Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Måling af håndafført vibrationer i det menneskelige håndarmsystem under drift af en håndtraktor

Published: June 16, 2021 doi: 10.3791/62508
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3Mechanical and Manufacturing Engineering, Miami University

Summary

Her præsenterer vi en standardiseret metode til måling af håndafførte vibrationer fra håndtag på en enkeltakslet traktor med særlig henvisning til ændringer i grebskraft og vibrationsfrekvens.

Abstract

Operatører af håndtraktorer udsættes for høje niveauer af håndstyrede vibrationer (HTV). Denne vibration, som kan være både irriterende og farlig for menneskers sundhed, formidles til operatøren via hans eller hendes hænder og arme. Der er dog endnu ikke fastlagt en standardiseret metode til måling af HTV for håndtraktorer. Formålet med undersøgelsen var at præsentere en eksperimentel metode til undersøgelse af hånd-arm-systemets biodynamiske respons- og vibrationstransalitet under drift af en håndtraktor i stationær tilstand. Målinger blev udført med ti forsøgspersoner ved hjælp af tre grebskræfter og tre håndtagsvibrationsniveauer for at undersøge håndtrykkets og frekvensens påvirkninger på håndafførte vibrationer (HTV). Resultaterne viser, at tætheden af greb på håndtaget påvirker hånd-arm-systemets vibrationsrespons, især ved frekvenser mellem 20 og 100 Hz. Transmissionen af lavere frekvenser i hånd-arm-systemet var relativt uopmærksom. Til sammenligning viste det sig, at aftænding var ret markant for højere frekvenser under håndtraktorens drift. Vibrationstransmissibiliteten til forskellige dele af hånd-arm-systemet faldt med stigningen i afstanden fra vibrationskilden. Den foreslåede metode bidrager til indsamling af konsistente data til vurdering af operatørens vibrationseksponering og ergonomiudviklingen af håndtraktorer.

Introduction

Håndtraktorer, også kendt som kraftfræsere, anvendes i vid udstrækning i udviklingslandene til jordforberedelse af små marker. En håndtraktors feltdrift indebærer, at man går bag maskinen og holder sine håndtag for at styre dens bevægelse. Operatørerne af håndtraktorer udsættes for høje vibrationsniveauer, som kan tilskrives den lille encylindrede motor og mangel på affjedringssystem for håndtraktorer1. Hånd-arm vibrationssyndromet (HAVS)2 kan være forårsaget af lang periode udholdenhed fra vibrationer, navngivne hånd transmitteret vibration (HTV), som genereres af hånden traktor og modtages af operatørens hænder. For at vurdere de sundhedsrisici, der er forbundet med operatørernes udsættelse for håndtraktorers HTV, er det nødvendigt at fastlægge en metode til måling af hånd-arm-systemets vibrationsrespons.

Hånd-arm-systemet er sammensat af knogler, muskler, væv, vener og arterier, sener og hud3, og den direkte måling af HTV udgør mange problemer. De relevante internationale standarder4,5 indeholder retningslinjer for måling af vibrationernes alvorlighed i umiddelbar nærhed af hånden, herunder koordinatsystemet for hånden, placering og montering af accelerometre, målevarighed, kabelstikproblemer osv. Standarderne tager dog ikke højde for iboende variabler, såsom grebskraften, hånd- og armstillingen, individuelle faktorer osv.. Disse faktorer er blevet undersøgt grundigt under en lang række vibrationsudsendelser og testbetingelser 6 ,7,8,9,10,11,12,13, men resultaterne fra forskellige efterforskere er ikke i god overensstemmelse. Mange af disse faktorer er ikke blevet tilstrækkeligt forstået til at blive indarbejdet i standardmetoder. Denne begrænsning skyldes til dels kompleksiteten i det menneskelige hånd-arm-system, testbetingelserne og forskellene i de anvendte forsøgs- og måleteknikker.

