Summary
여기서, 우리는 그립력과 진동 주파수의 변화에 특별한 참조와 단일 차축 트랙터의 손잡이에서 손으로 전송 된 진동의 측정을위한 표준화 된 방법을 제시한다.
Abstract
핸드 트랙터의 운영자는 손 전송 진동 (HTV)의 높은 수준에 노출됩니다. 인간의 건강에 유해하고 인체 건강에 위험할 수 있는 이 진동은 손과 팔을 통해 운전자에게 부여됩니다. 그러나 손 트랙터의 HTV를 측정하는 표준화된 방법은 아직 정의되지 않았습니다. 연구의 목적은 고정 모드에서 손 트랙터의 작동 중에 손 팔 시스템의 생체 역학 적 반응 및 진동 전달성을 조사하는 실험 방법을 제시하는 것이었습니다. 측정은 3개의 그립 력과 3개의 핸들 진동 수준을 사용하여 10개의 피험체로 수행되어 손압력과 주파수의 영향을 손전한 진동(HTV)에 검사하였다. 결과는 핸들에 그립의 압박감이 특히 20~100Hz 사이의 주파수에서 핸드암 시스템의 진동 반응에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 핸드암 시스템에서 낮은 주파수의 전송은 상대적으로 무융되었다. 이에 비해 감쇠는 손 트랙터의 작동 중에 더 높은 주파수에 대해 상당히 표시된 것으로 나타났습니다. 진동 소스와의 거리가 증가함에 따라 손팔 시스템의 다른 부분에 대한 진동 과속성이 감소했습니다. 제안된 방법론은 작업자 진동 노출 및 손 트랙터의 인체 공학 적 개발 평가를 위한 일관된 데이터 수집에 기여합니다.
Introduction
전원 틸러라고도 하는 손 트랙터는 개발도상국에서 작은 들판의 토지 준비를 위해 널리 사용됩니다. 핸드 트랙터의 현장 작동은 기계 뒤로 걸어가서 움직임을 제어하기 위해 핸들을 잡는 것을 포함합니다. 손 트랙터의 운영자는 작은 단일 실린더 엔진과 손트랙터1의서스펜션 시스템의 부족에 기인 할 수있는 진동의 높은 수준에 노출된다. 손팔 진동 증후군(HAVS)2는 손 트랙터에 의해 생성되고 운전자의 손에 의해 수신되는 손 투과 진동(HTV)이라는 진동으로부터 장시간 내구성에 의해 발생할 수 있습니다. 손 트랙터의 HTV에 운전자가 노출하여 얻은 건강 위험을 평가하기 위해서는 핸드암 시스템의 진동 반응 측정 방법을 수립할 필요가 있다.
손 팔 시스템은 뼈, 근육, 조직, 정맥 및 동맥, 힘줄 및 피부3으로구성되어 있으며 HTV의 직접 측정은 많은 문제를 제기합니다. 관련 국제표준4,5는 손의 좌표시스템, 가속도계의 위치 및 장착, 측정 지속시간, 케이블 커넥터 문제 등을포함하여 손 바로 부근에서 발생하는 진동의 심각도 측정에 관한 가이드라인을 제공한다. 그러나, 표준은 그립력, 손과 팔의 자세, 개별 요인 등과같은 본질적인 변수를 고려하지 않는다. 이러한 요인들은 광범위한 진동 흥분 및 시험 조건6,7,8,9,10,11,12,13에따라 광범위하게 조사되었지만, 다른 조사자의 결과는 양호한 합의가 되지 않는다. 이러한 요소 중 상당수는 표준 방법에 통합될 수 있을 것으로 충분히 이해되지 않았습니다. 이러한 제한은 인간 손팔 시스템의 복잡성, 시험 조건 및 사용되는 실험 및 측정 기술의 차이에 부분적으로 기인한다.
