Summary
Här presenterar vi en standardiserad metod för mätning av handöverförd vibration från handtag på en enaxlad traktor med särskild hänvisning till förändringar i greppkraft och vibrationsfrekvens.
Abstract
Operatörer av handtraktorer utsätts för höga nivåer av handöverförda vibrationer (HTV). Denna vibration, som kan vara både irriterande och farlig för människors hälsa, förmedlas till operatören via hans eller hennes händer och armar. En standardiserad metod för mätning av HTV för handtraktorer har dock ännu inte definierats. Syftet med studien var att presentera en experimentell metod för undersökning av handarmssystemets biodynamiska respons och vibrationstransmissibility under driften av en handtraktor i stationärt läge. Mätningar utfördes med tio försökspersoner som använde tre greppkrafter och tre handtagsvibrationsnivåer för att undersöka påverkan av handtrycket och frekvensen på handöverförd vibration (HTV). Resultaten visar att tätheten i greppet på handtaget påverkar handarmssystemets vibrationsrespons, särskilt vid frekvenser mellan 20 och 100 Hz. Överföringen av lägre frekvenser i hand-arm systemet var relativt obunden. I jämförelse konstaterades dämpning vara ganska märkt för högre frekvenser under handtraktorns drift. Vibrationstransmissibiliteten till olika delar av handarmssystemet minskade med ökningen av avståndet från vibrationskällan. Den föreslagna metoden bidrar till insamlingen av konsekventa uppgifter för utvärdering av förarens vibrationsexponering och ergonomins utveckling av handtraktorer.
Introduction
Handtraktorer, även kända som kraftfräsar, används ofta i utvecklingsländer för markberedning av små fält. En handtraktors fältdrift innebär att gå bakom maskinen och hålla i handtagen för att styra dess rörelse. Operatörerna av handtraktorer utsätts för höga vibrationsnivåer, vilket kan hänföras till den lilla encylindriga motorn och bristen på fjädringssystem för handtraktorer1. Handarmsvibrationssyndromet (HAVS)2 kan orsakas av långvarig uthållighet från vibrationerna, med namnet handöverförd vibration (HTV), som genereras av handtraktorn och tas emot av förarens händer. För att bedöma de hälsorisker som orsakas av operatörernas exponering för handtraktorernas HTV är det nödvändigt att fastställa en metod för mätning av handarmssystemets vibrationsrespons.
Handarmssystemet består av ben, muskler, vävnader, vener och artärer, senor och hud3, och den direkta mätningen av HTV utgör många problem. De relevanta internationellastandarderna 4,5 innehåller riktlinjer för mätning av svårighetsgraden av vibrationer som genereras i handens omedelbara närhet, inklusive koordinatsystemet för handen, placering och montering av accelerometrar, mätlängd, kabelkontaktproblem etc. Standarderna tar dock inte hänsyn till inneboende variabler, såsom greppkraften, handens och armens hållning, enskilda faktorer etc. Dessa faktorer har undersökts utförligt under ett brett spektrum av vibrations excitations och testförhållanden6,7,8,9,10,11,12,13, men resultaten från olika utredare är inte i god enighet. Många av dessa faktorer har inte i tillräcklig utsträckning förståtts för att införlivas i standardmetoder. Denna begränsning kan delvis tillskrivas komplexiteten i det mänskliga handarmssystemet, testförhållandena och skillnaderna i de experimentella tekniker och mättekniker som används.
Dessutom utfördes de flesta av de tidigare mätningarna av HTV under noggrant kontrollerade förhållanden med idealiserade vibration excitations, grepp kraft och postural förhållanden. Resultaten och försöksförfarandena för dessa mätningar kanske därför inte riktigt replikerar verkliga förhållanden, såsom handtraktorer. Dessutom har endast begränsade ansträngningar gjorts för att studera HTV för handtraktorer med fältmätningar. Dessa mätningar utfördes med accelerometrar fästa vid förarens handled, arm, bröst och huvud för att mäta hela kroppsvibrationerna under traktornstransportförhållanden 1, eller under förhållanden med jordbearbetning i ett framtöllat fält och puddling i ett nedsänkt fält med olika nivåer av motorvarvtal14. Effekten av greppkraften, som kan vara en avgörande faktor för HTV7,8, isolerades inte. Dessa metoder är därför olämpliga som standardiserade mätförfaranden på grund av operatörens olika tvångsställningar under jordbruket som tillskrivs de hårda miljöförhållandena.