Desuden blev de fleste af de tidligere målinger af HTV udført under omhyggeligt kontrollerede forhold med idealiserede vibrationsudsendelser, grebskraft og posturale forhold. Resultaterne og de eksperimentelle procedurer for disse målinger kan derfor ikke rigtig gentage den virkelige verden, såsom driftsbetingelserne for håndtraktorer. Desuden er der kun gjort en begrænset indsats for at undersøge HTV for håndtraktorer med feltmålinger. Disse målinger blev udført ved hjælp af accelerometre fastgjort til operatørens håndled, arm, bryst og hoved for at måle helkropsvibrationen under traktorens transportforhold1eller under betingelserne for at vippe i et flisebelagt felt og puddling i et nedsænket felt med forskellige niveauer af motorhastigheder14. Effekten af greb kraft, som kunne være en afgørende faktor for HTV7,8, var ikke isoleret. Disse metoder er derfor uegnede som standardiserede måleprocedurer på grund af operatørens forskellige tvungne arbejdsstillinger under landbruget tilskrives de barske miljøforhold.

Den nuværende forskning blev udført for at bidrage til etableringen af pålidelige og repeterbare procedurer for HTV-måling af håndtraktorer i stationær tilstand. Figur 1 viser det skematiske diagram over forsøgsdesignet. En håndtraktor fremstillet i Kina og almindeligt anvendt af kinesiske landmænd blev ansat, og ti forskere blev valgt som emner for undersøgelsen. Syv lette piezoelektriske accelerometre, der var fastgjort til traktor-hånd-arm-systemet, blev brugt til at måle vibrationerne. Et omdrejningstæller og to tyndfilmstryksensorer overvågede motorens hastighed og grebskraft under testen. Forsøgspersonerne var forpligtet til sekventielt at betjene håndtraktoren ved bestemte motorhastigheder og med specificerede grebskræfter for at opnå vibrationsegenskaberne i forskellige driftstilstande. Dette manuskript giver en detaljeret protokol for HTV-måling af traktor-hånd-arm-systemet med unik overvejelse af ændringer i grebskraft og vibrationsfrekvens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt af Den Etiske Komité for Chongqing University of Technology, og hvert emne gav skriftligt informeret samtykke forud for deltagelse i denne undersøgelse.

1. Forberedelse af håndtraktorer

  1. Sørg for, at håndtraktoren udsættes for ordentlige testbetingelser med en fuld brændstoftank, uden boltes løshed og uden andre mekaniske fejl, der ville resultere i unormale vibrationer.
    BEMÆRK: Specifikationerne for den håndtraktor, der anvendes i dette forsøg, er anført i tabel 1.
  2. Placer håndtraktoren på et prøvested med en tør, fast og jævn jordoverflade.
    BEMÆRK: Hvis dette forsøg blev udført i et indendørs laboratorium, skal laboratoriet være godt ventileret for at forhindre skadelige virkninger af udstødningsgassen fra håndtraktoren.
  3. Fjern motorens remskives støvdæksel for nemt at kalibrere motorhastigheden med et speedometer under eksperimentet.
  4. De elastomeriske materialer i håndtagene fjernes i henhold til ISO 5349-2-standard5.