또한, HTV의 초기 측정의 대부분은 이상화 된 진동 여기, 그립 힘 및 자세 조건과 신중하게 제어 된 조건에서 수행되었다. 따라서 이러한 측정의 결과와 실험 절차는 손 트랙터의 작동 조건과 같은 실제 조건을 실제로 복제하지 못할 수 있습니다. 또한, 필드 측정손 트랙터의 HTV를 연구하기 위한 제한된 노력만 수행되었습니다. 이러한 측정은 운전자의 손목, 팔, 가슴 및 머리에 부착된 가속도계를 사용하여 트랙터의 운송 조건1하에서 전신 진동을 측정하거나, 또는 엔진 속도14의다른 수준으로 침수된 필드에서 경작및 웅웅거리는 조건 하에서 수행되었다. HTV7,8의중요한 요인이 될 수있는 그립 력의 효과는 격리되지 않았습니다. 따라서 이러한 방법은 가혹한 환경 조건에 기인하는 농업 도중 운영자의 각종 강제 자세 때문에 표준화된 측정 절차로 부적당합니다.
본 연구는 고정 모드에서 손 트랙터의 HTV 측정을 위한 신뢰할 수 있고 반복가능한 절차의 수립에 기여하기 위하여 착수되었습니다. 도 1은 실험 설계의 회로도를 제시한다. 중국에서 제조되고 중국 농부들이 일반적으로 사용하는 손 트랙터가 고용되었고, 10명의 연구 근로자가 연구의 대상으로 선정되었습니다. 트랙터 핸드암 시스템에 부착된 7개의 경량 압전 가속도계를 사용하여 진동을 측정했습니다. 테스트 중 엔진 속도와 그립력을 모니터링한 타코스터 1개와 박막 압력 센서 2개가 있습니다. 피사체는 다양한 작동 모드에서 진동 특성을 얻기 위해 지정된 엔진 속도와 지정된 그립 힘으로 핸드 트랙터를 순차적으로 작동시켜야 했습니다. 이 원고는 그립력및 진동 주파수의 변화를 고려하여 트랙터 손 팔 시스템의 HTV 측정을 위한 상세한 프로토콜을 제공합니다.
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Protocol
모든 절차는 충칭공과대학 윤리위원회의 승인을 받았으며, 각 과목은 본 연구에 참여하기 전에 서면 동의를 제공했습니다.
1. 손 트랙터 준비
- 핸드 트랙터가 볼트의 느슨함 없이, 비정상적인 진동을 초래할 다른 기계적 결함없이 전체 연료 탱크로 적절한 테스트 조건을 받게됩니다.
참고 : 이 실험에 사용되는 손 트랙터의 사양은 표 1에제공됩니다. - 손 트랙터를 건조하고 단단하며 평평한 지면표면이 있는 테스트 사이트에 배치합니다.
참고: 이 실험이 실내 실험실에서 수행된 경우, 실험실은 손 트랙터에서 배기 가스의 해로운 영향을 방지하기 위해 통풍이 잘되어야 합니다. - 실험 중에 엔진 풀리의 먼지 커버를 제거하여 실험 중에 속도계로 엔진 속도를 편리하게 보정합니다.
- ISO 5349-2 표준5에따라 핸들의 탄성액 재료를 제거하십시오.
2. 주제 준비
- 모든 피험자가 신체적 질병없이 건강하고 18 세이상인지 3세 이상인지 확인하십시오. 각 과목에 연구 목표 및 시험 절차에 대해 알립니다. 모든 과목으로부터 서면 동의를 얻습니다.
- 다음과 같은 질병을 가진 과목을 제외: 1 차 Raynaud의 질병 또는 이차 Raynaud의 현상, 손에 혈액 순환의 손상, 뼈와 관절의 기형, 말초 신경계 또는 근골격계 의 무질서3.
- 피험자에게 민소매 또는 반소매 의류를 착용하고 시계, 팔찌, 반지 등을제거하도록 요청합니다.