Den nuvarande forskningen genomfördes för att bidra till inrättandet av tillförlitliga och repeterbara förfaranden för HTV-mätning av handtraktorer i stationärt läge. Figur 1 presenterar det schematiska diagrammet över den experimentella designen. En handtraktor tillverkad i Kina och vanligen använd av kinesiska bönder användes, och tio forskare valdes som ämnen för studien. Sju lätta piezoelektriska accelerometrar kopplade till traktor-hand-arm-systemet användes för att mäta vibrationerna. En varvräknare och två tunnfilmstrycksensorer övervakade motorns hastighet och greppkraft under provningen. Försökspersonerna var tvungna att i tur och nedförst i tur och nedföra handtagstraktorn vid angivna motorvarvtal och med angivna greppkrafter för att erhålla vibrationsegenskaperna i olika driftlägen. Detta manuskript ger ett detaljerat protokoll för HTV-mätning av traktor-hand-arm-systemet med unik hänsyn till förändringar i greppkraften och vibrationsfrekvensen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla förfaranden godkändes av etikkommittén vid Chongqing University of Technology och varje ämne gav skriftligt informerat samtycke innan de deltagande i denna studie.
1. Förberedelse av handtraktorer
- Se till att handtraktorn utsätts för lämpliga provningsförhållanden med en full bränsletank, utan att bultarna lossnar och utan andra mekaniska defekter som skulle leda till onormal vibration.
OBS: Specifikationerna för den handtraktor som används i detta experiment anges i tabell 1. - Placera handtraktorn på en provningsplats med en torr, fast och jämn markyta.
OBS: Om detta experiment utfördes i ett inomhuslaboratorium måste laboratoriet vara väl ventilerat för att förhindra skadliga effekter av avgaserna från handtraktorn. - Ta bort dammskyddet på motorskivan för att enkelt kalibrera motorvarvtalet med en varvräknare under försöket.
- Ta bort handtagens elastomeriska material enligt ISO 5349-2 standard5.
2. Ämnesförberedelser
- Se till att alla försökspersoner är friska utan fysisk sjukdom och är över 18 år3 . Informera varje ämne om studiemålen och testförfarandena. Få skriftligt informerat samtycke från alla ämnen.
- Exkludspersoner med följande sjukdomar: primär Raynauds sjukdom eller sekundära Raynauds fenomen, försämrad blodcirkulation i händerna, deformitet av ben och leder, störningar i det perifera nervsystemet eller muskuloskeletala systemet3.
- Be motiven att bära ärmlösa eller kortärmade kläder och att ta bort klockor, armband, ringar etc.
- Varna varje motiv att inte vidröra handtraktorns växelspak under drift. Varna varje ämne att hålla sig borta från motorskivan när handtraktorn är igång.
- Ge försökspersonerna hastighetsregleringsutbildning på handtraktorn. Informera varje försöksperson att stänga av motorn i slutet av försöket genom att trycka ner motoromkopplarknappen.
OBS: I allmänhet styrs motorvarvtalsregleringen av gasreglaget på höger handtag, och försökspersonerna är tränade att reglera motorvarvtalet genom att vrida gasreglaget åt vänster (hastighetssänkning) eller åt höger (hastighetsökning) med höger hand. - Instruera varje försöksperson hur handtraktorn ska användas och hur motorvarvtalet ska regleras från 1 500 varv/min till 3 500 varv/min.
- Mät varje motivs kroppsdimensioner (stående höjd, massa, underarmslängd, överarmslängd, handlängd).
OBS: Tabell 2 sammanfattar de fysiska egenskaperna hos tio friska försökspersoner i detta experiment. - Linda accelerometeradaptrarna tätt på varje motivs hand och arm på de platser som anges i figur 2.
