Summary
在这里，我们提出了一种标准化的方法，用于测量单轴牵引车手柄的手传振动，并特别参考了抓地力和振动频率的变化。
Abstract
手牵引机的操作员暴露在高水平的手传振动 （HTV） 中。这种振动既令人讨厌又对人体健康有害，通过他或她的手和手臂传授给操作员。然而，衡量手扶拖拉机HTV的标准化方法尚未确定。研究的目的是提出一种实验方法，用于研究手扶拖拉机在静止模式下操作过程中手臂系统的生物动力反应和振动可传播性。用三个抓地力和三个手柄振动水平对十个受试者进行测量，以检查手部压力和频率对手部传导振动 （HTV） 的影响。结果表明，手柄的紧握会影响手臂系统的振动响应，尤其是在 20 至 100 Hz 之间的频率。手臂系统中较低频率的传输相对没有减弱。相比之下，在手牵引车操作过程中，衰减频率较高。随着与振动源距离的增加，手臂系统不同部分的振动可传输性降低。拟议的方法有助于收集一致的数据，用于评估操作员振动暴露和手扶拖拉机的人体工程学发展。
Introduction
手扶拖拉机，也称为动力耕作机，广泛用于发展中国家小田的土地准备。手扶拖拉机的现场操作包括走在机器后面，握住手柄控制机器的移动。手扶拖拉机的操作员暴露在高振动水平，这可以归因于小型单缸发动机和缺乏悬挂系统的手牵引1。手臂振动综合征 （HAVS）2 可由振动引起的长期耐久性（称为手部传动振动 （HTV），由手牵引器生成，由操作员手接收。为了评估操作员接触手扶拖拉机HTV所带来的健康风险，有必要建立手扶手系统振动响应测量方法。
手臂系统由骨骼、肌肉、组织、静脉和动脉、肌腱和皮肤3组成，直接测量HTV会带来许多问题。相关国际标准4、5提供有关测量手附近振动严重程度的指引，包括手部坐标系、加速度计的位置和安装、测量持续时间、电缆连接器问题等。然而，标准没有考虑到内在变量，如抓地力，手和手臂的姿势，个别因素等。这些因素在广泛的振动激发和测试条件下进行了广泛的研究，6、7、8、9、10、11、12、13，但不同的研究结果并不完全一致。其中许多因素没有得到充分理解，无法纳入标准方法。这一限制部分归因于人类手臂系统的复杂性、试验条件以及所采用的实验和测量技术的差异。
此外，HTV的早期测量大多在经过严格控制的条件下进行，具有理想的振动激发、抓地力和姿势条件。因此，这些测量结果和实验程序可能无法真正复制实际情况，例如手扶拖拉机的运行条件。此外，只有有限的努力来研究手牵引车的HTV与现场测量。这些测量是使用附加在操作员的手腕、手臂、胸部和头部的加速度计进行的，以测量拖拉机运输条件下的全身振动1，或在耕种在耕种场和在发动机速度14级不同级别的水下田地中呕吐的条件下进行。抓地力的作用，这可能是HTV7，8的关键因素，并没有孤立。因此，由于经营者在耕作过程中由于恶劣的环境条件而采取各种强制姿势，这些方法不适合作为标准化的测量程序。
本研究旨在为以固定模式对手扶拖拉机进行HTV测量建立可靠和可重复的程序作出贡献。图1显示实验设计的示意图图。采用了中国制造、中国农民常用的手扶拖拉机，并选派了10名科研人员作为研究对象。七台连接到拖拉机手臂系统的轻型压电加速度计用于测量振动。一个测速仪和两个薄膜压力传感器在测试期间监测发动机速度和抓地力。受试者必须按规定发动机速度和指定的抓地力按顺序操作手扶拖拉机，以获得各种操作模式的振动特性。本手稿为拖拉机手臂系统的 HTV 测量提供了详细的协议，并特别考虑了抓地力和振动频率的变化。
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Protocol
所有程序均经重庆理工大学伦理委员会批准，各学科在参与本研究前均提供书面知情同意。
1. 手扶拖拉机准备
- 确保手扶拖拉机在充分的燃油箱下接受适当的测试，没有螺栓松动，并且不会产生其他可能导致异常振动的机械缺陷。
注：本实验中使用的手扶拖拉机的规格在 表1中给出。 - 将手扶拖拉机放置在具有干燥、坚固和平地表面的试验场。
注：如果这个实验是在室内实验室进行的，实验室必须通风良好，以防止手扶拖拉机的废气产生任何有害影响。 - 在实验过程中，取下发动机滑轮的灰尘盖，用速度计方便校准发动机速度。
- 根据ISO 5349-2标准5删除手柄的弹性材料。
2. 主题准备