- 각 피사체에 작동 중에 핸드 트랙터의 기어 시프트 레버를 만지지 않도록 경고합니다. 손 트랙터가 실행될 때 각 피사체에 엔진 풀리에서 멀리 떨어져 있으라고 경고합니다.
- 손 트랙터에 속도 조절 교육을 피사체에 제공합니다. 각 피사체에 엔진 스위치 버튼을 눌러 실험 이 끝날 때 엔진을 종료하도록 알립니다.
참고: 일반적으로 엔진 속도 조절은 오른쪽 손잡이에 있는 스로틀 스위치에 의해 제어되며, 피사체는 스로틀 스위치를 왼쪽(속도 감소) 또는 오른손으로 오른쪽(속도 증가)으로 전환하여 엔진 속도를 조절하도록 훈련됩니다. - 각 피사체에게 손 트랙터를 작동하는 방법과 엔진 속도를 1500 rpm에서 3,500 rpm으로 조절하는 방법을 지시합니다.
- 각 피사체의 체형(서 높이, 질량, 팔뚝 길이, 팔뚝 길이, 팔뚝 길이, 손 길이)을 측정합니다.
참고: 표 2는 이 실험에서 10명의 건강한 과목의 신체적 특성을 요약합니다. - 도 2에 표시된 위치에서 각 피사체의 손과 팔에 가속도계 어댑터를 단단히 감쌉다.
참고: 각 어댑터는 나일론 스트랩과 아연 도금 철시트(0.3mm)를 사용하여 조작하여 단단하고 가벼운 부착을 제공합니다.
3. 측정 시스템 설정
- 가속 측정 시스템 설정
참고: 현재 단계는 손 트랙터의 손잡이와 운전자의 손팔 시스템의 6개 위치에서 진동 가속 신호를 수집하는 것을 목표로 합니다. 제안된 접근 방식은 7개의 가속도계, 3개의 데이터 수집 카드, DAQ 섀시, 노트북 컴퓨터 및 일부 관련케이블(그림 3)으로구성된 컴팩트한 데이터 수집(DAQ) 시스템을 사용합니다. 관련 응용 프로그램에 대한 적절한 특성을 가진 다른 유형의 DAQ 시스템도 유사하게 적용될 수 있습니다.- 측정을 시작하기 전에 측정 시스템의 모든 구성 요소(가속도계, 데이터 수집 시스템, 박막 압력 감지 시스템, 타코메터, 디지털 고니미터 및 기타 관련 구성 요소)를 수집합니다.
- 가속 측정 시스템을 설정하려면 가속도계 케이블을 사용하여 데이터 수집 카드와 가속도계를 연결합니다. 이더넷 케이블을 사용하여 섀시를 컴퓨터와 연결합니다.
참고: 이 실험에서 2개의 삼축 가속도계 와 5개의 단일축 가속도계가 자기 장착 베이스로 고정되어 사용되었다. - 손 트랙터의 왼쪽 손잡이에 하나의 삼축 가속도계를 부착하고 피사체의 손의 가속도계 어댑터에 다른 것을 부착합니다. 피사체의 팔과 어깨의 가속도계 어댑터에 단일 축 가속도계를 하나씩 부착합니다.
참고: 가속도계의 위치는 그림 1에나와 있는 것과 같습니다. 손 트랙터의 왼쪽 손잡이에 있는 삼축 가속도계의 위치 선택은 작업자의 왼손에 가능한 한 가깝어야 합니다. - 손에 삼축 가속도계의 방향을 조정하여 ISO 5349-1 표준4를참조하는 손암 진동의 측정을 위한 기저중심 좌표계(도 4)와일치하도록 조정한다. 접착제 테이프를 사용하여 피사체의 팔과 트랙터의 핸들바의 피부 표면에 가속도계 케이블을 고정합니다.