OBS: Varje adapter tillverkades med en nylonrem och en bit av den galvaniserade järnplåten (0,3 mm) för att ge en styv och lätt fastsättning.
3. Inställningar för mätsystem
- Inställningar för accelerationsmätningssystem
OBS: De nuvarande stegen syftar till att samla upp vibrationsaccelerationssignalerna från handtraktorns handtag och sex platser för förarens handarmssystem. Den föreslagna metoden använder ett kompakt DAQ-system (Data Acquisition) bestående av sju accelerometrar, tre dataförvärvskort, ett DAQ-chassi, en bärbar dator och några tillhörande kablar (figur 3). Andra typer av DAQ-system med lämpliga egenskaper för den berörda applikationen kan tillämpas på samma sätt.- Innan du påbörjar en mätning samlar du alla komponenter i mätsystemet (accelerometrar, datainsamlingssystem, tunnfilmstryckavkänningssystem, varvräknare, digital goniometer och andra relevanta komponenter).
- Om du vill ställa in accelerationsmätningssystemet ansluter du accelerometern till dataförvärvskorten med accelerometersystemen. Anslut chassit till datorn med en Ethernet-kabel.
OBS: Två treaxliga accelerometrar och fem enaxlade accelerometrar fixerade med magnetisk monteringsbas användes i detta experiment. - Fäst en treaxlig accelerometer på handtraktorns vänstra handtag och fäst den andra på acceleromerometeradaptern på motivets hand. Fäst enaxlade accelerometrar, en efter en, på accelerometeraptrarna på motivets arm och axel.
OBS: Accelerometrarnas placering är som visas i figur 1. Valet av treaxlig accelerometer på handtraktorns vänstra handtag bör ligga så nära förarens vänstra hand som möjligt. - Justera orienteringen för de treaxlade accelerometrarna på handen så att de överensstämmer med det grundläggande koordinatsystemet (figur 4) för mätning av handarmvibrationer, se ISO 5349-1 standard4. Fäst accelerometerometerkablar på hudens yta på motivets arm och traktorns styre med hjälp av tejp.
- Inställningar för mätning av gripkraft
OBS: Ett tunnfilmstrycksavkänningssystem15,16 konstruerades med två resistiva tryckkänsliga sensorer, en enchipsstyrenhet och en LED-display och kalibrerades före mätning, som visas i figur 5.- Fäst två tunnfilmssensorer symmetriskt på motsatta sidor runt handtagets mittaxel med dubbelhäftande tejp.
- Placera avkänningssystemets skärm på en lämplig höjd så att motivet kan övervaka och justera greppkraften till den angivna nivån under handtraktorns funktion.
- Inställningar för mätning av motorvarvtal
OBS: Motorvarvtalet avser varvtal per minut (RPM) för propellern på den använda handtraktormotorn, vilket motsvarar motorskivans varvtal. En lasertachometer användes för att kalibrera och övervaka motorvarvtalet under drift.- Fäst en bit retroreflektiv tejp (ca 10 × 10 mm) på motorns remskiva för lasertjometermätning.
- Placera varvräknaren på rätt höjd och vinkelrätt mot retroreflektivtejpen.
- Mätning av hållning
- Instruera motivet att hålla och höja handtaget till ett horisontellt läge. Mät motivets hand- och armställning med hjälp av en digital goniometer.
OBS: De fem vinklar17 som används för att beskriva hand- och armställningen under handtraktorns funktion visas i figur 6. Försökspersonens hållningsvinklar som mäts i detta experiment presenteras i tabell 2. - Be försökspersonen att behålla hållningen till slutet av rättegången.
- Instruera motivet att hålla och höja handtaget till ett horisontellt läge. Mät motivets hand- och armställning med hjälp av en digital goniometer.
4. Experiment och datainsamling
- Starta handtraktorn i neutralläge och håll den igång vid ett lågt motorvarvtal (cirka 1500 varv/min) i ca 30 s tills den stabiliserats.
- Slå på varvräknaren, tunnfilmstrycksavkänningsenheten, den bärbara datorn respektive accelerationsdatainsamlingssystemet.
- Öppna DAQ-programvaran och skapa en ny fil för varje ämne. Ange parametrarna acceleration, anskaffningsläge och samplingsfrekvens för datainsamling.
OBS: För att få en korrekt karakterisering av HTV bör samplingshastigheten vara minst 1500 Hz. I denna studie fastställdes provtagningshastigheten till 1650 Hz. Om en högre samplingsfrekvens användes för datainsamling rekommenderades ett lågpassfilter med en brytfrekvens vid 1500 Hz att ta bort bullerpåverkan, t.ex. - Klicka på Kör och vänta ca 10 s tills systemet är stabiliserat. Klicka sedan på Spela in för att börja registrera accelerationsdata.
- Justering av motorns varvtal och greppkraft
OBS: Som visas i figur 7utfördes detta experiment vid tre nivåer av motorvarvtal (1500, 2500 och 3500 varv/min) och tre nivåer av greppkraft (20, 30 och 40 N) under varje försök. Den ungefärliga varaktigheten för varje ämnes HTV-testning är 6 min.- Be motivet att övervaka varvräknaren och justera motorvarvtalet till 1500 varv/min tills den stabiliserats.
- Instruera motivet justera gripkraften noggrant till 20 N genom att titta på de visade kraftsignalerna från tunnfilmstrycksavkänningssystemet och håll denna gripkraftsnivå i ca 30 s.
OBS: Justeringen av greppkraften betecknar ökningen eller minskningen av trycket mellan handen och handtraktorns styre. Försökspersonerna bör utföra justeringen av greppkraften genom att hålla styret tätare eller lättare. - Justera greppkraften till 30 N och håll ca 30 s. Justera sedan greppkraften till 40 N och håll ca 30 s.
- Justera motorvarvtalet till 2 500 varv/min och upprepa steg 4.5.2 och 4.5.3.
- Justera motorvarvtalet till 3 500 varv/min och upprepa steg 4.5.2 och 4.5.3.
- Be motivet att vrida gasreglaget till lägsta motorvarvtal. Lägg ner handtaget och stäng av handtraktorns motor.
- Spara data och stäng av DAQ-systemet. Ta bort och placera accelerometrarna på nästa motiv.
- Upprepa steg 4.3 till 4.7 till slutet av datainsamlingen för alla försökspersoner.
- Exportera accelerationstidsseriedata för vidare analys.
5. Databehandling och dataanalys
- Importera de registrerade vibrationstidsdomänsignalerna till MATLAB-programvaran. Beräkna RMS-värdena (root-mean-square) för vibrationsaccelerationen av handtraktorns handtag, som representerar vibrationsexponeringen under handtraktorns drift, med ekvationen (1):
(1)
där ett RMS är RMS för vibrationsacceleration (m/s2) beräknat för varje 1/3:e oktavband, a(t) är den uppmätta vibrationsaccelerationsamlituden (m/s2), och T är varaktigheten för den uppmätta vibrationsaccelerationen (er).
OBS: I ISO 5349-1-standard är det viktigt att använda RMS-acceleration för att representera omfattningen av vibrationer som överförs till operatörens händer. - Beräkna RMS-värdena för vibrationsacceleration till hands, handled, arm och axel för varje ämne med hjälp av ekvation (1). Beräkna vibrationstransmissibiliteten (TR) med hjälp av ekvation (2)1,14:
(2)
där en in är handvibrationen för HTV, och en ut är respektive vibration på de sex platserna i motivet hand-arm-system (se figur 2).
OBS: Enligt ISO 5349-1 kan faktorerna (med undantag för greppkraft och vibrationsfrekvens) påverka resultaten av handöverförd vibrationsmätning: förarens skicklighet, kroppsställning, klimatförhållanden, buller etc. För att minska dessa slumpmässiga faktorer var TR-värdena för alla mätplatser för de tio försökspersonerna i denna studie genomsnittliga. - Konvertera tidsdomänsignalerna för handtaget till frekvensdomänsignaler med snabb Fourier-transformeringsalgoritm (FFT) med MATLAB-program för att undersöka ingångsvibrationerna.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Försöket utfördes i laboratoriet (lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) på tio friska försökspersoner(tabell 2)under drift av en handtraktor i stationärt skick.
Efter protokollet samlades vibrationsaccelerationsdata in från handtraktorns handtag, liksom baksidan av handen, handleden, armen och axeln på varje ämne. Spektrumet av vibrationsaccelerationen som sker vid handtaget (ingång till handen) erhölls. Figur 8 visar exempel på tidsdomänens och RMS-frekvensdomänaccelerationer på handtaget vid motorvarvtalsnivån 3500 varv/min under en viss tidsperiod. Det är uppenbart att vibrationsaccelerationen var den högsta längs Y-axelnoch den lägsta längs X-axeln. De maximala accelerationerna av X- och Z-riktningarna inträffade med frekvensen 58 Hz (vilket är motorns arbetsfrekvens motsvarande rotationshastigheten på 3500 varv/min). Det mesta av vibrationsenergin visade sig vara centraliserad i frekvensområdet från 50 till 200 Hz. Med samma analysprocess kan egenskaperna hos både tidsdomänen och frekvensdomänsignaler erhållas, såsom vibrationsamlitud, topp, dominerande frekvens etc.
Påverkan av greppkraften och motorvarvtalet på vibrationsresponsen i handarmssystemet undersöktes också. Som framgår av figur 9konstaterades det att ökningen av greppkraften ökade vibrationsaccelerationen, särskilt vid frekvenser mellan 20 och 100 Hz, och tre resonansfrekvenser (20, 40 och 80 Hz) konstaterades öka nästan linjärt med ökningen av greppkraften. Detta tillskrivs ökningen av kontaktstelheten och ledstyvheten18,19. Dessa resultat tyder på att de presenterade mät- och justeringsmetoderna för greppkraften effektivt skulle kunna tillämpas på HTV-mätning.
Som visas i figur 10undersökte detta experiment effekten av ingångsfrekvensen på HTV via justering av motorvarvtalet på tre nivåer (1500, 2500 och 3500 varv/min). På baksidan av handen ( figur10A) erhölls ett högre accelerationsvärde vid 3500 varv/min jämfört med lägre motorvarvtal. Vid överarmen och axeln (figur 10D, E och F) inträffade däremot toppaccelerationen vid 1500 varv/min. Genom den omfattande jämförelsen av både platser och spännande frekvenser är det rimligt att dra slutsatsen att lägre frekvenser överfördes relativt obundna i handarmésystemet, medan dämpningen var ganska markant för högre frekvenser. Således skingrades det mesta av vibrationsenergin i handen och underarmen.
Figur 11 visar den genomsnittliga överförbarheten på baksidan av handen, underarmen, överarmen och axeln från de tio försökspersonerna som har motorvarvtal på 2500 varv/min och greppkraft på 30 N. Det konstaterades att överförbarheten till de olika delarna av handarmssystemet minskade med ökningen av avståndet från vibrationskällan. Den högsta överförbarheten observerades på baksidan av handen (plats 1), med ett toppvärde på 5,1 vid cirka 80 Hz. Förstärkningen av vibrationer kan bero på hudens resonans vid metakarpalen20,21. I överensstämmelse med resultaten från tidigarestudier 22,23, var resonansfrekvensen för handleden (plats 2) och armbågen (plats 4) överförbarhet cirka 20 Hz, med en magnitud på cirka 3,0. Dessutom var axel (plats 6) överförbarhetstopp 1,1 vid cirka 10 Hz. Det konstaterades också att endast vibrationer på mindre än 25 Hz effektivt överfördes till underarmen, överarmen och axeln. Med ekvation (2) i avsnitt 5.2 och efter den analytiska processen för överförbarheten är det möjligt att undersöka påverkan på överförbarheten med olika spännande frekvenser och förändrad greppkraft, och ett rimligt förslag om att driva handtraktor för jordbrukare skulle kunna göras.
| Motormodell och typ | JUWEI FC 170, bensin, encylindrig, fyrtakts, OHV, tvångsluftkyld |
| Svept volym, cc | 208 |
| Nominell effekt, kW | 4,0 kW vid 3 600 varv/min |
| Maximalt vridmoment, Nm/varv/varv/min | 12/2500 |
| Antal hastigheter | 2 framåt, 1 omvänd |
| Startläge | Rekylstart (dragstart) |
| Motorns torrvikt, kg | 19 |
| Vikten av handtraktor med full bränsletank, radiator och smörjoljor, kg | 72 |
| Däcktyp | Gummihjul |
| Däckstorlek(pneumatisk), mm | 155×330 (350-6) |
Tabell 1. Specifikationer för handtraktorn.
| Dimensioner och ställningar | minimum | maximal | betyda | Sd |
| Ålder, år | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Vikt, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Resning, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Underarmshandlängd, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Överarmslängd, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Handlängd, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Axel horisontell bortförande (α), grader | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Axel vertikal bortförande (β) , grader | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Armbågsförlängning (γ) , grader | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Handledsförlängning (θ), grader | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Handledsavvikelse (ω), grader | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Tabell 2. Ämne fysiska egenskaper.
Figur 1. Det experimentella protokollet och datainsamlingen har konfigurerats. Det här exemplet visar en enda studie (från höger till vänster) för mätning av ett försöks kroppsdimensioner, slitaget på 6 accelerometerometeradaptrar, handtraktorns arbetsställning och datainsamlingen för acceleration, greppkraft och motorvarvtal. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2. Placeringarna för accelerometeradaptrarna. 6 accelerometeradaptrar var inslagna på platserna på baksidan av handen, distala änden av underarmen, proximal ände av underarmen, desarmens desarm, proximala änden av överarmen och akromen längs handarmssystemet. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 3. Instrumentering av vibrationsmätning. Komponenterna i mätsystemet inklusive accelerometrar, dataförvärvssystem, tunnfilmstryckavkänningssystem, en varvräknare, en digital goniometer och andra relevanta komponenter (dator, accelerometeradaptrar, kablar, måttband, termometer). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 4. Det grundläggande koordinatsystemet för mätning av hand-armvibrationer. X-axelndefinieras parallellt med greppet längs gripet. Y-axelnriktas längs handens tredje metakarpusben. Z-axelnär vinkelrät mot palmytan. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 5. Tunnfilmstrycksavkänningssystemet. Detta system består av två tunnfilmssensorer, en enchipsstyrenhet och en LED-display för att visa greppkraften i realtid. Testdata kan också exporteras till en dator genom seriell kommunikation. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 6. De fem vinklarna som används för att beskriva hand- och armställningen. α beskriver axeln horisontell bortförande, β beskriver axeln vertikal bortförande, γ identifierar armbågen förlängning, θ karakteriserar handleden förlängning och ω identifierar handleden avvikelse. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 7. Justering av motorns varvtal och greppkraft under försöket. De blå stängerna representerar olika greppkrafter på 20, 30 och 40 N. De röda linjerna anger justering av motorvarvtalet från 1500, 2500 till 3500 varv/min. Därför finns det 9 testfall från 1500 varv/min, 20 N till 3 500 varv/min, 40 N. Varaktigheten för varje testfall är ca 30 s. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 8. Exempel på tidsdomänvåg och amplitudspektra av accelerationerna på handtaget vid motorvarvtalet 3500 varv/min. A)Tidsdomänvågen och( B) amplitudspektrat i X-riktningen. C)Tidsdomänvågen och(D)amplitudspektrat i Y-riktningen. (E) tidsdomänvågen och (F) amplitudspektrat i Z-riktningen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 9. Det genomsnittliga förhållandet mellan greppkraften och RMS-vibrationsaccelerationen mätt på sex platser i handarmssystemet för tio försökspersoner: (A) baksidan av handen; B)Underarmens distala ände. c)Underarmens proximala ände. D)Den distala änden av överarmen. e)Överarmens proximala ände. F)akrom. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 10. Det genomsnittliga förhållandet mellan motorvarvtalet (frekvensen) och RMS-vibrationsaccelerationen mätt på sex platser i handarmssystemet för tio försökspersoner: (A) baksidan av handen; B)Underarmens distala ände. c)Underarmens proximala ände. D)Den distala änden av överarmen. e)Överarmens proximala ände. F)akrom. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 11. Vibrationstransmissibility vid 1/3rd octave band på olika platser i handarmssystemet vid motorvarvtalet 2500 rpm och greppkraft på 30 N. De 6 kurvorna representerar TR-värdena från baksidan av handen (plats 1) till akromen (plats 6) som visas i förklaringen. Den streckade linjen är en skiljelinje för vibrationsförstärkning (ovanför denna linje) och vibrationsdämpning (under denna linje). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet som presenteras i denna studie fastställdes baserat på HTV-standarder4,5,24, och utvecklades som standardsteg för mätning av HTV av det mänskliga handarmssystemet under driften av en handtraktor i stationärt skick. Detta tillstånd är handtraktorns stabilaste tillstånd för att säkerställa tillförlitlig mätning av vibrationerna som faktiskt överförs till handen och armen. Det intervall av variabler som anses utföra provningen, genom justering av motorvarvtalet och greppkraften, täcker handtraktorns normala och säkra driftsområde. Med tanke på komplexiteten i handarmssystemet konstaterades de experimentella resultaten från detta protokoll att man väl överensstämde med data som rapporterats i artiklar om egenskaperna hosvibrationskällor 25, vibrationstransmissibility1,26, och de väsentligafaktorerna 8,27 som påverkar handarmssystemets svar under driften av handtraktorer.
Resultaten är beroende av vissa kritiska komponenter i den här inställningen i protokollet. För det första, eftersom accelerometerns vikt påverkar omfattningen av vibrationerna i handarmssystemet20,bör accelerometerns och adapterns totala vikt vara så lätt som möjligt för att minska mätfelen. För det andra bör varje accelerometeradapter fästas ordentligt på handarmssystemet för att förhindra relativ rörelse mellan mätpunkten och accelerometern. För det tredje bör testförsöket för varje försöksperson slutföras utan avbrott för att minska effekten av driftställningen.
Den huvudsakliga begränsningen i denna studie är att vibrationstransmissibilityen till handarmssystemet endast mättes och analyserades i Z-axelnsriktning ( figur4) på grund av användningen av enaxlade accelerometrar på platserna för arm och axel. Även om flexibla sensorer och tunnfilmssensorer användes för att mäta greppkraft under testet, förväntas ytterligare mätinsatser längs skjuvriktningen ge betydande insikter om karakteriseringen och bedömningen av HTV, vilket representerar en annan begränsning av den nuvarande studien. Dessutom påverkar de inneboende faktorerna hos operatörer, såsom deras kroppsstorlek, kroppsställning och hand- och armstorlek, HTV. Som ett efterföljande steg kommer mer data att samlas in för att undersöka dessa faktorer med hjälp av det presenterade protokollet.
Detta protokoll kommer att vara till hjälp för att förstå vibrationsöverföringsegenskaperna hos handtraktor-handarmssystemet. De viktigaste potentiella tillämpningarna av den föreslagna metoden är uppskattningen av interaktionsfenomen mellan människa och traktor, ergonomins utveckling av handtraktorer och utveckling av skyddsanordningar som isolatorer och handskar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Natural Science Foundation of Chongqing, Kina (cstc2019jcyj-msxmX0046), projektet av Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) och projektet av Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, Kina (2020TJZ010). Författarna vill tacka professor Yan Yang för att han tillhandahöll testplatsen. Vi är också tacksamma mot Dr. Jingshu Wang och Dr. Jinghua Ma för deras vägledning att använda vibrationsmätningsinstrumenteringen. Tack också till ämnena för deras helhjärtade samarbete under experimenten.
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).