- 确保所有受试者健康，无身体疾病，年龄在18岁以上，3岁。向每个科目通报研究目标和测试程序。获得所有主体的书面知情同意。
- 排除有下列疾病的受试者：原发性雷诺氏病或继发性雷诺现象、手部血液循环受损、骨骼和关节畸形、周围神经系统紊乱或肌肉骨骼系统3。
- 要求受试者穿无袖或短袖服装，并取下手表、手镯、戒指 等。
- 警告每个受试者在操作过程中不要触摸手牵引机的换档杆。当手扶拖拉机运行时，警告每个受试者远离发动机滑轮。
- 为学员提供手扶拖拉机的速度调节训练。通过按下发动机开关按钮，通知每个受试者在实验结束时关闭发动机。
注意：一般来说，发动机速度调节由位于右手柄上的油门开关控制，受试者通过将油门开关转向左侧（减速）或用右手向右（提速）来调节发动机速度。 - 指导每个主题如何操作手牵引车，以及如何调节发动机速度从 1500 rpm 到 3500 rpm。
- 测量每个受试者的身体尺寸（站立高度、质量、前臂长度、上臂长度、手长）。
注： 表2 总结了本实验中10名健康受试者的身体特征。 - 在 图 2中指示的位置，将加速度计适配器紧紧包裹在每个主体的手和手臂上。
注：每个适配器都是用尼龙带和镀锌铁板（0.3毫米）制成的，以提供刚性及轻盈的附件。
3. 测量系统设置
- 加速测量系统设置
注：本步骤旨在从手牵引机的手柄和操作员手臂系统的六个位置收集振动加速信号。拟议的方法采用了一个紧凑的数据采集（DAQ）系统，该系统由七个加速度计、三个数据采集卡、一个DAQ底盘、一台笔记本电脑和一些相关电缆（图3）组成。其他类型的 DAQ 系统具有相关应用的适当特性，也可以同样应用。- 在开始测量之前，收集测量系统的所有组件（加速度计、数据采集系统、薄膜压力感应系统、转速计、数字纳米和其他相关组件）。
- 要设置加速度测量系统，请使用加速度计电缆将加速度计与数据采集卡连接起来。使用以太网电缆，将底盘与计算机连接起来。
注：本实验使用了两个三轴加速度计和五个固定磁性安装基座的单轴加速度计。 - 将一个三轴加速度计连接到手牵引机的左手柄上，并将另一个加速度计贴在受试者手的加速度计适配器上。将单轴加速度计逐一附在受试者手臂和肩部的加速度计适配器上。
注：加速度计的位置如 图1所示。手牵引机左手柄上三轴加速度计的位置选择应尽可能靠近操作员的左手。 - 调整手部三轴加速度计的方向，以符合基本坐标系（图4），用于测量手臂振动，参考ISO 5349-1标准4。使用胶带，固定受试者手臂皮肤表面的加速度计电缆和拖拉机车把。
- 握力测量设置
注：薄膜压力感应系统15、16采用两个电阻压力敏传感器、一个单片控制器和一个LED显示屏设计，并在测量前校准，如图5所示。- 使用双面胶带在手柄中轴线的对立面对称地连接两个薄膜传感器。
- 将传感系统的屏幕置于方便的高度，以便受试者在手牵引器操作期间能够监控并将抓地力调整到指定级别。
- 发动机速度测量设置
注：发动机速度是指使用手牵引发动机螺旋桨每分钟 （RPM） 的旋转，等于发动机滑轮的 RPM。使用激光测速仪校准和监控运行过程中的发动机速度。- 将一块反光胶带（约 10 × 10 mm）连接到发动机滑轮表面，用于激光转速计测量。
- 将转速计置于适当的高度，垂直于反光胶带。
- 姿势测量
- 指示主体将手柄保持并提升到水平位置。使用数字测得仪测量受试者的手和手臂姿势。
注：用于描述手牵引机操作过程中手部和手臂姿势的五个角度17 显示在 图6中。本实验中测量的受试者的姿势角度在 表2中呈现。 - 要求受试者保持姿势，直到审判结束。
- 指示主体将手柄保持并提升到水平位置。使用数字测得仪测量受试者的手和手臂姿势。
4. 实验和数据采集
- 以中性启动手扶拖拉机，并保持其以低发动机速度（约 1500 rpm）运行约 30s，直到它稳定下来。
- 分别打开转速计、薄膜压力感应装置、笔记本电脑和加速数据采集系统。
- 打开 DAQ 软件并为每个主题创建新文件。设置数据收集的加速参数、采集模式和采样率。
注：要获得HTV的准确定性，抽样率应不低于1500赫兹。在这项研究中，抽样率被设定为1650赫兹。如果用于数据收集的采样率更高，建议采用截止频率为 1500 Hz 的低通滤清器，以消除噪音影响，如不相关的高频贡献。 - 单击 "运行"， 等待大约 10s，直到系统稳定下来。然后单击 "记录" 以开始记录加速数据。
- 发动机速度和抓地力的调整