- 그립력 측정 설정
참고: 박막 압력 감지시스템(15,16)은 두 개의 저항 압력 감지 센서, 단일 칩 컨트롤러 및 LED 디스플레이로 설계되었으며, 그림 5에나와 같이 측정 전에 보정되었다.- 양면 접착제 테이프를 사용하여 핸들의 중앙 축 주위의 반대쪽에 대칭적으로 두 개의 박막 센서를 부착합니다.
- 피사체가 손 트랙터의 작동 중에 지정된 수준으로 그립 력을 모니터링하고 조정할 수 있도록 감지 시스템의 화면을 편리한 높이로 배치합니다.
- 엔진 속도 측정 설정
참고: 엔진 속도는 엔진 풀리의 RPM과 동일한 사용 된 손 트랙터 엔진의 프로펠러의 분당 회전 (RPM)을 나타냅니다. 레이저 타코스터는 작동 중에 엔진 속도를 교정하고 모니터링하는 데 사용되었습니다.- 레이저 타코스터 측정을 위해 엔진 풀리 표면에 레트로반사 테이프(약 10× 10mm)를 부착합니다.
- 타코필터를 적절한 높이에 놓고 레트로반사 테이프에 수직으로 놓습니다.
- 자세 측정
- 피사체에 핸들을 잡고 수평 위치로 올리라고 지시합니다. 디지털 곤니오미터를 사용하여 피사체의 손과 팔 자세를 측정합니다.
참고: 손 트랙터 의 작동 중에 손과 팔 자세를 설명하는 데 사용되는 5 개의 각도(17)는 도 6에표시됩니다. 이 실험에서 측정된 피사체의 자세 각도는 표 2에제시된다. - 재판이 끝날 때까지 자세를 유지하도록 피사체에 요청하십시오.
- 피사체에 핸들을 잡고 수평 위치로 올리라고 지시합니다. 디지털 곤니오미터를 사용하여 피사체의 손과 팔 자세를 측정합니다.
4. 실험 및 데이터 수집
- 핸드 트랙터를 중립으로 시작하고 안정화 될 때까지 약 30 초 동안 낮은 엔진 속도 (약 1500 rpm)로 계속 실행하십시오.
- 타코스터, 박막 압력 감지 장치, 랩톱 컴퓨터 및 가속 데이터 수집 시스템을 각각 켭니다.
- DAQ 소프트웨어를 열고 각 주제에 대한 새 파일을 만듭니다. 데이터 수집을 위한 가속, 수집 모드 및 샘플링 속도의 매개 변수를 설정합니다.
참고: HTV의 정확한 특성을 얻으려면 샘플링 속도가 1,500Hz 이상이어야 합니다. 이 연구에서는 샘플링 속도가 1650Hz로 설정되었습니다. 데이터 수집에 더 높은 샘플링 속도를 사용하는 경우 1500Hz의 컷오프 주파수가 있는 저패스 필터는 관련없는 고주파 기여와 같은 노이즈 영향을 제거하는 것이 좋습니다. - 실행을 클릭하고 시스템이 안정화 될 때까지 약 10 s를 기다립니다. 그런 다음 기록을 클릭하여 가속 데이터 기록을 시작합니다.
- 엔진 속도 및 그립 력 조정
참고: 도 7에도시된 바와 같이, 이 실험은 각 시험 기간 동안 3단계 엔진 속도(1500, 2500 및 3500 rpm)와 3단계 의 그립력(20, 30 및 40 N)으로 수행되었다. 각 피사체의 HTV 테스트의 대략적인 지속 시간은 6분입니다.- 피사체에 타코스터를 모니터링하고 엔진 속도가 안정될 때까지 1500rpm으로 조정하도록 요청합니다.
- 피사체에게 박막 압력 감지 시스템에서 표시된 힘 신호를 보고 그립력을 20 N으로 신중하게 조정하고, 약 30초 동안 이 그립 력 레벨을 유지하도록 지시한다.
