Summary
Здесь мы представляем стандартизированный метод измерения вибрации руки от ручек односемейного трактора с особым упоминанием об изменениях силы захвата и частоты вибрации.
Abstract
Операторы ручных тракторов подвергаются воздействию высоких уровней вибрации, передаваемой вручную (HTV). Эта вибрация, которая может быть как любой и опасной для здоровья человека, передается оператору через его руки и руки. Однако стандартизированный метод измерения HTV ручных тракторов еще предстоит определить. Целью исследования было представить экспериментальный метод исследования биодинамической реакции и вибрационное трансмиссивность системы ручной руки при эксплуатации ручного трактора в стационарном режиме. Измерения были выполнены с десятью предметами, использующими три силы захвата и три уровня вибрации ручки для изучения влияния давления рук и частоты на передаваемой вручную вибрации (HTV). Результаты показывают, что герметичность сцепления на ручке влияет на вибрационную реакцию системы рук и рук, особенно на частотах от 20 до 100 Гц. Передача более низких частот в системе рукоукладопередачи была относительно неухотной. Для сравнения, было установлено, что за время эксплуатации ручного трактора довольно заметно для более высоких частот. Вибрационная трансмиссия в различные части системы рук и рук уменьшилась с увеличением расстояния от источника вибрации. Предлагаемая методология способствует сбору согласованных данных для оценки воздействия вибрации оператора и эргономичной разработки ручных тракторов.
Introduction
Ручные тракторы, также известные как силовые культиваторы, широко используются в развивающихся странах для подготовки малых месторождений. Полевая эксплуатация ручного трактора включает в себя ходьбу за машиной и проведение ее ручки для управления его движением. Операторы ручных тракторов подвергаются воздействию высоких уровней вибрации, что можно объяснить небольшим одноцилиндровым двигателем и отсутствием системы подвески ручныхтракторов 1. Синдром вибрации рук и рук (HAVS)2 может быть вызван длительной выносливостью от вибрации, названной вибрацией передачи рук (HTV), которая генерируется ручным трактором и получена руками оператора. Для оценки рисков для здоровья, связанных с воздействием операторов на HTV ручных тракторов, необходимо установить метод измерения вибрационное реагирование системы ручной руки.
Ручная система состоит из костей, мышц, тканей, вен и артерий, сухожилийи кожи 3, и прямое измерение HTV создает много проблем. Соответствующие международныестандарты 4,5 обеспечивают руководящие принципы, касающиеся измерения тяжести вибрации, генерируемой в непосредственной близости от руки, включая систему координат для руки, расположение и монтаж акселерометров, продолжительность измерения, проблемы с кабельным разъемом и т.д. Тем не менее, стандарты не принимают во внимание внутренние переменные, такие как сила захвата, поза руки и руки, отдельные факторы и т.д.. Эти факторы были тщательно изучены в широком диапазоне вибрационных возбужденийи тестовых условий 6,7,8,9,10,11,12,13,но результаты различных исследователей не в хорошем согласии. Многие из этих факторов недостаточно изучены для включения в стандартные методы. Это ограничение частично объясняется сложностью системы рукоукладоведения человека, условиями испытаний и различиями в используемых экспериментальных и измерительных методах.
Кроме того, большинство предыдущих измерений HTV проводились в тщательно контролируемых условиях с идеализированными вибрационными возбуждениями, силой захвата и постуральными условиями. Таким образом, результаты и экспериментальные процедуры этих измерений могут не воспроизводить реальные условия, такие, как условия эксплуатации ручных тракторов. Кроме того, были предприняты лишь ограниченные усилия по изучению НТВ ручных тракторов с помощью полевых измерений. Эти измерения были проведены с помощью акселерометров, прикрепленных к запястью оператора, руке, груди и голове для измерения вибрации всеготела в условиях транспортировки трактора 1,или в условиях облеаки в пытном поле и пудирования в погруженном поле с различными уровнямискорости двигателя 14. Эффект силы захвата, который может быть решающим фактором HTV7,8, не был изолирован. Поэтому эти методы не подходят в качестве стандартизированных процедур измерения из-за различных вынужденных поз оператора во время ведения сельского хозяйства, приписываемых суровым экологическим условиям.