2. Forberedelse af forsøgspersoner

  1. Sørg for, at alle forsøgspersoner er sunde uden fysisk lidelse og er over 18 år3. Informer hvert om undersøgelsens mål og testprocedurer. Få skriftligt informeret samtykke fra alle.
    1. Udelukke forsøgspersoner med følgende sygdomme: primær Raynauds sygdom eller sekundære Raynauds fænomen, svækkelse af blodcirkulationen til hænderne, deformitet af knogler og led, lidelser i det perifere nervesystem eller bevægeapparatet3.
  2. Bed forsøgspersonerne om at bære ærmeløst eller kortærmet tøj og fjerne ure, armbånd, ringe osv.
  3. Advar hvert emne om ikke at røre ved håndtraktorens gearskiftehåndtag under drift. Advar hvert emne om at holde sig væk fra motorskiven, når håndtraktoren kører.
  4. Giv forsøgspersonerne hastighedsreguleringstræning på håndtraktoren. Informer hvert emne om at lukke motoren i slutningen af eksperimentet ved at trykke ned på motorkontaktknappen.
    BEMÆRK: Generelt styres motorhastighedsreguleringen af gashåndtaget, der er placeret på højre håndtag, og emnerne trænes til at regulere motorens hastighed ved at dreje gaskontakten til venstre (hastighedsreduktion) eller til højre (hastighedsforøgelse) med deres højre hænder.
  5. Instruer hvert emne, hvordan håndtraktoren betjenes, og hvordan motorhastigheden reguleres fra 1500 omdrejninger i minuttet til 3500 omdrejninger i minuttet.
  6. Mål hvert emnes kropsdimensioner (stående højde, masse, underarmslængde, overarmslængde, håndlængde).
    BEMÆRK: Tabel 2 opsummerer de fysiske egenskaber ved ti raske forsøgspersoner i dette eksperiment.
  7. Accelerometeradapterne ombrydes tæt på hvert emnes hånd og arm på de steder, der er angivet i figur 2.
    BEMÆRK: Hver adapter er fremstillet ved hjælp af en nylonrem og et stykke af det galvaniserede jernplade (0,3 mm) for at give en stiv og let fastgørelse.

3. Opsætning af målesystem

  1. Opsætning af accelerationsmålingssystem
    BEMÆRK: De nuværende trin har til formål at indsamle vibrationsaccelerationssignalerne fra håndtraktorens håndtag og seks steder i operatørens håndarmssystem. Den foreslåede fremgangsmåde anvender et kompakt DAQ-system (Data Acquisition), der består af syv accelerometre, tre dataindsamlingskort, et DAQ-kabinet, en bærbar computer og nogle tilhørende kabler (figur 3). Andre typer DAQ-systemer med korrekte egenskaber for den involverede applikation kan anvendes på samme måde.
    1. Før du påbegynder en måling, skal du samle alle komponenterne i målesystemet (accelerometre, dataindsamlingssystem, tyndfilmstryksensorsystem, omdrivet, digitalt goniometer og andre relevante komponenter).
    2. Hvis du vil konfigurere accelerationsmålingssystemet, skal du forbinde accelerometeret med dataopsamlingskortene ved hjælp af accelerometerkablerne. kabinettet til computeren ved hjælp af et Ethernet-kabel.
      BEMÆRK: To triaksiale accelerometre og fem enkeltaksede accelerometre fastgjort med magnetisk monteringsbase blev anvendt i dette eksperiment.
    3. Fastgør et triaksialt accelerometer på venstre håndtag på håndtraktoren, og fastgør det andet på accelerometeradapteren på motivets hånd. Fastgør accelerometre med en enkelt akse, en efter en, på accelerometeradapterne på motivets arm og skulder.
      BEMÆRK: Accelerometrenes placering er som vist i figur 1. Placeringen af det triaksiale accelerometer på venstre håndtag på håndtraktoren skal være så tæt på operatørens venstre hånd som muligt.
    4. Retningen af de triaksiale accelerometre på hånden justeres, så den er i overensstemmelse med det grundlæggende koordinatsystem (figur 4) til måling af hånd-arm-vibrationer,jf. Brug klæbebånd til at fastgøre accelerometerkablerne på hudoverfladen på motivets arm og traktorens styr.
  2. Opsætning af måling af grebskraft
    BEMÆRK: Et tyndfilmstryksensorsystem15,16 er designet med to resistive trykfølsomme sensorer, en enkelt-chip controller og en LED-skærm, og blev kalibreret før måling, som vist i figur 5.
    1. Fastgør to tyndfilmssensorer symmetrisk på modsatte sider omkring håndtagets centrale akse ved hjælp af dobbeltsidet klæbebånd.
    2. Skærmen på sensorsystemet anbringes i en passende højde, så motivet kan overvåge og justere grebskraften til det angivne niveau under håndtraktorens drift.
  3. Opsætning af måling af motorhastighed
    BEMÆRK: Motorhastigheden henviser til omdrejninger pr. minut (RPM) for propellen på den brugte håndtraktormotor, hvilket svarer til motortrejlens RPM. En lasertakometer blev brugt til at kalibrere og overvåge motorens hastighed under drift.
    1. Fastgør et stykke refleksbånd (ca. 10 × 10 mm) til motorens remskiveoverflade til lasertakometermåling.
    2. Antælleren anbringes i en passende højde og vinkelret på refleksbåndet.
  4. Måling af kropsholdning
    1. Bed motivet om at holde og hæve håndtaget til vandret position. Mål motivets hånd- og armstilling ved hjælp af et digitalt goniometer.
      BEMÆRK: De fem vinkler17, der bruges til at beskrive hånd- og armstillingen under håndtraktorens drift, er vist i figur 6. Forsøgspersonernes kropsholdningsvinkler målt i dette eksperiment er vist i tabel 2.
    2. Bed forsøgspersonen om at opretholde kropsholdningen indtil forsøgets afslutning.