참고: 그립 력의 조정은 손과 손 트랙터의 핸들바 사이의 압력 증가 또는 감소를 나타냅니다. 피사체는 핸들바를 더 밀거나 가볍게 잡아 그립력을 조정해야 합니다. - 그립력을 30 N으로 조정하고 약 30s를 유지합니다. 그런 다음 그립력을 40 N으로 조정하고 약 30s를 유지합니다.
- 엔진 속도를 2500rpm으로 조정하고 4.5.2 및 4.5.3 단계를 반복합니다.
- 엔진 속도를 3500rpm으로 조정하고 4.5.2 및 4.5.3 단계를 반복합니다.
- 피사체에 스로틀 스위치를 가장 낮은 엔진 속도로 전환하도록 요청합니다. 손잡이를 내려놓고 손 트랙터의 엔진을 종료합니다.
- 데이터를 저장하고 DAQ 시스템을 종료합니다. 제거 하 고 다음 주제에 가속도계를 배치 합니다.
- 모든 피험자의 데이터 수집이 끝날 때까지 4.3에서 4.7 단계를 반복합니다.
- 추가 분석을 위해 가속 타임시리즈 데이터를 내보냅니다.
5. 데이터 처리 및 분석
- 기록된 진동 시간 도메인 신호를 MATLAB 소프트웨어로 가져옵니다. 손 트랙터의 작동 중 진동 노출을 나타내는 손 트랙터 핸들의 진동 가속의 루트 평균 제곱(RMS) 값을 방정식(1)과 함께 계산합니다.
(1)
여기서, RMS는 각 1/3 옥타브 대역에 대해 계산된 진동 가속(m/s2)의RMS이며, a(t)는 측정된 진동 가속 진폭(m/s2)이며, T는 측정된 진동 가속(들)의 지속시간이다.
참고: ISO 5349-1 표준에서는 RMS 가속을 사용하여 작업자의 손에 전달되는 진동의 크기를 나타내는 것이 중요합니다. - 방정식(1)을 사용하여 각 피사체의 진동 가속값을 손, 손목, 팔 및 어깨에 계산합니다. 방정식 (2)1,14를사용하여 진동 전환성 (TR)을 계산합니다.
(2)
여기서, 인은 HTV의 핸들 진동이며, 아웃은 피사체의 손 팔 시스템의 6개 위치에서 각각의 진동이다(그림 2참조).
참고: ISO 5349-1에 따르면, 요인(그립력 및 진동 주파수 제외)은 작업자의 기술, 신체 자세, 기후 상태, 소음 등 손 전달 진동 측정의 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 무작위 요인을 줄이기 위해 이 연구에서 10명의 피험자의 모든 측정 위치의 TR 값을 평균화했습니다. - MATLAB 프로그램을 사용하여 빠른 Fourier transform(FFT) 알고리즘을 통해 핸들의 시간 도메인 신호를 주파수 도메인 신호로 변환하여 입력 진동을 검사합니다.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
실험은 고정된 상태에서 손 트랙터의 작동 중에 10개의 건강한 피험자(표2)에대한 실험실(공기 온도 22.0°C ± 1.5°C)에서 수행되었다.
프로토콜에 따라 진동 가속 데이터는 손 트랙터의 손잡이뿐만 아니라 손의 뒷면, 손목, 팔 및 각 피사체의 어깨에서 수집되었습니다. 손잡이에서 발생하는 진동 가속의 스펙트럼(손에 입력)이 얻어졌다. 그림 8은 지정된 시간 동안 3,500rpm의 엔진 속도 수준에서 핸들에 시간 도메인 및 RMS 주파수 도메인 가속의 샘플을 표시합니다. 진동 가속이 Y축을따라 가장 높았으며 X축을따라 가장 낮았습니다. X 및 Z 방향의 최대 가속은 58Hz의 주파수에서 발생했습니다(이는 3500 rpm의 회전 속도에 대응하는 엔진의 작동 주파수입니다). 대부분의 진동 에너지는 50~200Hz의 주파수 범위에서 중앙 집중화되는 것으로 나타났다. 동일한 분석 과정을 통해 진동 진폭, 피크, 지배적 인 주파수 등과 같은 시간 도메인 및 주파수 도메인 신호의 특성을 얻을 수 있습니다.
