Summary
Burada, kavrama kuvveti ve titreşim frekansındaki değişikliklere özel referansla tek akslı bir traktörün tutamaklarından elle iletilen titreşimin ölçümü için standartlaştırılmış bir yöntem sunuyoruz.
Abstract
El traktörlerinin operatörleri yüksek düzeyde elle iletilen titreşime (HTV) maruz kalır. Hem rahatsız edici hem de insan sağlığı için tehlikeli olabilen bu titreşim, operatöre elleri ve kolları aracılığıyla iletilir. Bununla birlikte, el traktörlerinin HTV'lerini ölçmek için standartlaştırılmış bir yöntem henüz tanımlanmamıştır. Çalışmanın amacı, bir el traktörün sabit modda çalışması sırasında el-kol sisteminin biyodinamik tepkisinin ve titreşim geçirgenliğinin araştırılması için deneysel bir yöntem sunmaktı. Ölçümler, el basıncının ve frekansının elle iletilen titreşim (HTV) üzerindeki etkilerini incelemek için üç kavrama kuvveti ve üç tutamak titreşim seviyesi kullanılarak on denekle gerçekleştirildi. Sonuçlar, tutamak üzerindeki kavrama sıkılığının, özellikle 20 ila 100 Hz arasındaki frekanslarda el-kol sisteminin titreşim tepkisini etkilediğini göstermektedir. El-kol sistemindeki düşük frekansların iletimi nispeten zayıftı. Buna karşılık, zayıflamanın el traktörün çalışması sırasında daha yüksek frekanslar için oldukça belirgin olduğu bulunmuştur. Titreşim kaynağından uzaklık arttıkça el-kol sisteminin farklı bölgelerine titreşim geçirgenliği azaldı. Önerilen metodoloji, operatör titreşim maruziyetinin değerlendirilmesi ve el traktörlerinin ergonomi gelişimi için tutarlı verilerin toplanmasına katkıda bulunur.
Introduction
Güç çapalayıcı olarak da bilinen el traktörleri, gelişmekte olan ülkelerde küçük tarlaların arazi hazırlanması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir el traktörün saha çalışması, makinenin arkasında yürümeyi ve hareketini kontrol etmek için tutamağını tutmayı içerir. El traktörlerinin operatörleri, küçük tek silindirli motora atfedilebilecek ve el traktörlerinin süspansiyon sisteminin eksikliğine atfedilebilecek yüksek titreşim seviyelerine maruz kalır1. El-kol titreşim sendromu (HAVS)2, el traktörü tarafından üretilen ve operatörün eliyle alınan el ile iletilen titreşim (HTV) adı verilen titreşimden kaynaklanan uzun süreli dayanıklılıktan kaynaklanabilir. Operatörlerin el traktörlerinin HTV'sine maruz kalmalarından elde edilen sağlık risklerini değerlendirmek için, el-kol sisteminin titreşim tepkisinin ölçümü için bir yöntem oluşturmak gerekir.
El-kol sistemi kemikler, kaslar, dokular, damarlar ve arterler, tendonlar ve cilt3'tenoluşur ve HTV'nin doğrudan ölçümü birçok sorun teşkil eder. İlgili uluslararası standartlar4,5, elin koordinat sistemi, ivmeölçerlerin konumu ve montajı, ölçüm süresi, kablo konektörü sorunları vb. Bununla birlikte, standartlar kavrama kuvveti, el ve kolun duruşu, bireysel faktörler vb. Bu faktörler, çok çeşitli titreşim uyarımları ve test koşulları 6,7 ,8,9,10,11,12,13, altında kapsamlı bir şekilde incelenmiştir, ancak farklı araştırmacıların sonuçları iyi bir anlaşma içinde değildir. Bu faktörlerin birçoğunun standart yöntemlere dahil edildiği yeterince anlaşılamamıştır. Bu kısıtlama kısmen insan el-kol sisteminin karmaşıklıklarına, test koşullarına ve kullanılan deneysel ve ölçüm tekniklerindeki farklılıklara atfedilebilir.
Ayrıca, HTV'nin önceki ölçümlerinin çoğu idealize titreşim uyarımları, kavrama kuvveti ve postural koşullarla dikkatlice kontrol edilen koşullar altında gerçekleştirildi. Bu ölçümlerin bulguları ve deneysel prosedürleri, bu nedenle, el traktörlerinin çalışma koşulları gibi gerçek dünya koşullarını gerçekten çoğaltmayabilir. Ayrıca, el traktörlerinin HTV'lerini saha ölçümleriyle incelemek için sadece sınırlı çaba sarf edilmiştir. Bu ölçümler, traktörün taşıma koşulları1veya bir tazyilmiş alanda çapalama ve farklı motor hızlarına sahip batık bir alanda puddling koşulları altında tüm vücut titreşimini ölçmek için operatörün bileğine, koluna, göğsüne ve kafasına bağlı ivmeölçerler kullanılarakgerçekleştirildi 14. HTV7,8'in önemli bir faktörü olabilecek kavrama kuvvetinin etkisi izole edilmedi. Bu nedenle bu yöntemler, operatörün zorlu çevre koşullarına atfedilen tarım sırasındaki çeşitli zorunlu duruşları nedeniyle standartlaştırılmış ölçüm prosedürleri olarak uygun değildir.
Mevcut araştırma, el traktörlerinin sabit modda HTV ölçümü için güvenilir ve tekrarlanabilir prosedürlerin oluşturulmasına katkıda bulunmak için yapılmıştır. Şekil 1 deneysel tasarımın şematik diyagramını sunar. Çin'de üretilen ve Çinli çiftçiler tarafından yaygın olarak kullanılan bir el traktörü istihdam edildi ve çalışma için on araştırma çalışanı denek olarak seçildi. Titreşimi ölçmek için traktör-el-kol sistemine bağlı yedi hafif piezoelektrik ivmeölçer kullanıldı. Bir takometre ve iki ince film basınç sensörü, test sırasında motor hızını ve kavrama kuvvetini izledi. Deneklerin, titreşim özelliklerini çeşitli çalışma modlarında elde etmek için el traktörü belirli motor hızlarında ve belirtilen kavrama kuvvetleriyle sırayla çalıştırmaları gerekiyordu. Bu makale, kavrama kuvveti ve titreşim frekansındaki değişikliklerin benzersiz bir şekilde göz önünde bulundurulmasıyla traktör-el-kol sisteminin HTV ölçümü için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tüm prosedürler Chongqing Teknoloji Üniversitesi Etik Kurulu tarafından onaylanmıştır ve her konu bu çalışmaya katılmadan önce yazılı bilgilendirilmiş onay sağlamıştır.
1. El traktörü hazırlığı
- El traktörün tam bir yakıt tankı ile, cıvata gevşekliği olmadan ve anormal titreşime neden olacak diğer mekanik kusurlar olmadan uygun test koşullarına tabi tutulmasını sağlayın.
NOT: Bu deneyde kullanılan el traktörün özellikleri Tablo 1'de verilmiştir. - El traktörünü kuru, sağlam ve düz zemin yüzeyine sahip bir test alanına yerleştirin.
NOT: Bu deney kapalı bir laboratuvarda yapıldıysa, egzoz gazının el traktöründen herhangi bir şekilde zararlı etkilerini önlemek için laboratuvar iyi havalandırılmalıdır. - Deney sırasında motor hızını bir hız göstergesi ile rahatça kalibre etmek için motor kasnaklarının toz kapağını çıkarın.
- Sapların elastomerik malzemelerini ISO 5349-2 standart5'egöre çıkarın.
2. Konu hazırlığı
- Tüm deneklerin fiziksel rahatsızlık olmadan sağlıklı olduğundan ve 18 yaşın üzerinde olduğundan emin olun3. Her konuyu çalışma amaçları ve test prosedürleri hakkında bilgilendirin. Tüm konulardan yazılı bilgilendirilmiş onay alın.
- Aşağıdaki hastalıklara sahip denekler hariç: primer Raynaud hastalığı veya ikincil Raynaud fenomeni, ellere kan dolaşımının bozulması, kemik ve eklemlerin deformitesi, periferik sinir sistemi bozuklukları veya kas-iskelet sistemi3.
- Deneklerden kolsuz veya kısa kollu kıyafetler giymelerini ve saatleri, bilezikleri, yüzükleri vb.
- Her bir konuyu çalışma sırasında el traktörün vites değiştirme koluna dokunmaması konusunda uyarın. El traktörü çalışırken her bir konuyu motor kasnaklarından uzak durması konusunda uyarın.
- El traktörü üzerinde hız düzenleme eğitimi ile deneklere sağlayın. Her bir konuyu, denemenin sonunda motor anahtarı düğmesine basarak motoru kapatması için bilgilendirin.
NOT: Genellikle motor hız regülasyonu sağ kolun üzerinde bulunan gaz anahtarı ile kontrol edilir ve denekler gaz anahtarını sağ elleriyle sola (hız düşüşü) veya sağa (hız artışı) çevirerek motor hızını düzenlemek üzere eğitilir. - Her konuya el traktörün nasıl çalıştırılacağını ve motor hızının 1500 rpm'den 3500 rpm'ye nasıl düzenleneceği konusunda talimat ver.
- Her bir öznenin vücut boyutlarını ölçün (ayakta durma yüksekliği, kütle, kol uzunluğu, üst kol uzunluğu, el uzunluğu).
NOT: Tablo 2 bu deneyde on sağlıklı deneğin fiziksel özelliklerini özetlemektedir. - İvici ölçer adaptörlerini Şekil 2'debelirtilen konumlarda her konunun eline ve koluna sıkıca sarın.
NOT: Her adaptör, sert ve hafif bir ataşman sağlamak için bir naylon kayış ve galvanizli demir levhanın bir parçası (0,3 mm) kullanılarak imal edildi.
3. Ölçüm sistemi kurulumu
- Hızlanma ölçüm sistemi kurulumu
NOT: Mevcut adımlar, titreşim ivme sinyallerini el traktörü sapından ve operatörün el-kol sisteminin altı yerinden toplamayı amaçlamaktadır. Önerilen yaklaşım, yedi ivmeölçer, üç veri toplama kartı, bir DAQ kasası, bir dizüstü bilgisayar ve bazı ilişkili kablolardan oluşan kompakt bir Veri Toplama (DAQ) sistemi kullanmaktadır (Şekil 3). İlgili uygulama için uygun özelliklere sahip diğer DAQ sistemleri de benzer şekilde uygulanabilir.- Bir ölçüm başlatmadan önce, ölçüm sisteminin tüm bileşenlerini toplayın (ivmeölçerler, veri toplama sistemi, ince film basınç algılama sistemi, takometre, dijital goniometre ve diğer ilgili bileşenler).
- Hızlanma ölçüm sistemini kurmak için ivmeölçer kablolarını kullanarak ivmeölçerleri veri toplama kartlarına bağlayın. Ethernet kablosu kullanarak kasayı bilgisayara bağlayın.
NOT: Bu deneyde manyetik montaj tabanı ile sabitlenmiş iki üç eksenli ivmeölçer ve beş tek eksenli ivmeölçer kullanılmıştır. - Bir tri-eksenel ivmeölçer el traktörün sol koluna takın ve diğerini de konunun elinin ivmeölçer adaptörüne takın. Deneğin kolunun ve omzunun ivmeölçer adaptörlerine tek eksenli ivmeölçerleri tek tek takın.
NOT: İviciometrelerin konumları Şekil 1'degösterildiği gibidir. El traktörün sol kolundaki üç eksenli ivmeölçerin konum seçimi operatörün sol eline mümkün olduğunca yakın olmalıdır. - Eldeki üç eksenli ivmeölçerlerin yönünü, el-kol titreşiminin ölçümü içintemel koordinat sistemiyle tutarlı olacak şekilde ayarlayın ISO 5349-1 standart4'ebakın. Yapışkan bant kullanarak, ivmeölçer kablolarını öznenin kolunun ve traktörün gidonunun cilt yüzeyine sabitleyin.
- Kavrama kuvveti ölçüm kurulumu
NOT:15,16 ince film basınç algılama sistemi, iki dirençli basınca duyarlı sensör, tek çipli bir denetleyici ve bir LED ekran ile tasarlanmıştır ve Şekil 5'tegösterildiği gibi ölçümden önce kalibre edildi.- Çift taraflı yapışkan bant kullanarak sapın orta ekseninin etrafındaki karşı taraflara simetrik olarak iki ince film sensörü takın.
- Algılama sisteminin ekranını uygun bir yüksekliğe yerleştirin, böylece konu el traktörün çalışması sırasında kavrama kuvvetini belirtilen seviyeye kadar izleyebilir ve ayarlayabilir.
- Motor hızı ölçüm kurulumu
NOT: Motor hızı, kullanılan el traktörü motorunun pervanesinin dakika başına devirlerini (RPM) ifade eder, bu da motor kasnaklarının RPM'sine eşittir. Çalışma sırasında motor hızını kalibre etmek ve izlemek için bir lazer takometre kullanıldı.- Lazer takometre ölçümü için motor kasnak yüzeyine bir parça retroreflektif bant (yaklaşık 10 × 10 mm) takın.
- Takometreyi uygun bir yüksekliğe ve retroreflektif banta dik olarak yerleştirin.
- Duruş ölçümü
- Özneye tutamacı yatay bir konuma tutmasını ve yükseltmesini söyleyin. Dijital bir goniometre kullanarak konunun el ve kol duruşunu ölçün.
NOT: El traktörü çalışması sırasında el ve kol duruşunu tanımlamak için kullanılan17 beş açı Şekil 6'dagösterilmiştir. Bu deneyde ölçülen deneklerin duruş açıları Tablo 2'de sunulmuştur. - Deneklerden duruşmanın sonuna kadar duruşunu korumasını isteyin.
- Özneye tutamacı yatay bir konuma tutmasını ve yükseltmesini söyleyin. Dijital bir goniometre kullanarak konunun el ve kol duruşunu ölçün.
4. Deney ve veri toplama
- El traktörü nötr olarak çalıştırın ve stabilize olana kadar yaklaşık 30 sn boyunca düşük motor hızında (yaklaşık 1500 rpm) çalışmaya devam edin.
- Sırasıyla takometreyi, ince film basınç algılama cihazını, dizüstü bilgisayarı ve hızlandırma veri toplama sistemini açın.
- DAQ yazılımını açın ve her konu için yeni bir dosya oluşturun. Veri toplama için hızlandırma, alma modu ve örnekleme hızı parametrelerini ayarlayın.
NOT: HTV'nin doğru karakterizasyonunu elde etmek için örnekleme oranı 1500 Hz'den az olmamalıdır. Bu çalışmada örnekleme oranı 1650 Hz olarak belirlenmiştir. Veri toplama için daha yüksek bir örnekleme oranı kullanıldıysa, 1500 Hz'de kesme frekansı olan düşük geçişli bir filtrenin, alakasız yüksek frekans katkıları gibi gürültü etkilerini kaldırması tavsiye edildi. - Çalıştır'ı tıklatın ve sistem stabilize olana kadar yaklaşık 10 s bekleyin. Ardından, hızlandırma verilerini kaydetmeye başlamak için Kaydet'i tıklatın.
- Motor hızının ve kavrama kuvvetinin ayarlanmasında
NOT: Şekil 7'degösterildiği gibi, bu deney her deneme sırasında üç motor hızı (1500, 2500 ve 3500 rpm) ve üç kavrama kuvveti (20, 30 ve 40 N) seviyesinde gerçeklenmiştir. Her deneğin HTV testinin yaklaşık süresi 6 dk'dır.- Deneklerden takometreyi izlemesini ve motor hızını stabilize olana kadar 1500 rpm'ye ayarlamasını isteyin.
- İnce film basınç algılama sisteminden görüntülenen kuvvet sinyallerine bakarak konuya kavrama kuvvetini 20 N'ye dikkatlice ayarlamasını söyleyin ve bu kavrama kuvveti seviyesini yaklaşık 30 sn boyunca tutun.
NOT: Kavrama kuvvetinin ayarlanmasında, el ile el traktörü gidon arasındaki basıncın artması veya azalması anlamına gelmektedir. Denekler gidonu daha sıkı veya hafif tutarak kavrama kuvvetinin ayarını yapmalıdır. - Kavrama kuvvetini 30 N'ye ayarlayın ve yaklaşık 30 sn tutun. Ardından, kavrama kuvvetini 40 N'ye ayarlayın ve yaklaşık 30 sn tutun.
- Motor hızını 2500 rpm'ye ayarlayın ve 4.5.2 ve 4.5.3 adımlarını yineleyin.
- Motor hızını 3500 rpm'ye ayarlayın ve 4.5.2 ve 4.5.3 adımlarını yineleyin.
- Deneklerden gaz pedalını en düşük motor hızına çevirmesini isteyin. Kolu bırak ve el traktörün motorını kapat.
- Verileri kaydedin ve DAQ sistemini kapatın. İviciometreleri çıkarın ve bir sonraki konuya yerleştirin.
- Tüm konuların veri koleksiyonlarının sonuna kadar 4,3 ile 4,7 arasında olan adımları yineleyin.
- Daha fazla analiz için ivme zaman serisi verilerini dışa aktar.
5. Veri işleme ve analiz
- Kaydedilen titreşim süresi etki alanı sinyallerini MATLAB yazılımına aktarın. El traktörünün çalışması sırasında titreşime maruz kalmayı temsil eden el traktörünün sapının titreşim ivmesinin kök-ortalama kare (RMS) değerlerini Denklem (1) ile hesaplayın:
(1)
burada RMS, her1/3.oktav bandı için hesaplanan titreşim ivmesinin RMS'si (m/s2), a(t) ölçülen titreşim ivmesi genliği (m/s 2) ve T ölçülen titreşim ivmesinin (ler) süresidir.
NOT: ISO 5349-1 standardında, operatörün eline iletilen titreşimlerin büyüklüğünü temsil etmek için RMS ivmesinin kullanılması önemlidir. - Denklem (1) kullanarak her konunun elde, bilekte, kolda ve omuzda titreşim ivmesinin RMS değerlerini hesaplayın. Denklem (2) 1,14kullanarak titreşim aktarilebilirliğini (TR) hesaplayın:
(2)
burada, birin HTV için tutamak titreşimidir ve birçıkış, konunun el-kol sisteminin altı konumundaki ilgili titreşimdir (bkz. Şekil 2).
NOT: ISO 5349-1'e göre, faktörler (kavrama kuvveti ve titreşim frekansı hariç) elle iletilen titreşim ölçümünün sonuçlarını etkileyebilir: operatörün becerisi, vücut duruşu, iklim koşulları, gürültü vb. Bu rastgele faktörleri azaltmak için, bu çalışmadaki on deneğin tüm ölçüm yerlerinin TR değerleri ortalama alındı. - Giriş titreşimini incelemek için MATLAB programını kullanarak hızlı Fourier dönüştürme (FFT) algoritması ile tutamacın zaman etki alanı sinyallerini frekans etki alanı sinyallerine dönüştürün.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deney, laboratuvarda (hava sıcaklığı 22,0 °C ± 1,5 °C) on sağlıklı denek üzerinde(Tablo 2)sabit bir durumda bir el traktörün çalışması sırasında gerçekleştirildi.
Protokolün ardından el traktörün sapının yanı sıra elin arkası, bilek, kol ve her konunun omzundan titreşim ivmesi verileri toplandı. Sapta meydana gelen titreşim ivmesinin spektrumu (ele giriş) elde edildi. Şekil 8, belirli bir süre boyunca 3500 rpm motor hızı düzeyinde tutamaçta zaman etki alanı ve RMS frekans etki alanı ivmelerinin örneklerini görüntüler. Titreşim ivmesinin Yekseni boyunca en yüksek ve Xekseni boyunca en düşük olduğu açıktır. X ve Z yönlerinin maksimum ivmeleri 58 Hz frekansta meydana geldi (motorun 3500 rpm dönme hızına karşılık gelen çalışma frekansı). Titreşim enerjisinin çoğunun 50 ila 200 Hz frekans aralığında merkezi olduğu bulunmuştur. Aynı analitik işlemle, titreşim genliği, tepe, baskın frekans vb.
Kavrama kuvvetinin ve motor hızının el-kol sisteminin titreşim tepkisi üzerindeki etkileri de incelendi. Şekil 9'dagösterildiği gibi, kavrama kuvvetindeki artışın titreşim ivmesini özellikle 20 ila 100 Hz arasındaki frekanslarda artırdığı ve kavrama kuvvetinin artmasıyla üç rezonans frekansının (20, 40 ve 80 Hz) neredeyse doğrusal olarak arttığı görülmüştür. Bu, temas sertliğinin ve eklem sertliğinin artmasına atfedilir18,19. Bu bulgular kavrama kuvvetinin sunulan ölçüm ve ayarlama yöntemlerinin HTV ölçümüne etkili bir şekilde uygulanabileceğini göstermektedir.
Şekil 10'dagösterildiği gibi, bu deney giriş frekansının HTV üzerindeki etkisini üç seviyede (1500, 2500 ve 3500 rpm) motor hızı ayarı yoluyla inceledi. Elin arkası konumunda (Şekil 10A), daha düşük motor hızlarına kıyasla 3500 rpm'de daha yüksek bir hızlanma değeri elde edildi. Buna karşılık, üst kol ve omuzda (Şekil 10D, Eve F), tepe ivmesi 1500 rpm'de meydana geldi. Hem konumların hem de heyecan verici frekansların kapsamlı karşılaştırması sayesinde, daha düşük frekansların el-kol sisteminde nispeten başıboş iletildiği sonucuna varmak mantıklıdır, zayıflama ise daha yüksek frekanslar için oldukça belirgindir. Böylece titreşim enerjisinin çoğu elde ve koltukta dağıldı.
Şekil 11, motor hızı 2500 rpm ve kavrama kuvveti 30 N olan on deneğin el, kol, üst kol ve omuz arkasına ortalama aktarilebilirliği sunar. Titreşim kaynağından uzaklık arttıkça el-kol sisteminin farklı kısımlarına aktarılabilenliğin azaldığı tespit edildi. En yüksek aktarılmazlık, 80 Hz civarında 5,1 pik değeri ile elin arkasında (konum 1) gözlendi. Titreşimin amplifikasyonu, metcarpal20,21'dekicildin rezonansına bağlı olabilir. Önceki çalışmaların bulguları ile tutarlı22,23, bilek (konum 2) ve dirsek (konum 4) aktarabilirliğinin rezonans sıklığı yaklaşık 3.0 şiddetinde 20 Hz civarındaydı. Ayrıca omuz (konum 6) aktarilebilirlik zirvesi 10 Hz civarında 1.1 idi. Ayrıca sadece 25 Hz'den az titreşimlerin kol, üst kol ve omuza etkili bir şekilde iletildiği bulunmuştur. Bölüm 5.2'deki Denklem (2) ile ve aktarılırlık analitik sürecini takip ederek, farklı heyecan verici frekanslar ve değişen kavrama kuvveti ile aktarılabilirlik üzerindeki etkilerin incelenmesi mümkündür ve çiftçiler için makul bir el traktörü çalıştırma önerisi yapılabilir.
| Motor modeli ve türü | JUWEI FC 170, benzinli, tek silindirli, dört zamanlı, OHV, zorla hava soğutmalı |
| Süpürülmüş ses düzeyi, cc | 208 |
| Nominal güç, kW | 3600 rpm'de 4,0 kW |
| Maksimum Tork, Nm/rpm | 12/2500 |
| Hız sayısı | 2 ileri, 1 geri |
| Başlangıç modu | Geri tepme başlangıcı (çekme başlangıcı) |
| Motorun kuru ağırlığı, kg | 19 |
| Tam yakıt deposu, radyatör ve yağlama yağları ile el traktörü ağırlığı, kg | 72 |
| Lastik tipi | Lastik tekerlek |
| Lastik boyutu (pnömatik), mm | 155×330 (350-6) |
Tablo 1. El traktörün özellikleri.
| Boyutlar ve Duruşlar | asgari | maksimum | demek | Sd |
| Yaş, yıllar | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Ağırlık, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Boy, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Forearm el uzunluğu, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Üst kol uzunluğu, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| El uzunluğu, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Omuz yatay kaçırma (α), derece | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Omuz dikey kaçırma (β) , derece | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Dirsek uzatma (γ) , derece | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Bilek uzatma (φ) , derece | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Bilek sapması (ω) , derece | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Tablo 2. Konu fiziksel özellikleri.
Şekil 1. Deneysel protokol ve veri toplama kuruldu. Bu örnek, bir konunun vücut boyutlarının ölçümü, 6 ivmeölçer adaptörünün takılması, el traktörün çalışma duruşu ve hızlanma, kavrama kuvveti ve motor hızı için ayarlanan veri toplama için tek bir denemeyi (sağdan sola) tasvir eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. İvicimetre adaptörlerinin konumları. 6 ivmeölçer adaptörü, el arkası, kolun distal ucu, kolun proksimal ucu, üst kolun distal ucu, üst kolun proksimal ucu ve el-kol sistemi boyunca akromyon yerlerine sarıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. Titreşim ölçüm enstrümantasyonu. İvmeölçerler, veri toplama sistemi, ince film basınç algılama sistemi, takometre, dijital goniometre ve diğer ilgili bileşenler (bilgisayar, ivmeölçer adaptörleri, kablolar, mezura, termometre) dahil olmak üzere ölçüm sisteminin bileşenleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. El-kol titreşim ölçümü için temel koordinat sistemi. Xekseni kavramanın boyuna eksenine paralel olarak tanımlanır. Yekseni, elin üçüncü metakarpus kemiği boyunca yönlendirilir. Zekseni avuç içi yüzey alanına diktir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. İnce film basınç algılama sistemi. Bu sistem iki ince film sensörü, tek çipli bir kontrol cihazı ve gerçek zamanlı kavrama kuvvetini göstermek için bir LED ekrandan oluşur. Test verileri, seri iletişim tarafından bir bilgisayara da aktarılabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6. El ve kol duruşunu tanımlamak için kullanılan beş açı. α omuz yatay kaçırmayı tanımlar β omuz dikey kaçırılmasını tanımlar, dirsek uzantısını γ tanımlar, bilek uzantısını karakterize eder ve ω bilek sapması tanımlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7. Deney sırasında motor hızının ve kavrama kuvvetinin ayarlanmasında. Mavi çubuklar 20, 30 ve 40 N'lik farklı kavrama kuvvetlerini temsil eder. Kırmızı çizgiler, motor hızının 1500, 2500 ila 3500 rpm arasında ayarını gösterir. Bu nedenle, 1500 rpm, 20 N ila 3500 rpm, 40 N arasında 9 test vakası vardır. Her test çalışması süresi yaklaşık 30 s'dir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8. 3500 rpm motor hızında tutamak üzerindeki hızlanmaların zaman etki alanı dalgası ve genlik spektrumunun örnekleri. (A) Zaman etki alanı dalgası ve (B) X yönünde genlik spektrumları; (C) zaman etki alanı dalgası ve (D) Y yönünde genlik spektrumları; (E) zaman etki alanı dalgası ve (F) Z yönünde genlik spektrumları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9. Kavrama kuvveti ile RMS titreşim ivmesi arasındaki ortalama ilişki, on denekteki el-kol sisteminin altı yerinde ölçülür: (A) elin arkası; (B) forearın distal ucu; (C) kol ucunun proksimal ucu; (D) üst kolun distal ucu; (E) üst kolun proksimal ucu; (F) acromion. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10. On deneklik el-kol sisteminin altı yerinde ölçülen motor hızı (frekans) ve RMS titreşim ivmesi arasındaki ortalama ilişki: (A) elin arkası; (B) forearın distal ucu; (C) kol ucunun proksimal ucu; (D) üst kolun distal ucu; (E) üst kolun proksimal ucu; (F) acromion. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11. 2500 rpm motor hızında ve 30 N kavrama gücünde el-kol sisteminin farklı yerlerinde 1/3. oktav bandında titreşim aktarilebilirliği. 6 eğri, göstergede gösterildiği gibi, elin arkasından (konum 1) acromion'a (konum 6) kadar TR değerlerini temsil eder. Kesikli çizgi, titreşim amplifikasyonu (bu çizginin üzerinde) ve titreşim zayıflamasının (bu çizginin altında) bölünen bir çizgisidir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışmada sunulan protokolHTVstandartları 4 , 5,24temel alınarak oluşturulmuş ve sabit durumda bir el traktörü çalışması sırasında insan el-kol sisteminin HTV ölçümü için standart adımlar olarak geliştirilmiştir. Bu durum, gerçekten ele ve kola iletilen titreşimin güvenilir bir şekilde ölçülmesine yardımcı olmak için el traktörün en kararlı durumudur. Motor hızı ve kavrama kuvvetinin ayarlanmasından geçerek testi gerçekleştirmek için düşünülen değişkenlerin aralığı, el traktörün normal ve güvenli çalışma aralığını kapsar. El-kol sisteminin karmaşıklığı göz önüne alındığında, bu protokolden elde edilen deneysel sonuçların, titreşim kaynakları 25 , titreşim aktarımı1,26ve el traktörlerinin çalışması sırasında el-kol sisteminin tepkisini etkileyen temel faktörler8,27 ile ilgili makalelerde bildirilen verilerle iyi bir şekilde kabul ettiği bulunmuştur.
Sonuçlar, protokol içindeki bu kurulumun bazı kritik bileşenlerine bağlıdır. İlk olarak, ivmeölçerin ağırlığı el-kol sisteminin titreşiminin büyüklüğünü etkilediğinden20, ivmeölçer ve adaptörün toplam ağırlığı ölçüm hatalarını azaltmak için mümkün olduğunca hafif olmalıdır. İkinci olarak, ölçüm noktası ile ivmeölçer arasında göreceli bir hareketi önlemek için her ivmeölçer adaptörü el-kol sistemine sıkıca sabitlenmelidir. Üçüncü olarak, çalışma duruşunun etkisini azaltmak için her konunun test denemesi kesintisiz olarak tamamlanmalıdır.
Bu çalışmanın temel sınırlaması, el-kol sistemine titreşim geçirgenliğinin kol ve omuz yerlerinde tek eksenli ivmeölçerlerin kullanılması nedeniyle sadece Zekseni yönünde ölçülmesi ve analiz edilmiş olmasıdır. Test sırasında kavrama kuvvetini ölçmek için esnek ve ince film sensörleri kullanılsa da, kesme yönü boyunca daha fazla ölçüm çabalarının, mevcut çalışmanın başka bir sınırlamasını temsil eden HTV'nin karakterizasyonu ve değerlendirmesi hakkında önemli bilgiler sağlaması beklenmektedir. Ayrıca, operatörlerin vücut büyüklüğü, vücut duruşu ve el ve kol boyutları gibi içsel faktörleri HTV'yi etkiler. Sonraki bir adım olarak, sunulan protokol kullanılarak bu faktörleri incelemek için daha fazla veri toplanacaktır.
Bu protokol, el traktörü-el-kol sisteminin titreşim iletim özelliklerinin anlaşılması için yardımcı olacaktır. Önerilen metodolojinin ana potansiyel uygulamaları, insan-traktör etkileşimi olaylarının tahmini, el traktörlerinin ergonomi gelişimi ve izolatörler ve eldivenler gibi koruyucu cihazların geliştirilmesidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Chongqing, Çin Doğa Bilimleri Vakfı (cstc2019jcyj-msxmX0046), Çin Chongqing Eğitim Komisyonu (KJQN202001127) projesi ve Banan Bölge Bilim ve Teknoloji Komisyonu, Chongqing, Çin (2020TJZ010) projesi tarafından desteklendi. Yazarlar, prof. Yan Yang'a test alanını sağladığı için teşekkür eder. Ayrıca Dr. Jingshu Wang ve Dr. Jinghua Ma'ya titreşim ölçüm enstrümantasyonunu kullanma rehberliği için minnettarız. Deneyler sırasındaki gönül işbirliği için de deneklere teşekkür ederiz.
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).