В настоящее время были проведены исследования, способствующие созданию надежных и повторяемых процедур измерения ручных тракторов HTV в стационарном режиме. На рисунке 1 представлена схематическая схема экспериментального дизайна. Ручной трактор, изготовленный в Китае и широко используемый китайскими фермерами, был нанят, и десять научных работников были выбраны в качестве субъектов для исследования. Для измерения вибрации были использованы семь легких пьезоэлектрических акселерометров, прикрепленных к тракторно-ручной системе. Один тахометр и два тонкосемейных датчика давления отслеживали скорость двигателя и силу сцепления во время испытаний. Субъекты должны были последовательно эксплуатировать ручной трактор на заданных скоростях двигателя и с указанными силами сцепления для получения характеристик вибрации в различных режимах работы. Эта рукопись содержит подробный протокол для измерения HTV трактора-руки системы с уникальным рассмотрением изменений в силе захвата и частоты вибрации.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры были одобрены Комитетом по этике Чунцинского технологического университета, и каждый предмет дал письменное информированное согласие до участия в этом исследовании.
1. Подготовка ручного трактора
- Убедитесь, что ручной трактор подвергается надлежащей испытательной обстановке с полным топливным баком, без рыхлости болтов, и без других механических дефектов, которые приведут к ненормальной вибрации.
ПРИМЕЧАНИЕ: Спецификации ручного трактора, используемого в этом эксперименте, представлены в таблице 1. - Поместите ручной трактор на испытательный полигон с сухой, твердой и ровень поверхности земли.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если этот эксперимент был проведен в помещении лаборатории, лаборатория должна быть хорошо проветривается, чтобы предотвратить любые вредное воздействие выхлопного газа от ручного трактора. - Удалите пылевой покров шкив двигателя, чтобы удобно откалибровать скорость двигателя с спидометром во время эксперимента.
- Удалите эластометрические материалы ручек в соответствии со стандартом ISO 5349-25.
2. Тема подготовки
- Убедитесь, что все испытуемые здоровы без физического недуга и старше 18 лет3. Сообщите каждому предмету о целях исследования и процедурах тестирования. Получить письменное информированное согласие от всех субъектов.
- Исключите субъектов со следующими заболеваниями: первичное заболевание Рейно или вторичное явление Рейно, нарушение кровообращения в руках, деформация костей и суставов, нарушения периферической нервной системы или опорно-двигательного аппарата3.
- Попросите испытуемых носить одежду без рукавов или с короткими рукавами, а также снять часы, браслеты, кольца и т.д.
- Предупредите каждого субъекта не прикасаться к рычагу переключения передач ручного трактора во время эксплуатации. Предупредите каждого субъекта держаться подальше от двигателя шкив, когда рука трактор работает.
- Предоставьте предметам обучение регулированию скорости на ручном тракторе. Сообщите каждому субъекту о выключении двигателя в конце эксперимента, нажав на кнопку переключения двигателя.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, регулировка скорости двигателя контролируется переключателем дроссельной заслонки, расположенным на правой ручке, и испытуемые обучены регулировать скорость двигателя, поворачивая переключатель дроссельной заслонки влево (снижение скорости) или вправо (увеличение скорости) правой рукой. - Проинструктируй каждого субъекта, как управлять ручным трактором и как регулировать скорость двигателя от 1500 об/мин до 3500 об/мин.
- Измерьте размеры тела каждого субъекта (высота, масса, длина предплечья, длина плеч, длина руки).