손팔 시스템의 진동 반응에 그립력과 엔진 속도의 영향도 조사되었다. 도 9에도시된 바와 같이, 그립력의 증가는 20~100Hz 사이의 주파수에서 특히 진동 가속을 증가시키고, 3개의 공진 주파수(20, 40 및 80Hz)가 그립력의 증가와 함께 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 접촉 강성 및 관절 강성의 증가에기인한다(18,19). 이러한 연구 결과는 그립력의 제시된 측정 및 조정 방법이 HTV 측정에 효과적으로 적용될 수 있음을 나타냅니다.
도 10에도시된 바와 같이, 이 실험은 3단계(1500, 2500, 3500rpm)에서 엔진 속도 조정을 통해 HTV에 입력 주파수의 효과를 조사하였다. 손 의 뒤쪽 위치(도10A)에서엔진 속도가 낮은 3500rpm에서 더 높은 가속값을 얻었다. 대조적으로, 상완과어깨(도 10D, E및 F)에서피크 가속이 1500 rpm에서 발생하였다. 위치와 흥미 진진한 주파수를 포괄적으로 비교하면 낮은 주파수가 손 팔 시스템에서 상대적으로 무포화 전송되었다는 결론을 내리는 것이 합리적이며 감쇠는 주파수가 매우 높게 표시되었습니다. 따라서 대부분의 진동 에너지는 손과 팔뚝에서 발산되었다.
도 11은 엔진 속도 2500 rpm및 30 N의 그립력을 가진 10개의 피험자로부터 손, 팔뚝, 팔뚝 및 어깨의 뒷면에 평균 형부침성을 제시한다. 진동소스로부터의 거리가 증가함에 따라 손팔 시스템의 상이한 부분에 대한 전달성이 감소한 것으로 나타났다. 가장 높은 형필성은 손 뒤쪽(위치 1)에서 관찰되었으며, 피크 값은 약 80Hz에서 5.1입니다. 진동의 증폭은중족골(20)에서피부의 공명때문일 수있다. 이전 연구의 연구결과(22,23)와일치하여 손목(위치 2)과 팔꿈치(위치 4)의 공진 주파수는 약 20Hz였으며, 진도는 약 3.0이었다. 또한, 어깨 (위치 6) 형체 성수기 피크는 약 10 Hz에서 1.1이었다. 또한 25Hz 미만의 진동만 팔뚝, 팔뚝 및 어깨로 효과적으로 전달된 것으로 나타났습니다. 5.2항에 있는 방정식(2)을 통해, 다른 흥미진진한 주파수와 변화하는 그립력으로 과실에 미치는 영향을 검토할 수 있으며, 농민을 위한 손 트랙터 를 운영하는 합리적인 제안이 이루어질 수 있다.
| 엔진 모델 및 유형 | JUWEI FC 170, 가솔린, 단일 실린더, 4 스트로크, OHV, 강제 공기 냉각 |
| 스윕 볼륨, cc | 208 |
| 정격 전력, kW | 4.0 kW 앳 3600 rpm |
| 최대 토크, Nm/rpm | 12/2500 |
| 속도 수 | 2 포워드, 1 역 |
| 시작 모드 | 반동 시작(풀 시작) |
| 엔진의 건조 중량, kg | 19 |
| 전체 연료 탱크, 라디에이터 및 윤활 유, kg손 트랙터의 무게 | 72 |
| 타이어 타입 | 고무 바퀴 |
| 타이어 크기(공압), mm | 155×330 (350-6) |
표 1. 손 트랙터의 사양.
| 치수 및 자세 | 최소 | 최대 | 의미하다 | SD |
| 나이,년 | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| 무게, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| 키, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| 팔뚝 손 길이, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| 팔뚝 길이, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| 손 길이, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| 어깨 수평 납치 (α), 도 | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| 어깨 수직 납치 (β) , 도 | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| 팔꿈치 연장(γ) | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| 손목 익스텐션(θ) | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| 손목 편차 (ω) , 도 | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
표 2. 피사체 물리적 특성.