4. Eksperiment og dataindsamling

  1. Start håndtraktoren i frigear, og hold den kørende ved en lav motorhastighed (ca. 1500 omdrejninger i minuttet) i ca. 30 s, indtil den er stabiliseret.
  2. Tænd for henholdsvis omdrejningstælleren, den tynde filmtryksensor, den bærbare computer og accelerationsdataopsamlingssystemet.
  3. Åbn DAQ-softwaren, og opret en ny fil til hvert emne. Angiv parametrene for acceleration, anskaffelsestilstand og samplingfrekvens for dataindsamling.
    BEMÆRK: For at opnå en nøjagtig karakterisering af HTV'et bør prøveudtagningshastigheden være mindst 1500 Hz. I denne undersøgelse blev prøveudtagningsprocenten fastsat til 1650 Hz. Hvis der blev anvendt en højere prøveudtagningsprocent til dataindsamling, blev et lavpasfilter med en afskæringsfrekvens ved 1500 Hz rådet til at fjerne støjpåvirkningerne såsom de irrelevante højfrekvente bidrag.
  4. Klik på Kør, og vent ca. 10 s, indtil systemet er stabiliseret. Klik derefter på Optag for at begynde at registrere accelerationsdataene.
  5. Justering af motorens hastighed og grebskraft
    BEMÆRK: Som vist i figur 7blev dette eksperiment udført på tre niveauer af motorhastighed (1500, 2500 og 3500 omdrejninger) og tre niveauer af grebskraft (20, 30 og 40 N) under hvert forsøg. Den omtrentlige varighed af hvert emnes HTV-test er 6 min.
    1. Bed forsøgspersonen om at overvåge omdrejningstælleren og justere motorhastigheden til 1500 omdrejninger i minuttet, indtil den er stabiliseret.
    2. Sæt forsigtigt grebskraften på 20 N ved at se på de viste kraftsignaler fra det tynde filmtryksensorsystem, og hold dette grebskraftniveau i ca. 30 s.
      BEMÆRK: Justeringen af grebskraften angiver forøgelsen eller faldet i trykket mellem hånden og håndtraktorens styr. Forsøgspersonerne skal udføre justeringen af grebskraften ved at holde styret mere stramt eller let.
    3. Juster grebskraften til 30 N, og hold den på ca. 30 s. Juster derefter grebskraften til 40 N og hold omkring 30 s.
    4. Motorens omdrejningstal indstilles til 2500 omdrejninger i minuttet, og trin 4.5.2 og 4.5.3 gentages.
    5. Motorens omdrejningstal indstilles til 3500 omdrejninger i minuttet, og trin 4.5.2 og 4.5.3 gentages.
  6. Bed motivet om at dreje gashåndtagets kontakt til den laveste motorhastighed. Læg håndtaget fra dig, og luk motoren på håndtraktoren.
  7. Gem dataene, og luk DAQ-systemet. Fjern og placer accelerometrene på det næste emne.
  8. Gentag trin 4.3 til 4.7 indtil slutningen af dataindsamlingen for alle forsøgspersoner.
  9. Eksporter tidsseriedataene for acceleration til yderligere analyse.

