración. La mayor transmisibilidad se observó en el doso de la mano (ubicación 1), con un valor de pico de 5,1 a alrededor de 80 Hz. La amplificación de la vibración puede deberse a la resonancia de la piel en el metacarpiano20,21. De acuerdo con los hallazgos de estudios previos22,23,la frecuencia resonante de la transmisibilidad de muñeca (ubicación 2) y codo (ubicación 4) fue de alrededor de 20 Hz, con una magnitud de aproximadamente 3,0. Además, el pico de transmisibilidad del hombro (ubicación 6) fue de 1,1 a alrededor de 10 Hz. También se encontró que sólo las vibraciones de menos de 25 Hz se transmitieron eficazmente al antebrazo, la parte superior del brazo y el hombro. Con la ecuación (2) en la sección 5.2 y siguiendo el proceso analítico de la transmisibilidad, es factible examinar las influencias en la transmisibilidad con diferentes frecuencias excitantes y fuerza de agarre cambiante, y se podría hacer una sugerencia razonable de operar un tractor de mano para los agricultores.
| Modelo y tipo de motor | JUWEI FC 170, gasolina, monocilíndrico, cuatro tiempos, OHV, refrigerado por aire forzado |
| Volumen barrido, cc | 208 |
| Potencia nominal, kW | 4,0 kW a 3600 rpm |
| Par máximo, Nm/rpm | 12/2500 |
| Número de velocidades | 2 hacia adelante, 1 hacia atrás |
| Modo de inicio | Arranque de retroceso (pull start) |
| Peso en seco del motor, kg | 19 |
| Peso del tractor de mano con depósito de combustible lleno, radiador y aceites lubricantes, kg | 72 |
| Tipo de neumático | Rueda de goma |
| Tamaño de los neumáticos(neumáticos), mm | 155×330 (350-6) |
Tabla 1. Especificaciones del tractor de mano.
| Dimensiones y posturas | mínimo | máximo | significar | Sd |
| Edad, años | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Peso, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Estatura, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Longitud de la mano del antebrazo, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Longitud superior del brazo, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Longitud de la mano, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Abducción horizontal del hombro (α), grados | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Abducción vertical del hombro (β) , grados | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Extensión del codo (γ) , grados | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Extensión de la muñeca (θ) , grados | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Desviación de la muñeca (ω) , grados | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Tabla 2. Características físicas del sujeto.
Figura 1. El protocolo experimental y la adquisición de datos establecidos. Este ejemplo representa una sola prueba (de derecha a izquierda) para la medición de las dimensiones del cuerpo de un sujeto, el uso de 6 adaptadores de acelerómetro, la postura de funcionamiento del tractor de mano y la adquisición de datos configurada para la aceleración, la fuerza de agarre y la velocidad del motor. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 2. Las ubicaciones de los adaptadores del acelerómetro. 6 adaptadores del acelerómetro fueron envueltos en las localizaciones de la parte posterior de la mano, del extremo distal del antebrazo, del extremo próximo del antebrazo, del extremo distal del brazo superior, del extremo próximo del brazo superior y del acromion a lo largo del sistema del mano-brazo. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 3. Instrumentación de medición de vibraciones. Los componentes del sistema de medición, incluidos acelerómetros, sistema de adquisición de datos, sistema de detección de presión de película delgada, un tacómetro, un goniómetro digital y otros componentes relevantes (computadora, adaptadores de acelerómetro, cables, cinta métrica, termómetro). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 4. El sistema de coordenadas basicentric para la medición de la vibración mano-brazo. El eje Xse define paralelo al eje longitudinal del agarre. El eje Yse dirige a lo largo del tercer hueso metacarpo de la mano. El eje Zes perpendicular al área de superficie de la palma. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 5. El sistema de detección de presión de película delgada. Este sistema consta de dos sensores de película delgada, un controlador de un solo chip y una pantalla LED para mostrar la fuerza de agarre en tiempo real. Los datos de prueba también se pueden exportar a un ordenador mediante la comunicación en serie. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 6. Los cinco ángulos utilizados para describir la postura de la mano y el brazo. α describe la abducción horizontal del hombro, β describe la abducción vertical del hombro, γ identifica la extensión del codo, θ caracteriza la extensión de la muñeca y ω identifica la desviación de la muñeca. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 7. Ajuste de la velocidad del motor y la fuerza de agarre durante el experimento. Las barras azules representan diferentes fuerzas de agarre de 20, 30 y 40 N. Las líneas rojas indican el ajuste de la velocidad del motor de 1500, 2500 a 3500 rpm. Por lo tanto, hay 9 casos de prueba de 1500 rpm, 20 N a 3500 rpm, 40 N. La duración de cada caso de prueba es de unos 30 s. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Muestras de los espectros de onda y amplitud del dominio del tiempo de las aceleraciones en el mango a la velocidad del motor de 3500 rpm. (A) La onda del dominio del tiempo y (B) espectros de amplitud en la dirección X; (C) la onda del dominio del tiempo y(D) los espectros de amplitud en la dirección Y; (E) la onda de dominio del tiempo y (F) espectros de amplitud en la dirección Z. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 9. La relación media entre la fuerza de agarre y la aceleración de la vibración RMS medida en seis ubicaciones del sistema mano-brazo de diez sujetos: (A) el reverso de la mano; (B)extremo distal del antebrazo; (C) extremo proximal del antebrazo; (D)extremo distal de la parte superior del brazo; (E) extremo proximal de la parte superior del brazo; (F) acromion. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 10. La relación media entre la velocidad del motor (frecuencia) y la aceleración de la vibración RMS medida en seis ubicaciones del sistema mano-brazo de diez sujetos: (A) el reverso de la mano; (B)extremo distal del antebrazo; (C) extremo proximal del antebrazo; (D)extremo distal de la parte superior del brazo; (E) extremo proximal de la parte superior del brazo; (F) acromion. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 11. Transmisibilidad de vibración en la banda de 1/3 de octava en diferentes lugares del sistema mano-brazo a la velocidad del motor de 2500 rpm y fuerza de agarre de 30 N. Las 6 curvas representan los valores tr desde el fondo de la mano (ubicación 1) hasta el acromion (ubicación 6) como se muestra en la leyenda. La línea discontinua es una línea divisoria de amplificación de vibración (por encima de esta línea) y atenuación de vibración (por debajo de esta línea). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
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Discussion
El protocolo presentado en este estudio se estableció en base a las normas HTV4,5,24,y se desarrolló como los pasos estándar para la medición de la HTV del sistema mano-brazo humano durante la operación de un tractor de mano en condiciones estacionarias. Esta condición es el estado más estable del tractor de mano para ayudar a garantizar la medición fiable de la vibración realmente transmitida a la mano y el brazo. La gama de variables consideradas para realizar la prueba, mediante el ajuste de la velocidad del motor y la fuerza de agarre, cubre el rango de funcionamiento normal y seguro del tractor de mano. Teniendo en cuenta la complejidad del sistema mano-brazo, se encontró que los resultados experimentales obtenidos de este protocolo concuerdan bien con los datos reportados en los artículos sobre las características de las fuentes de vibración25,la transmisibilidad de la vibración1,26,y los factores esenciales8,27 que afectan la respuesta del sistema mano-brazo durante el funcionamiento de los tractores de mano.
Los resultados dependen de algunos componentes críticos de esta configuración dentro del protocolo. En primer lugar, debido a que el peso del acelerómetro afecta a la magnitud de la vibración del sistema mano-brazo20,el peso total del acelerómetro y el adaptador debe ser lo más ligero posible para reducir los errores de medición. En segundo lugar, cada adaptador de acelerómetro debe estar firmemente asegurado en el sistema mano-brazo para evitar cualquier movimiento relativo entre el punto de medición y el acelerómetro. En tercer lugar, el ensayo de prueba de cada sujeto debe completarse sin interrupción para reducir el efecto de la postura operativa.
La principal limitación de este estudio es que la transmisibilidad de la vibración al sistema mano-brazo sólo fue medida y analizada en la dirección del eje Z(Figura 4) debido al uso de acelerómetros de un solo eje en las ubicaciones de brazo y hombro. Aunque se utilizaron sensores flexibles y de película delgada para medir la fuerza de agarre durante la prueba, se espera que los esfuerzos de medición adicionales a lo largo de la dirección de cizalladura proporcionen información considerable sobre la caracterización y evaluación de HTV, lo que representa otra limitación del presente estudio. Además, los factores intrínsecos de los operadores, como su tamaño corporal, postura corporal y tamaño de la mano y el brazo, influyen en el HTV. Como paso posterior, se recopilarán más datos para examinar estos factores utilizando el protocolo presentado.
Este protocolo será útil para la comprensión de las características de transmisión de vibraciones del sistema tractor de mano-mano-brazo. Las principales aplicaciones potenciales de la metodología propuesta son la estimación de los fenómenos de interacción humano-tractor, el desarrollo ergonómico de los tractores de mano y el desarrollo de dispositivos de protección como aisladores y guantes.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de Chongqing, China (cstc2019jcyj-msxmX0046), el proyecto de la Comisión de Educación de Chongqing de China (KJQN202001127), y el proyecto de la Comisión de Ciencia y Tecnología del Distrito de Banan, Chongqing, China (2020TJZ010). Los autores desean agradecer al Profesor Yan Yang por proporcionar el sitio de prueba. También estamos agradecidos al Dr. Jingshu Wang y al Dr. Jinghua Ma por su guía para el uso de la instrumentación de medición de vibraciones. También hay que dar las gracias a los sujetos por su cooperación incondicional durante los experimentos.
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. |
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