그림 1. 실험 프로토콜 및 데이터 수집 설정. 이 예제에서는 피사체의 체형 측정을 위한 단일 시험(오른쪽에서 왼쪽으로), 6가속도계 어댑터의 착용, 손 트랙터의 작동 자세 및 가속, 그립 력 및 엔진 속도를 위해 설정된 데이터 수집을 묘사합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 가속도계 어댑터의 위치입니다. 6 가속도계 어댑터는 손 뒤의 위치, 팔뚝의 말단, 팔뚝의 근위 쪽 끝, 팔뚝의 단부 말단, 팔뚝의 근간, 팔뚝의 근접 말단 및 핸드암 시스템을 따라 곡예어로 감쌌다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 진동 측정 계측. 가속도계, 데이터 수집 시스템, 박막 압력 감지 시스템, 타코메터, 디지털 고니미터 어댑터 및 기타 관련 구성 요소(컴퓨터, 가속도계 어댑터, 케이블, 테이프 측정, 온도계)를 포함한 측정 시스템의 구성 요소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 손팔 진동 측정을 위한 베이스센트릭 좌표 시스템. X축은 그립의 세로 축과 평행하게 정의됩니다. Y축은손의 세 번째 메타카르푸스 뼈를 따라 향합니다. Z축은야자수 표면적에 수직입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 박막 압력 감지 시스템. 이 시스템은 두 개의 박막 센서, 단일 칩 컨트롤러 및 실시간 그립 력을 보여주는 LED 디스플레이로 구성됩니다. 테스트 데이터는 직렬 통신을 통해 컴퓨터로 내보낼 수도 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 손과 팔 자세를 설명하는 데 사용되는 다섯 각도. α 어깨 수평 납치를 설명, β 어깨 수직 납치를 설명, γ 팔꿈치 확장을 식별, θ는 손목 확장을 특성화, ω손목 편차를 식별합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7. 실험 중 엔진 속도와 그립력조정. 파란색 막대는 20, 30 및 40 N의 서로 다른 그립 력을 나타냅니다. 빨간색 선은 엔진 속도가 1500, 2500에서 3500 rpm으로 조정되었음을 나타냅니다. 따라서 1500 rpm, 20 N ~ 3500 rpm, 40 N에서 9 개의 테스트 사례가 있습니다. 각 테스트 사례의 기간은 약 30초입니다.
그림 8. 3500 rpm의 엔진 속도로 핸들에 있는 가속도의 시간 도메인 웨이브 및 진폭 스펙트럼의 샘플. (A)시간 도메인 웨이브 및(B)진폭 스펙트럼X 방향으로; (C)시간 도메인 웨이브 및(D)진폭 스펙트럼Y 방향으로; (E)시간 도메인 웨이브 및(F)진폭 스펙트럼은 Z 방향으로. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9. 10개의 피험자의 손팔 시스템의 6개 위치에서 측정된 그립력과 RMS 진동 가속 사이의 평균 관계: (A)손의 뒷면; (B)팔뚝의 말단 끝; (C)팔뚝의 근위 쪽 끝; (D)팔뚝의 말단 끝; (E)팔뚝의 근접 끝; (F)아크로미온. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10. 10개의 피험자의 핸드암 시스템의 6개 위치에서 측정된 엔진 속도(주파수)와 RMS 진동 가속 사이의 평균 관계: (A)손의 뒷면; (B)팔뚝의 말단 끝; (C)팔뚝의 근위 쪽 끝; (D)팔뚝의 말단 끝; (E)팔뚝의 근접 끝; (F)아크로미온. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11. 2500 rpm의 엔진 속도와 30 N의 그립 력으로 핸드 암 시스템의 다른 위치에서 1/3 옥타브 밴드의 진동 진동 성. 6개의 곡선은 범례에 표시된 대로 손 뒤쪽(위치 1)에서 곡예(위치 6)까지의 TR 값을 나타냅니다. 파선선은 진동 증폭(이 선 위)과 진동 감쇠(이 선 아래)의 분할선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