ПРИМЕЧАНИЕ: Таблица 2 обобщает физические характеристики десяти здоровых субъектов в этом эксперименте. - Оберните адаптеры акселерометра плотно на руке и руке каждого предмета в местах, указанных на рисунке 2.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый адаптер был изготовлен с использованием нейлонового ремешка и куска оцинкованного железного листа (0,3 мм), чтобы обеспечить жесткое и легкое крепление.
3. Установка измерительных систем
- Установка системы измерения ускорения
ПРИМЕЧАНИЕ: Нынешние шаги направлены на сбор сигналов ускорения вибрации с ручкой ручного трактора и шести локаций системы рукопоявой руки оператора. Предлагаемый подход использует компактную систему получения данных (ДАЗ), состоящую из семи акселерометров, трех карт для сбора данных, шасси ДАЗ, ноутбука и некоторых связанных с нимикабелей (рисунок 3). Аналогичным образом могут применяться и другие типы систем ДАЗ с надлежащими характеристиками для меха-приложения.- Перед началом измерения соберите все компоненты измерительных систем (акселерометры, система сбора данных, система зондирования давления тонкой пленки, тахометр, цифровой гониометр и другие соответствующие компоненты).
- Чтобы настроить систему измерения ускорения, подключите акселерометр с картами получения данных с помощью акселерометровых кабелей. Используя кабель Ethernet, подключите шасси к компьютеру.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте были использованы два трехосных акселерометра и пять одноосных акселерометров, закрепленных магнитной монтажной базой. - Прикрепите один трехаксиальный акселерометр на левую ручку ручного трактора и прикрепите другой на адаптер акселерометра руки субъекта. На акселерометры руки и плеча субъекта прикрепляются одноосные акселерометры, один за другим.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение акселерометров, как показано на рисунке 1. Выбор местоположения трехсевого акселерометра на левой ручке ручного трактора должен быть как можно ближе к левой руке оператора. - Отрегулируйте ориентацию трехосных акселерометров на руке, чтобы соответствовать базовой системе координат(рисунок 4) для измерения вибрации рук и руки относятся к стандарту ISO 5349-14. Используя клейую ленту, закретуйте акселерометрические кабели на поверхности кожи руки субъекта и руле трактора.
- Установка измерения силы захвата
ПРИМЕЧАНИЕ: Тонкая пленка системы зондированиядавления 15,16 был разработан с двумя резистивным давлением чувствительных датчиков, один чип контроллер, и светодиодный дисплей, и был откалиброван до измерения, как показано на рисунке 5.- Прикрепите два тонкого пленкных датчика симметрично по разные стороны вокруг центральной оси рукоятки с помощью двухсторонней клейкой ленты.
- Поместите экран системы зондирования на удобную высоту, чтобы объект мог контролировать и регулировать силу захвата до заданного уровня во время работы ручного трактора.
- Установка измерения скорости двигателя
ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость двигателя относится к революциям в минуту (RPM) пропеллера используемого ручного тракторного двигателя, который равен RPM двигателя шкив. Лазерный тахометр использовался для калибровки и мониторинга скорости двигателя во время эксплуатации.- Прикрепите к поверхности двигателя куйвку ретроотражающей ленты (примерно 10 × 10 мм) для измерения лазерного тахометра.
- Поместите тахометр на правильную высоту и перпендикулярно ретроотражающей ленте.
- Измерение осанки
- Поручите субъекту удерживать и поднимать ручку в горизонтальное положение. Измерьте осанку руки и руки субъекта с помощью цифрового гониометра.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пять углов17, используемых для описания осанки руки и руки во время работы ручного трактора показаны на рисунке 6. Углы осанки испытуемых, измеренные в этом эксперименте, представлены в таблице 2. - Попросите субъекта сохранить осанку до конца судебного разбирательства.
- Поручите субъекту удерживать и поднимать ручку в горизонтальное положение. Измерьте осанку руки и руки субъекта с помощью цифрового гониометра.
4. Эксперимент и сбор данных
- Запустите ручной трактор в нейтральном режиме и держать его работает на низкой скорости двигателя (около 1500 об / мин) около 30 с, пока он не стабилизировался.