5. Databehandling og -analyse

  1. Importer de registrerede vibrationstidsdomænesignaler til MATLAB-softwaren. De rod-middel-kvadratiske værdier (RMS) for vibrationsaccelerationen af håndtraktorens håndtag, som repræsenterer vibrationseksponeringen under håndtraktorens drift, beregnes med Ligningen (1):
    Equation 1 (1)
    hvor enRMS er RMS for vibrationsacceleration (m/s2),beregnet for hvert 1/3. oktavbånd, er a(t) den målte vibrationsaccelerationsacceleration (m/s2), og T er varigheden af den målte vibrationsacceleration (r).
    BEMÆRK: I ISO 5349-1-standard er det vigtigt at bruge RMS-acceleration til at repræsentere størrelsen af vibrationer, der overføres til operatørens hænder.
  2. RMS-værdierne for vibrationsacceleration på hånd, håndled, arm og skulder for hvert motiv ved hjælp af Equation (1). Beregning af vibrationstransissibilitet (TR) ved hjælp af Equation (2)1,14:
    Equation 2 (2)
    hvor ain er håndtagsvibrationerne for HTV, og enud er de respektive vibrationer på de seks steder i motivets hånd-arm-system (se figur 2).
    BEMÆRK: Ifølge ISO 5349-1 kan faktorerne (bortset fra grebskraft og vibrationsfrekvens) påvirke resultaterne af håndafført vibrationsmåling: operatørens færdigheder, kropsholdning, klimatiske forhold, støj osv. For at reducere disse tilfældige faktorer blev TR-værdierne for alle måleplaceringerne for de ti forsøgspersoner i denne undersøgelse i gennemsnit.
  3. Konverter tidsdomænesignalerne for håndtaget til frekvensdomænesignaler ved hurtig FOURIER-transformeringsalgoritme (FFT) ved hjælp af MATLAB-programmet til at undersøge inputvibrationen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Forsøget blev udført i laboratoriet (lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) på ti raske forsøgspersoner(tabel 2)under drift af en håndtraktor i stationær stand.

Efter protokollen blev der indsamlet vibrationsaccelerationsdata fra håndtraktorens håndtag samt bagsiden af hånden, håndleddet, armen og skulderen på hvert emne. Spektret af vibrationsaccelerationen, der forekommer ved håndtaget (indgang til hånden), blev opnået. Figur 8 viser eksempler på tidsdomænet og RMS-frekvensdomæneaccelerationer på håndtaget ved motorhastighedsniveauet på 3500 omdrejninger i minuttet i en given tidsperiode. Det er tydeligt, at vibrationsaccelerationen var den højeste langs Y-aksenog den laveste langs X-aksen. De maksimale accelerationer af X- og Z-anvisningerne opstod med en frekvens på 58 Hz (hvilket er motorens arbejdsfrekvens svarende til rotationshastigheden på 3500 omdrejninger i minuttet). Det meste af vibrationsenergien blev fundet centraliseret i frekvensområdet fra 50 til 200 Hz. Med den samme analytiske proces kunne karakteristikaene for både tidsdomæne- og frekvensdomænesignalerne opnås, såsom vibrations amplitud, peak, dominerende frekvens osv.

Indflydelsen af grebskraften og motorhastigheden på håndarmssystemets vibrationsrespons blev også undersøgt. Som det fremgår af figur 9, blev det bemærket, at stigningen i grebskraften øgede vibrationsaccelerationen, især ved frekvenser mellem 20 og 100 Hz, og tre resonansfrekvenser (20, 40 og 80 Hz) viste sig at stige næsten lineært med stigningen i grebskraften. Dette tilskrives stigningen i kontaktstivhed og ledstivhed18,19. Disse resultater tyder på, at de præsenterede måle- og justeringsmetoder for grebskraften effektivt kan anvendes på HTV-måling.