본 연구에서 제시된 프로토콜은 HTV 표준4,5,24에기초하여 확립되었으며, 고정된 상태에서 손 트랙터를 동작하는 동안 인간 손팔 시스템의 HTV 측정을 위한 표준 단계로 개발되었다. 이 상태는 손과 팔에 실제로 전달되는 진동의 신뢰할 수 있는 측정을 보장하는 데 도움이 되는 손 트랙터의 가장 안정적인 상태입니다. 엔진 속도와 그립력의 조정을 통해 테스트를 수행하는 것으로 간주되는 변수의 범위는 핸드 트랙터의 정상 및 안전 작동 범위를 다룹니다. 손팔 시스템의 복잡성을 고려하여, 이 프로토콜에서 산출된 실험 결과는 손 트랙터의 작동 시 손팔 시스템의 반응에 영향을 미치는 진동원(25)및 진동 고침1,26,및 필수 인자8,27의 특성에 관한 기사에서 보고된 데이터와 잘 동의하는 것으로 나타났다.
결과는 프로토콜 내에서 이 설정의 일부 중요한 구성 요소에 따라 달라집니다. 첫째, 가속도계의 무게는 손팔계통(20)의진동의 크기에 영향을 미치기 때문에, 가속도계및 어댑터의 총 중량은 측정 오류를 줄이기 위해 가능한 한 가속도계와 어댑터의 가벼워야 한다. 둘째, 각 가속도계 어댑터는 측정 지점과 가속도계 사이의 상대적 움직임을 방지하기 위해 손팔 시스템에 단단히 고정되어야 합니다. 셋째, 각 피사체의 시험 시험은 작동 자세의 효과를 줄이기 위해 중단 없이 완료되어야 한다.
이 연구의 주요 한계는 팔과 어깨의 위치에서 단일 축 가속도계의 사용으로 인해 손팔 시스템에 대한 진동 전달성을 Z축방향(도4)에서만 측정및 분석하였다는 것이다. 유연하고 박막 센서가 테스트 중에 그립력을 측정하는 데 사용되었지만 전단 방향을 따라 추가 측정 노력은 HTV의 특성화 및 평가에 상당한 통찰력을 제공할 것으로 예상되며 이는 본 연구의 또 다른 한계를 나타냅니다. 또한, 운전자의 본질적인 요인, 같은 그들의 신체 크기, 신체 자세, 손과 팔 크기, HTV에 영향을 미치는. 후속 단계로 제시된 프로토콜을 사용하여 이러한 요소를 검사하기 위해 더 많은 데이터가 수집됩니다.
이 프로토콜은 손 트랙터 손 팔 시스템의 진동 전송 특성을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 제안된 방법론의 주요 잠재적 인 응용 분야는 인간-트랙터 상호 작용 현상의 추정, 손 트랙터의 인체 공학 적 개발, 및 이졸거 및 장갑과 같은 보호 장치의 개발입니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 중국 충칭 자연과학재단(cstc2019jcyj-msxx00046), 중국 충칭교육위원회(KJQQN202001127) 프로젝트, 중국 충칭반지구과학기술위원회(2020TJZ010)의 프로젝트에 의해 지원되었다. 저자는 시험장을 제공한 양양 교수에게 감사를 표하고 싶습니다. 또한 진동 측정 계측을 사용하는 안내에 대해 왕징슈 박사와 진화 마 박사님께 도주해 주셔서 감사합니다. 또한 실험 중 진심 어린 협력을 위한 주체들덕분입니다.
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).