- Включите тахометр, тонкосемейное устройство зондирования давления, портативный компьютер и систему получения данных ускорения, соответственно.
- Откройте программное обеспечение ДАК и создайте новый файл для каждого предмета. Установите параметры ускорения, режима приобретения и скорости выборки для сбора данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы получить точную характеристику HTV, скорость выборки должна быть не менее 1500 Гц. В этом исследовании скорость выборки была установлена на уровне 1650 Гц. Если для сбора данных использовалась более высокая частота выборки, то фильтр с низким проходом с частотой отреза на частоте 1500 Гц был рекомендован для устранения шумовых воздействий, таких как нерелевантные высокочастотные взносы. - Нажмите на запуск и подождите около 10 с, пока система стабилизируется. Затем нажмите Запись, чтобы начать запись данных ускорения.
- Регулировка скорости двигателя и силы сцепления
ПРИМЕЧАНИЕ: Как показано на рисунке 7, этот эксперимент был проведен на трех уровнях скорости двигателя (1500, 2500 и 3500 об/мин) и три уровня силы сцепления (20, 30 и 40 N) во время каждого испытания. Ориентировочная продолжительность тестирования HTV каждого предмета составляет 6 мин.- Попросите субъекта следить за тахометром и регулировать скорость двигателя до 1500 об/мин, пока он не стабилизируется.
- Проинструктируйте субъекта тщательно настроить силу захвата до 20 N, глядя на отображаемые сигналы силы от тонкой пленки давления зондирования системы, и сохранить этот уровень силы захвата около 30 с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Регулировка силы захвата обозначает увеличение или уменьшение давления между рукой и рулем ручного трактора. Субъекты должны выполнять регулировку силы захвата, удерживая руль более плотно или легко. - Отрегулируйте силу сцепления до 30 N и держите около 30 с. Затем отрегулируйте силу сцепления до 40 N и держите около 30 с.
- Отрегулируйте скорость двигателя до 2500 об/мин и повторите шаги 4.5.2 и 4.5.3.
- Отрегулируйте скорость двигателя до 3500 об/мин и повторите шаги 4.5.2 и 4.5.3.
- Попросите субъекта включить переключатель дроссельной заслонки до наименьшей скорости двигателя. Свями ручку и выключи двигатель ручного трактора.
- Сохраните данные и выключите систему ДАЗ. Удалите и поместите акселерометры на следующий объект.
- Повторите шаги от 4,3 до 4,7 до конца сбора данных по всем предметам.
- Экспорт данных об ускорениях для дальнейшего анализа.
5. Обработка и анализ данных
- Импорт записанных сигналов домена времени вибрации к программе MATLAB. Рассчитайте значения корневого квадрата (RMS) вибрации ускорения рукоятки ручного трактора, которые представляют воздействие вибрации во время работы ручного трактора, с уравнением (1):
(1)
где, RMS является RMS ускорения вибрации(м/ с 2 ), рассчитывается для каждой 1/3-й октавы полосы, a(t) является измеренная амплитуда ускорения вибрации(м/ с 2 ), и T является продолжительность измеренного ускорения вибрации (ы).
ПРИМЕЧАНИЕ: В стандарте ISO 5349-1 важно использовать ускорение RMS для представления величины вибраций, передаваемых в руки оператора. - Рассчитайте значения RMS ускорения вибрации на руке, запястье, руке и плече каждого предмета с помощью Equation (1). Рассчитайте допустимость вибрации (TR) с помощью Equation (2)1,14:
(2)
где, вявляется ручка вибрации для HTV, и изсоответствующих вибрации в шести местах стороны руки-рука системы субъекта (см. рисунок 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно ISO 5349-1, факторы (за исключением силы захвата и частоты вибрации) могут влиять на результаты измерения вибрации, передаваемой вручную, включают: мастерство оператора, осанку тела, климатические условия, шум и т.д. Чтобы уменьшить эти случайные факторы, значения TR всех мест измерения десяти субъектов в этом исследовании были усредне. - Преобразование сигналов домена времени ручки в частотные сигналы домена по быстрому алгоритму преобразования Fourier (FFT) с помощью программы MATLAB для изучения вибрации ввода.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Эксперимент проводился в лаборатории (температура воздуха 22,0 градусов по Цельсию ± 1,5 градуса по Цельсию) на десяти здоровых предметах(таблица 2)во время работы ручного трактора в стационарном состоянии.
По протоколу, данные об ускорении вибрации были собраны с ручки ручного трактора, а также задней части руки, запястья, руки и плеча каждого предмета. Получен спектр ускорения вибрации, происходящего на ручке (вход в руку). На рисунке 8 отображаются образцы домена времени и ускорения домена частоты RMS на ручке при уровне скорости двигателя 3500 об/мин в течение данного периода времени. Очевидно, что ускорение вибрации было самым высоким вдоль оси Yи самым низким вдоль оси X. Максимальное ускорение направлений X и q происходило с частотой 58 Гц (что является рабочей частотой двигателя, соответствующей скорости вращения 3500 об/мин). Большая часть энергии вибрации была обнаружена централизованной в диапазоне частот от 50 до 200 Гц. При том же аналитическом процессе можно было получить характеристики как домена времени, так и частотных сигналов домена, таких как амплитуда вибрации, пик, доминирующая частота и т.д.
Были также изучены влияние силы захвата и скорости двигателя на вибрационную реакцию системы ручной руки. Как показано на рисунке 9, было отмечено, что увеличение силы захвата увеличило ускорение вибрации заметно на частотах между 20 и 100 Гц, и три резонансные частоты (20, 40 и 80 Гц) были найдены, чтобы увеличить почти линейно с увеличением силы захвата. Это связано с увеличением контактной жесткости и жесткости суставов18,19. Эти выводы свидетельствуют о том, что представленные методы измерения и корректировки силы захвата могут быть эффективно применены к измерению HTV.
Как показано на рисунке 10, этот эксперимент рассмотрел влияние частоты ввода на HTV через регулировку скорости двигателя на трех уровнях (1500, 2500 и 3500 об/мин). При расположении задней части руки(рисунок 10A),более высокое значение ускорения было получено при 3500 об/мин по сравнению с более низкими скоростями двигателя. В отличие от этого, на плече и верхней руке(рисунок 10D, E, и F), пик ускорения произошло на 1500 об/мин. Благодаря всестороннему сопоставлению как местоположений, так и захватывающих частот, разумно сделать вывод о том, что более низкие частоты передавались относительно неуттенуированными в системе рукопокладки, в то время как затухание было довольно заметным для более высоких частот. Таким образом, большая часть энергии вибрации рассеялась в руке и предплечье.
На рисунке 11 представлена усреднеемая трансмиссивность к задней части руки, предплечья, плеча от десяти предметов, которые с мощностью двигателя 2500 об/мин и силой сцепления 30 Н. Было установлено, что трансмиссия в различные части ручной системы снизилась с увеличением расстояния от источника вибрации. Самая высокая проходимость наблюдалась в задней части руки (место 1), с пиковым значением 5,1 на уровне около 80 Гц. Усиление вибрации может быть связано с резонансом кожи на метакарпальной20,21. В соответствии с выводамипредыдущих исследований 22,23, резонансная частота запястья (место 2) и локоть (место 4) трансмиссивность составила около 20 Гц, с величиной около 3,0. Кроме того, плечо (место 6) трансмиссивность пик был 1,1 около 10 Гц. Было также установлено, что только вибрации менее 25 Гц были эффективно переданы предплечья, верхней руки и плеча. С Equation (2) в разделе 5.2 и после аналитического процесса трансмиссивности, можно изучить влияние на проходимость с различными захватывающими частотами и изменение силы захвата, и разумное предложение операционной ручной трактор для фермеров может быть сделано.
| Модель двигателя и тип | JUWEI FC 170, бензин, один цилиндр, четырехтактный, OHV, принудительный воздух охлаждается |
| Объем, cc | 208 |
| Номинальная мощность, кВт | 4,0 кВт при 3600 об/мин |
| Максимальный крутящий момент, Нм/об/мин | 12/2500 |
| Количество скоростей | 2 вперед, 1 реверс |
| Стартовый режим | Старт отдачи (начало вытягивать) |
| Сухой вес двигателя, кг | 19 |
| Вес ручного трактора с полным топливным баком, радиатором и смазочковых масел, кг | 72 |
| Тип шины | Резиновое колесо |
| Размер шины (пневматический), мм | 155×330 (350-6) |
Таблица 1. Технические характеристики ручного трактора.
| Размеры и позы | минимум | максимум | значить | SD |
| Возраст, годы | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Вес, кг | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Рост, см | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Длина руки предплечья, см | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Длина верхней руки, см | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Длина руки, см | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Горизонтальное похищение плеча (α), степени | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Плечо вертикальное похищение (β) , градусов | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Расширение локтя (γ) , градусов | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Расширение запястья (θ) , градусов | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Отклонение запястья (я) , градусов | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Таблица 2. Субъект физических характеристик.
Рисунок 1. Создан экспериментальный протокол и сбор данных. Этот пример изображает одно испытание (справа налево) для измерения размеров тела субъекта, ношение 6 акселерометровых адаптеров, операционную позу ручного трактора и сбор данных, установленных для ускорения, силы сцепления и скорости двигателя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2. Расположение адаптеров акселерометра. 6 акселерометр адаптеры были завернуты в местах задней части руки, дистальный конец предплечья, проксимальный конец предплечья, дистальный конец верхней руки, проксимальный конец верхней руки и акромион вдоль ручной руки системы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3. Измерительные приборы вибрации. Компоненты измерительных систем, включая акселерометры, систему сбора данных, систему зондирования давления тонкой пленки, тахометр, цифровой гониометр и другие соответствующие компоненты (компьютерные, акселерометрические адаптеры, кабели, рулетка, термометр). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4. Базовая система координат для измерения вибрации рук и рук. Ось Xопределяется параллельно продольной оси сцепления. Y-осьнаправлена вдоль третьей метакарпусной кости руки. Ось Q-axisперпендикулярно площади поверхности ладони. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5. Система зондирования давления тонкой пленки. Эта система состоит из двух тонкоп пленкных датчиков, однокосхий контроллера и светодиодного дисплея, чтобы показать силу захвата в реальном времени. Тестовые данные также могут быть экспортированы на компьютер по серийной связи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6. Пять углов, используемых для описания осанки руки и руки. α описывает плечо горизонтальное похищение, β описывает плечо вертикального похищения, γ определяет расширение локтя, θ характеризует расширение запястья, и й определяет отклонение запястья. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7. Регулировка скорости двигателя и силы сцепления во время эксперимента. Синие полосы представляют различные силы захвата 20, 30 и 40 N. Красные линии указывают на регулировку скорости двигателя от 1500, 2500 до 3500 об/мин. Таким образом, есть 9 тестовых случаев от 1500 об/мин, 20 Н до 3500 об/мин, 40 Н. Продолжительность каждого тестового случая составляет около 30 с. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть более широкую версию этой цифры.
Рисунок 8. Образцы волны домена времени и спектры амплитуды ускорений на ручке при скорости двигателя 3500 об/мин. (A) Волна домена времени и (B) спектр амплитуды в направлении X; (C) волна домена времени и( D) спектры амплитуды в направлении Y; (E) волна домена времени и (F) спектры амплитуды в направлении q. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 9. Средняя связь между силой захвата и ускорением вибрации RMS измеряется в шести местах системы рук и руки из десяти предметов: (A) задней части руки; (B)дистальный конец предплечья; (C) проксимальный конец предплечья; (D)дистальный конец верхней руки; (E) проксимальный конец верхней руки; (F)акромион. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 10. Средняя связь между скоростью двигателя (частота) и ускорением вибрации RMS измеряется в шести местах системы рук и руки из десяти предметов: (A) задней части руки; (B)дистальный конец предплечья; (C) проксимальный конец предплечья; (D)дистальный конец верхней руки; (E) проксимальный конец верхней руки; (F)акромион. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 11. Вибрационная трансмиссивность на 1/3-й октавной полосе в разных местах в системе ручной руки со скоростью двигателя 2500 об/мин и силой сцепления 30 Н. 6 кривых представляют значения TR от задней части руки (местоположение 1) до акромиона (место 6), как показано в легенде. Пунктирной линией является разделительная линия усиления вибрации (выше этой линии) и вибрации времени (ниже этой линии). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол, представленный в данном исследовании, был создан наоснове стандартовHTV 4,5,24, и был разработан в качестве стандартных шагов для измерения HTV человеческой ручной руки системы во время работы ручного трактора в стационарном состоянии. Это состояние является наиболее стабильным состоянием ручного трактора, чтобы помочь обеспечить надежное измерение вибрации на самом деле передается на руку и руку. Диапазон переменных, которые считаются для выполнения теста, с помощью регулировки скорости двигателя и силы сцепления, охватывает нормальную и безопасную дальность работы ручного трактора. Учитывая сложность системы рукояток, экспериментальные результаты, полученные в результате этого протокола, были признаны хорошо согласовываться с данными, сообщенными встатьях о характеристиках источников вибрации 25,вибрационноетрансмиссивность 1,26,исущественными факторами 8,27, которые влияют на реакцию системы рукояток во время работы ручных тракторов.
Результаты зависят от некоторых важнейших компонентов этой настройки в протоколе. Во-первых, поскольку вес акселерометра влияет на величину вибрациисистемы рукоделия 20,общий вес акселерометра и адаптера должен быть как можно более легким, чтобы уменьшить ошибки измерения. Во-вторых, каждый адаптер акселерометра должен быть плотно закреплен на ручной системе, чтобы предотвратить любое относительное движение между точкой измерения и акселерометром. В-третьих, испытание каждого предмета должно быть завершено без перерыва, чтобы уменьшить эффект операционной осанки.
Основным ограничением этого исследования является то, что вибрация трансмиссивность к ручной руке системы только измеряется и анализируется внаправленииоси (рисунок 4) из-за использования одноосевых акселерометров в местах руки и плеча. Хотя гибкие и тонкосемейные датчики были использованы для измерения силы захвата во время испытания, дальнейшие усилия по измерению направления сноп, как ожидается, обеспечат значительное понимание характеристики и оценки HTV, что представляет собой еще одно ограничение настоящего исследования. Кроме того, внутренние факторы операторов, такие как размер тела, осанка тела, а также размер руки и руки, влияют на HTV. В качестве последующего шага будут собраны дополнительные данные для изучения этих факторов с использованием представленного протокола.
Этот протокол будет полезен для понимания характеристик вибрационное трансмиссии ручной трактор-рука-рука системы. Основными потенциальными применениями предлагаемой методологии являются оценка явлений взаимодействия человека и трактора, эргономика развития ручных тракторов, а также разработка защитных устройств, таких как изоляторы и перчатки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторов нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Фондом естественных наук Чунцина, Китай (cstc2019jcyj-msxmX0046), проектом Комиссии по образованию Чунцина Китая (KJ'N202001127), а также проектом Комиссии по науке и технологиям округа Банань, Чунцин, Китай (2020TJ-010). Авторы хотели бы поблагодарить профессора Яна Яна за предоставление испытательного полигона. Мы также признательны д-ру Цзиншу Вану и д-ру Цзинхуа Ма за их руководство по использованию приборов измерения вибрации. Спасибо также из-за субъектов за их искреннее сотрудничество во время экспериментов.
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).