Som vist i figur 10undersøgte dette eksperiment virkningen af inputfrekvensen på HTV via justering af motorens hastighed på tre niveauer (1500, 2500 og 3500 omdrejninger i minuttet). På håndens bagplads (Figur 10A) blev der opnået en højere accelerationsværdi ved 3500 omdrejninger i minuttet sammenlignet med lavere motorhastigheder. I modsætning hertil opstod topaccelerationen ved overarm og skulder (Figur 10D, Eog F) ved 1500 omdrejninger i minuttet. Gennem en omfattende sammenligning af både steder og spændende frekvenser er det rimeligt at konkludere, at lavere frekvenser blev transmitteret relativt uopmærksomt i hånd-arm-systemet, mens aftænkning var ret markeret for højere frekvenser. Således blev det meste af vibrationsenergien spredt i hånden og underarmen.

Figur 11 viser den gennemsnitlige overførbarhed til bagsiden af hånden, underarmen, overarmen og skulderen fra de ti emner, der er med motorhastighed på 2500 omdrejninger i minuttet og greb kraft på 30 N. Det konstateredes, at muligheden for at overføre til de forskellige dele af hånd-arm-systemet faldt med stigningen i afstanden fra vibrationskilden. Den højeste trans antagelighed blev observeret på bagsiden af hånden (placering 1), med en topværdi på 5,1 på omkring 80 Hz. Forstærkningen af vibrationer kan skyldes hudens resonans vedmetakarpalen 20,21. I overensstemmelse med resultaterne af tidligere undersøgelser22,23, resonansfrekvensen af håndleddet (placering 2) og albue (placering 4) var trans antagelighed omkring 20 Hz, med en størrelsesorden på ca. 3,0. Derudover skulderen (placering 6) transmissibility peak var 1,1 på omkring 10 Hz. Det blev også konstateret, at kun vibrationer på mindre end 25 Hz blev effektivt overført til underarmen, overarmen og skulderen. Med Equation (2) i afsnit 5.2 og efter den analytiske proces med overførbarhed er det muligt at undersøge indflydelsen på overførbarhed med forskellige spændende frekvenser og skiftende grebskraft, og der kan fremsættes en rimelig antydning af driftshåndtraktor til landmænd.

Motormodel og -type JUWEI FC 170, benzin, enkelt cylinder, fire-takts, OHV, tvungen luft afkølet
Fejet volumen, cc 208
Nominel effekt, kW 4,0 kW ved 3600 omdrejninger i minuttet
Maksimalt drejningsmoment, Nm/omdrejninger i minuttet 12/2500
Antal hastigheder 2 fremad, 1 omvendt
Starttilstand Rekylstart (træk start)
Motorens tørvægt, kg 19
Vægt af håndtraktor med fuld brændstoftank, radiator og smøreolier, kg 72
Dæktype Gummihjul
Dækstørrelse(pneumatisk), mm 155×330 (350-6)

Tabel 1. Specifikationer for håndtraktoren.

Dimensioner og arbejdsstillinger minimum maksimal betyde Sd
Alder, år 18 37 22.6 5.6
Vægt, kg 50 72 62.6 7.3
Statur, cm 164 179 172.1 4.7
Håndlængde for underarm, cm 22.1 26.8 25.2 1.3
Overarmslængde, cm 26.8 34 31.1 2.1
Håndlængde, cm 15.2 21 17.1 1.6
Skulder vandret bortførelse (α), grader 22.6 31.5 27.1 3.2
Skulder lodret bortførelse (β) , grader 16.5 24.2 20.7 2.6
Albueforlængelse (γ), grader 134.1 169.3 150.1 10.9
Håndledsforlængelse (θ) , grader 160.5 174.8 169 5.5
Håndledsafvigelse (ω) , grader 139.2 159.5 148.1 5.6

Tabel 2. Emne fysiske egenskaber.