注：如 图7所示，该实验在每次试验中分别以三级发动机速度（1500、2500和3500 rpm）和三级抓地力（20、30和40 N）进行。每个科目的 HTV 测试的大致持续时间为 6 分钟。- 要求受试者监控转速计，并将发动机速度调整到 1500 rpm，直到其稳定下来。
- 指示受试者通过观察薄膜压力传感系统显示的力信号，将抓地力仔细调整到20N，并将抓地力水平保持在30左右。
注意：握力的调整表示手和手牵引车车把之间的压力增减。受试者应通过更紧或更轻地握住车把来调整抓地力。 - 将抓地力调整到 30 N，保持约 30 s。然后，将抓地力调整到 40 N，保持约 30 s。
- 将发动机速度调整到 2500 rpm，并重复步骤 4.5.2 和 4.5.3。
- 将发动机速度调整到 3500 rpm，并重复步骤 4.5.2 和 4.5.3。
- 要求受试者将油门开关转到最低的发动机速度。放下手柄，关闭手牵引机的发动机。
- 保存数据并关闭 DAQ 系统。取出并放置下一个主题的加速度计。
- 重复步骤 4.3 到 4.7，直到所有主题的数据收集结束。
- 导出加速时间系列数据以供进一步分析。
5. 数据处理和分析
- 将记录的振动时间域信号导入MATLAB软件。用方程（1）计算手牵引手柄振动加速的根均等（RMS）值，该值表示手牵引机操作过程中的振动暴露：
(1)
其中，RMS是每个 1/3 八度波段计算的振动加速度 （m/s2）的 RMS，a（t） 是测量的振动加速度振幅 （m/s2），T是测量振动加速度的持续时间。
注：在 ISO 5349-1 标准中，使用 RMS 加速度表示传送到操作员手中的振动程度非常重要。 - 使用方程 （1） 计算每个主体的手、手腕、手臂和肩部振动加速度的 RMS 值。使用方程 （2） 1、14计算振动可传递性 （TR）：
(2)
其中，一个是HTV 的手柄振动，一个是受试者手臂系统六个位置的各自振动（见图 2）。
注：根据ISO 5349-1，影响手部传动振动测量结果的因素（抓地力和振动频率除外）包括：操作员的技能、身体姿势、气候条件、噪声 等。 为了减少这些随机因素，对本研究中十个受试者所有测量位置的 TR 值进行了平均值。 - 使用 MATLAB 程序快速转换 （FFT） 算法，将手柄的时间域信号转换为频率域信号，以检查输入振动。
(1)
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Representative Results
实验是在实验室进行（空气温度22.0°C±1.5°C）的10个健康受试者（表2）在手扶拖拉机的操作中处于静止状态。
按照协议，从手牵引车的手柄以及手背、手腕、手臂和每个主体的肩膀收集振动加速数据。获取了手柄（输入到手部）时发生的振动加速度谱。 图 8 在给定时间内，在发动机速度级别为 3500 rpm 时柄上显示时间域和 RMS 频率域加速度的示例。很明显，振动加速度是沿 Y轴的最高，也是沿 X轴的最低。 X 和 Z 方向的最大加速度发生在 58 Hz 的频率（即发动机的工作频率，对应于 3500 rpm 的旋转速度）。发现大部分振动能量集中在频率范围从50到200赫兹之间。通过相同的分析过程，可以同时获得时间域和频率域信号的特性，如振动振幅、峰值、显性频率 等。
还检查了抓地力和发动机速度对手臂系统振动反应的影响。如图9所示，抓地力的增加显著增加了20至100赫兹频率的振动加速度，发现三个共振频率（20、40和80赫兹）几乎随着抓地力的增加而线性地增加。这是由于接触僵硬和关节僵硬增加18，19。这些结果表明，抓地力的测量和调整方法可以有效地应用于HTV测量。
如图10所示，该实验通过发动机速度调整在三个级别（1500、2500和3500 rpm）检查了输入频率对HTV的影响。在手背的位置（图10A），与较低的发动机速度相比，在3500 rpm时获得更高的加速度值。相比之下，在上臂和肩部（图10D，E和F），峰值加速度发生在1500转/米。通过对位置和令人兴奋的频率的综合比较，可以合理地得出结论，手臂系统中较低的频率传输相对未受衰减，而衰减对于更高频率的频率则相当明显。因此，大部分振动能量在手部和前臂中消散。
图11显示手背、前臂、上臂和肩部的平均可传输性，来自发动机速度为2500转/分和30 N的抓地力的10个受试者。结果发现，随着与振动源距离的增加，手臂系统不同部分的可传输性降低。最高可传输性观察到手的背面（位置 1），峰值值为 5.1，约为 80 Hz。振动的放大可能是由于皮肤在元腕20，21的共振。与先前22、23项研究的结果一致，手腕（位置2）和肘部（位置4）可传播的共振频率约为20赫兹，震级约为3.0。此外，肩部（位置 6） 可传递峰值为 1.1，约为 10 Hz。还发现只有小于25赫兹的振动被有效地传送到前臂、上臂和肩部。在第5.2节中使用方程（2）并遵循可传输性的分析过程，可以研究不同激动人心的频率和不断变化的抓地力对可传输性的影响，并可以合理建议农民操作手扶拖拉机。
| 发动机型号和类型 | JUWEI FC 170， 汽油， 单缸， 四冲程， OHV， 强制空气冷却 |
| 扫卷，抄送 | 208 |
| 额定功率，千瓦 | 4.0千瓦在3600转米 |
| 最大扭矩，Nm/rpm | 12/2500 |
| 速度数 | 2 向前，1 反向 |
| 启动模式 | 退缩启动（拉启动） |
| 发动机的干燥重量，千克 | 19 |
| 带全燃油箱、散热器和润滑油的手牵引车重量，kg | 72 |
| 轮胎类型 | 橡胶轮 |
| 轮胎尺寸（气动），毫米 | 155×330 （350-6） |
表1。手扶拖拉机的规格。
| 尺寸和姿势 | 最低 | 最大 | 意味 着 | SD |
| 年龄，年数 | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| 重量， 公斤 | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| 身材， 厘米 | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| 前臂手长，厘米 | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| 上臂长度，厘米 | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| 手长，厘米 | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| 肩部水平诱拐（α），度 | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| 肩部垂直诱拐（β）， 度 | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| 肘部延伸 （γ） ， 度 | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| 手腕延长 （θ） ， 度 | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| 手腕偏差 （ω） ， 度 | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
表2。主题物理特征。
图1。建立了实验协议和数据采集。 此示例描绘了用于测量受试者车身尺寸的单个试验（从右到左），佩戴 6 个加速度计适配器、手牵引器的操作姿势以及为加速、抓地力和发动机速度设置的数据采集。 请单击此处查看此图的较大版本。
图2。加速度计适配器的位置。 6 个加速度计适配器被包裹在手背的位置、前臂的离位端、前臂的近端、上臂的离位端、上臂的近端和手臂系统的腹缩。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3。振动测量仪器。 测量系统的组件包括加速度计、数据采集系统、薄膜压力感应系统、转速计、数字气压计和其他相关组件（计算机、加速度计适配器、电缆、磁带测量、温度计）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4。手臂振动测量的基本坐标系。X轴的定义与握把的纵轴平行。Y轴沿着手的第三个元卡普斯骨定向。Z轴垂直于棕榈表面积。请单击此处查看此图的较大版本。
图5。薄膜压力感应系统。 该系统由两个薄膜传感器、一个单片控制器和一个 LED 显示屏组成，以显示实时抓地力。测试数据也可以通过串行通信导出到计算机。 请单击此处查看此图的较大版本。
图6。用于描述手和手臂姿势的五个角度。 α 描述了肩部水平诱拐 ，β 描述了肩部垂直诱拐 ，γ 识别肘部延伸 ，θ描述手腕延伸，并 ω 识别手腕偏差。 请单击此处查看此图的较大版本。
图7。在实验期间调整发动机速度和抓地力。 蓝色条代表 20、30 和 40 N 的不同抓地力。红线表示发动机速度从 1500、2500 调整到 3500 rpm。因此，有 9 个测试案例，从 1500 rpm，20 N 到 3500 rpm，40 N。每个测试案例的持续时间约为 30s. 请单击此处查看此图的较大版本。
图8。以 3500 rpm 的发动机速度对手柄上加速的时间域波和振幅光谱的示例。（A） X方向的时间域波和（B） 振幅光谱：（C） Y方向的时间域波和（D） 振幅光谱：（E） 时间域波和（F） Z方向的振幅光谱。请单击此处查看此图的较大版本。
图9。在手臂系统十个受试者的六个位置测量的抓地力和 RMS 振动加速度的平均关系：（A）手背：（B） 前臂末端的分离：（C） 前臂近端：（D） 上臂末端的解剖：（E） 上臂近端：（F） 浪漫。请单击此处查看此图的较大版本。
图10。在手臂系统六个位置测量的发动机速度（频率）和 RMS 振动加速度的平均关系为十个受试者：（A）手背：（B） 前臂末端的分离：（C） 前臂近端：（D） 上臂末端的解剖：（E） 上臂近端：（F） 浪漫。请单击此处查看此图的较大版本。
图11。手臂系统不同位置的第 1/3 个八度波段的振动可传输，发动机速度为 2500 rpm，抓地力为 30 N。 6 条曲线表示从手背（位置 1）到香液（位置 6）的 TR 值，如图所示。虚线是振动放大（在此线上方）和振动衰减（在此线下方）的分界线。 请单击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
本研究提出的协议是根据HTV标准4、5、24建立的，是作为在固定条件下手扶拖拉机运行过程中测量人手扶手系统HTV的标准步骤而制定的。这种情况是手牵引机最稳定的状态，有助于确保可靠测量实际传送到手和手臂的振动。通过调整发动机速度和抓地力，考虑执行测试的变量范围涵盖了手牵引车的正常和安全操作范围。考虑到手臂系统的复杂性，从该协议中得出的实验结果与文章中报告的数据非常一致，这些数据分别包括振动源25、振动可传播性1、26以及影响手臂系统在手扶拖拉机操作过程中反应的基本因素8、27。
结果取决于协议中此设置的某些关键组件。首先，由于加速度计的重量影响手臂系统20振动的大小，加速度计和适配器的总重量应尽可能轻，以减少测量误差。其次，每个加速度计适配器应紧密固定在手臂系统上，以防止测量点和加速度计之间的任何相关运动。第三，应不间断地完成每个科目的试验，以降低操作姿势的效果。
本研究的主要局限性是，由于在手臂和肩部位置使用单轴加速度计，仅在 Z轴方向（图4）中测量和分析手臂系统的振动可传播性。虽然在测试期间使用了灵活和薄膜传感器来测量抓地力，但预计沿剪切方向进行进一步测量工作将对 HTV 的特性和评估提供大量见解，这是本研究的另一个限制。此外，操作员的内在因素，如体型、身体姿势、手和手臂尺寸，也会影响 HTV。作为后续步骤，将收集更多数据，使用所提出的协议检查这些因素。
该协议将有助于理解手牵引手臂系统的振动传输特性。建议方法的主要潜在应用是人-拖拉机相互作用现象的估计、手扶拖拉机的人体工程学发展以及隔离器和手套等保护装置的开发。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了中国重庆市自然科学基金（cstc2019jcyj-msxmX0046）、重庆市教委（KJQN2002001127）项目和中国重庆市巴南区科委（2020TJZ010）项目的支持。作者要感谢杨燕教授提供试验场。我们也感谢王景树博士和马景华博士指导使用振动测量仪器。感谢受试者在实验期间的全心合作。
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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