Figure 1
Figur 1. Den eksperimentelle protokol og dataindsamling oprettet. Dette eksempel viser et enkelt forsøg (fra højre mod venstre) til måling af et forsøgspersons kropsdimensioner, brug af 6 accelerometeradaptere, håndtraktorens driftsstilling og den dataindsamling, der er konfigureret til acceleration, grebskraft og motorhastighed. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. Placeringen af accelerometeradapterne. 6 accelerometeradaptere blev pakket ind i placeringen af bagsiden af hånden, distal ende af underarmen, proksimal ende af underarmen, distal ende af overarmen, proksimale ende af overarmen og acromion langs hånd-arm-systemet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Instrumentering af vibrationsmåling. Komponenterne i målesystemet, herunder accelerometre, dataindsamlingssystem, tyndfilmstryksensorsystem, et omdrænkemometer, et digitalt goniometer og andre relevante komponenter (computer, accelerometeradaptere, kabler, målebånd, termometer). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Det grundlæggende koordinatsystem til hånd-arm vibrationsmåling. X-aksen defineres parallelt med grebets længdeakse. Y-aksener rettet langs den tredje metakarpus knogle i hånden. Z-aksen er vinkelret på palmeoverfladen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5. Det tynde filmtryksensorsystem. Dette system består af to tyndfilmssensorer, en enkelt-chip controller og en LED-skærm, der viser grebskraften i realtid. Testdataene kan også eksporteres til en computer via den serielle kommunikation. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6. De fem vinkler, der bruges til at beskrive hånd- og armstillingen. α beskriver skulderen vandret bortførelse, β beskriver skulderen lodret bortførelse, γ identificerer albue forlængelse, θ karakteriserer håndledsforlængelse, og ω identificerer håndleddet afvigelse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7. Justering af motorens hastighed og grebskraft under eksperimentet. De blå bjælker repræsenterer forskellige grebskræfter på 20, 30 og 40 N. De røde linjer angiver justering af motorhastigheden fra 1500, 2500 til 3500 omdrejninger i minuttet. Derfor er der 9 testcases fra 1500 omdrejninger i minuttet, 20 N til 3500 omdrejninger i minuttet, 40 N. Varigheden af hver prøvesag er omkring 30 s. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8. Prøver af tidsdomænebølgen og amplitudespektre af accelerationerne på håndtaget ved motorhastigheden på 3500 omdrejninger i minuttet. (A) Tidsdomænebølgen og (B) amplitudespektre i X-retningen; (C) tidsdomænebølgen og (D) amplitudespektre i Y-retningen (E) tidsdomænebølgen og (F) amplitudespektre i Z-retningen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9. Den gennemsnitlige sammenhæng mellem grebskraften og RMS-vibrationsaccelerationen målt seks steder i hånd-arm-systemet med ti forsøgspersoner: (A) bagsiden af hånden; b) underarmens distale ende c) proksimale end underarmen d) den distale ende af overarmen (E) den proksimale ende af overarmen (F)acromion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10. Den gennemsnitlige sammenhæng mellem motorens hastighed (frekvens) og RMS vibrationsacceleration målt seks steder i hånd-arm-systemet af ti forsøgspersoner: (A) bagsiden af hånden; b) underarmens distale ende c) proksimale end underarmen d) den distale ende af overarmen (E) den proksimale ende af overarmen (F)acromion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11. Vibrationstransalitet ved 1/3. oktavbåndet forskellige steder i håndarmssystemet ved motorhastigheden på 2500 omdrejninger i minuttet og grebskraft på 30 N. De 6 kurver repræsenterer TR-værdierne fra bagsiden af hånden (placering 1) til acromion (placering 6) som vist i forklaringen. Den stiplede linje er en skillelinje af vibrationsforstærkning (over denne linje) og vibrationsdæmpning (under denne linje). Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen i denne undersøgelse blev etableret på grundlag af HTV-standarderne4,5,24og blev udviklet som standardtrin til måling af HTV i det menneskelige håndarmssystem under drift af en håndtraktor i stationær stand. Denne tilstand er den mest stabile tilstand af håndtraktoren for at hjælpe med at sikre pålidelig måling af de vibrationer, der faktisk overføres til hånden og armen. Det variable interval, der anses for at udføre prøvningen ved hjælp af justering af motorens hastighed og grebskraft, dækker håndtraktorens normale og sikre driftsområde. I betragtning af hånd-arm-systemets kompleksitet blev det konstateret, at de eksperimentelle resultater fra denne protokol var i brønd enige i de data, der er rapporteret i artikler om vibrationskildernes karakteristika25, vibrationstransmissibilitet1,26og de væsentlige faktorer8,27 , der påvirker hånd-arm-systemets reaktion under driften af håndtraktorer.

Resultaterne afhænger af nogle kritiske komponenter i denne opsætning i protokollen. For det første fordi accelerometerets vægt påvirker størrelsen af vibrationerne i hånd-arm-systemet20, skal accelerometerets og adapterens samlede vægt være så let som muligt for at reducere målefejl. For det andet skal hver accelerometeradapter fastgøres tæt på håndarmssystemet for at forhindre relativ bevægelse mellem målepunktet og accelerometeret. For det tredje bør testforsøget for hvert forsøgsperson gennemføres uden afbrydelse for at reducere virkningen af arbejdsstillingen.

Den væsentligste begrænsning af denne undersøgelse er, at vibrationstransaliteten til håndarmssystemet kun blev målt og analyseret i Z-aksens retning (figur 4) på grund af brugen af enkeltakse accelerometre på placeringerne af arm og skulder. Selv om fleksible sensorer og tyndfilmssensorer blev brugt til at måle grebskraft under testen, forventes yderligere måleindsatser langs forskydningsretningen at give betydelig indsigt i karakteriseringen og vurderingen af HTV, hvilket repræsenterer en anden begrænsning af denne undersøgelse. Derudover påvirker operatørernes iboende faktorer, såsom deres kropsstørrelse, kropsholdning og hånd- og armstørrelse, HTV. Som et efterfølgende skridt vil der blive indsamlet flere data for at undersøge disse faktorer ved hjælp af den præsenterede protokol.

Denne protokol vil være nyttig for forståelsen af vibrationstransmissionsegenskaberne i håndtraktor-hånd-arm-systemet. De vigtigste potentielle anvendelser af den foreslåede metode er vurderingen af samspillet mellem mennesker og traktorer, ergonomiudviklingen af håndtraktorer og udviklingen af beskyttelsesanordninger såsom isolatorer og handsker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Natural Science Foundation of Chongqing, Kina (cstc2019jcyj-msxmX0046), projektet fra Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) og projektet fra Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, Kina (2020TJZ010). Forfatterne vil gerne takke prof. Yan Yang for at levere teststedet. Vi er også taknemmelige for Dr. Jingshu Wang og Dr. Jinghua Ma for deres vejledning i at bruge vibrationsmålingsinstrumentering. Tak skal også til emnerne for deres helhjertede samarbejde under forsøgene.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Pope, M. H., Magnusson, M., Hansson, T. The upper extremity attenuates intermediate frequency vibrations. Journal of Biomechanics. 30 (2), 103-108 (1997).
  24. International Organization for Standardization. ISO 8041-1: Human response to vibration-Measuring instrumentation. International Organization for Standardization. , (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).

Tags

Teknik Problem 172 Håndstyrede vibrationer håndtraktor hånd-arm-system vibrationstransmissibilitet 1/3. oktavbånd grebskraft
Måling af håndafført vibrationer i det menneskelige håndarmsystem under drift af en håndtraktor
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., … More

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., Huang, X., Song, K., Chen, C., Ding, J. Measurement of the Hand Transmitted Vibration of the Human Hand Arm System During Operation of a Hand Tractor. J. Vis. Exp. (172), e62508, doi:10.3791/62508 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter