Medición de la vibración transmitida por la mano del sistema de brazo de mano humana durante el funcionamiento de un tractor de mano

Resumen

Aquí, presentamos un método estandarizado para la medición de la vibración transmitida por la mano de las asas de un tractor de un solo eje con especial referencia a los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.

Resumen

Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración transmitida por la mano (HTV). Esta vibración, que puede ser molesta y peligrosa para la salud humana, se transmite al operador a través de sus manos y brazos. Sin embargo, todavía no se ha definido un método normalizado para medir el HTV de los tractores de mano. El objetivo del estudio fue presentar un método experimental para la investigación de la respuesta biodinámica y la transmisibilidad de las vibraciones del sistema mano-brazo durante el funcionamiento de un tractor de mano en modo estacionario. Las mediciones se realizaron con diez sujetos utilizando tres fuerzas de agarre y tres niveles de vibración de mango para examinar las influencias de la presión de la mano y la frecuencia en la vibración transmitida por la mano (HTV). Los resultados indican que la estanqueidad del agarre en el mango influye en la respuesta de vibración del sistema mano-brazo, especialmente a frecuencias entre 20 y 100 Hz. La transmisión de frecuencias más bajas en el sistema mano-brazo fue relativamente desatendida. En comparación, se encontró que la atenuación era bastante marcada para frecuencias más altas durante el funcionamiento del tractor manual. La transmisibilidad de la vibración a diversas partes del sistema mano-brazo disminuyó con el aumento de la distancia de la fuente de la vibración. La metodología propuesta contribuye a la recopilación de datos coherentes para la evaluación de la exposición al comportamiento de las vibraciones del operador y el desarrollo ergonómico de los tractores de mano.

Introducción

Los tractores de mano, también conocidos como labradores de energía, son ampliamente utilizados en los países en desarrollo para la preparación de la tierra de pequeños campos. La operación de campo de un tractor de mano implica caminar detrás de la máquina y sostener sus asas para controlar su movimiento. Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración, que podrían atribuirse al pequeño motor monocilíndrico y a la falta de sistema de suspensión de los tractores de mano¹. El síndrome de vibración mano-brazo (HAVS)² puede ser causado por la resistencia de largo período de la vibración, llamada vibración transmitida por la mano (HTV), que se genera por el tractor de mano y se recibe por las manos del operador. Para evaluar los riesgos para la salud derivados de la exposición de los operadores al HTV de los tractores de mano, es necesario establecer un método para la medición de la respuesta a las vibraciones del sistema mano-brazo.

El sistema mano-brazo se compone de huesos, músculos, tejidos, venas y arterias, tendones y piel^3,y la medición directa de HTV plantea muchos problemas. Las normas internacionales pertinentes^4,5 proporcionan directrices relativas a la medición de la gravedad de la vibración generada en las inmediaciones de la mano, incluido el sistema de coordenadas de la mano, la ubicación y el montaje de los acelerómetros, la duración de la medición, los problemas del conector del cable, etc. Sin embargo, las normas no tienen en cuenta variables intrínsecas, como la fuerza de agarre, la postura de la mano y el brazo, factores individuales, etc. Estos factores han sido examinados exhaustivamente bajo una amplia gama de excitaciones de vibración y condiciones de prueba^{6,7,8,9,10,11,12,13,}pero los resultados de diferentes investigadores no están de acuerdo. Muchos de estos factores no se han entendido suficientemente para ser incorporados en los métodos estándar. Esta restricción es parcialmente atribuible a las complejidades del sistema mano-brazo humano, las condiciones de prueba y las diferencias en las técnicas experimentales y de medición empleadas.

Además, la mayoría de las mediciones anteriores de HTV se realizaron en condiciones cuidadosamente controladas con excitaciones de vibración idealizadas, fuerza de agarre y condiciones posturales. Los hallazgos y los procedimientos experimentales de estas mediciones, por lo tanto, pueden no replicar realmente las condiciones del mundo real, como las condiciones de funcionamiento de los tractores de mano. Además, sólo se han realizado esfuerzos limitados para estudiar el HTV de los tractores de mano con mediciones de campo. Estas mediciones se realizaron utilizando acelerómetros unidos a la muñeca, el brazo, el pecho y la cabeza del operador para medir la vibración de todo el cuerpo en las condiciones de transporte del tractor^1,o en las condiciones de labranza en un campo a labado y charco en un campo sumergido con diferentes niveles de velocidades del motor^14. El efecto de la fuerza de agarre, que podría ser un factor crucial de HTV^7,8,no se aisló. Por lo tanto, estos métodos no son adecuados como procedimientos de medición estandarizados debido a las diversas posturas forzadas del operador durante la agricultura atribuidas a las duras condiciones ambientales.

La presente investigación se llevó a cabo para contribuir al establecimiento de procedimientos fiables y repetibles para la medición de HTV de tractores de mano en modo estacionario. La Figura 1 presenta el diagrama esquemático del diseño experimental. Se empleó un tractor de mano fabricado en China y comúnmente utilizado por los agricultores chinos, y diez investigadores fueron elegidos como sujetos para el estudio. Para medir la vibración se utilizaron siete acelerómetros piezoeléctricos ligeros acoplados al sistema tractor-mano-brazo. Un tacómetro y dos sensores de presión de película delgada monitorearon la velocidad del motor y la fuerza de agarre durante las pruebas. Los sujetos debían operar secuencialmente el tractor de mano a velocidades de motor especificadas y con fuerzas de agarre especificadas para obtener las características de vibración en varios modos de funcionamiento. Este manuscrito proporciona un protocolo detallado para la medición de HTV del sistema tractor-mano-brazo con una consideración única de los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.

Protocolo

Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Ética de la Universidad Tecnológica de Chongqing y cada sujeto proporcionó su consentimiento informado por escrito antes de la participación en este estudio.

1. Preparación del tractor de mano

1. Asegúrese de que el tractor de mano esté sujeto a condiciones de prueba adecuadas con un tanque de combustible lleno, sin holgura de los pernos y sin otros defectos mecánicos que resultarían en vibraciones anormales.
   NOTA: Las especificaciones del tractor de mano utilizado en este experimento figuran en el Cuadro 1.
2. Coloque el tractor de mano en un sitio de prueba con una superficie de suelo seca, firme y nivelada.
   NOTA: Si este experimento se llevó a cabo en un laboratorio interior, el laboratorio debe estar bien ventilado para evitar cualquier efecto perjudicial de los gases de escape del tractor de mano.
3. Retire la cubierta de polvo de la polea del motor para calibrar convenientemente la velocidad del motor con un velocímetro durante el experimento.
4. Retirar los materiales elastoméricos de las asas según la norma ISO 5349-2^5.

2. Preparación de la materia

1. Asegúrese de que todos los sujetos estén sanos sin dolencia física y estén por encima de la edad de 18 años^3. Informar a cada sujeto sobre los objetivos del estudio y los procedimientos de prueba. Obtener el consentimiento informado por escrito de todos los sujetos.
   1. Excluir sujetos con las siguientes enfermedades: enfermedad de Raynaud primaria o fenómeno de Raynaud secundario, deterioro de la circulación sanguínea en las manos, deformidad de huesos y articulaciones, trastornos del sistema nervioso periférico o del sistema musculoesquelético³.
2. Pida a los sujetos que usen ropa sin mangas o de manga corta, y que se quiten los relojes, pulseras, anillos, etc.
3. Advierta a cada sujeto que no toque la palanca de cambios del tractor de mano durante el funcionamiento. Advierta a cada sujeto que se mantenga alejado de la polea del motor cuando el tractor de mano esté en marcha.
4. Proporcione a temas el entrenamiento de la regulación de la velocidad en el tractor de la mano. Informe a cada sujeto para que apague el motor al final del experimento presionando el botón del interruptor del motor.
   NOTA: Generalmente, la regulación de la velocidad del motor es controlada por el interruptor del acelerador situado en la manija derecha, y los sujetos están entrenados para regular la velocidad del motor girando el interruptor del acelerador a la izquierda (disminución de la velocidad) o a la derecha (aumento de velocidad) con sus manos derechas.
5. Instruya a cada sujeto cómo operar el tractor de mano y cómo regular la velocidad del motor de 1500 rpm a 3500 rpm.
6. Mida las dimensiones del cuerpo de cada sujeto (altura de pie, masa, longitud del antebrazo, longitud superior del brazo, longitud de la mano).
   NOTA: La Tabla 2 resume las características físicas de diez sujetos sanos en este experimento.
7. Envuelva los adaptadores del acelerómetro firmemente en la mano y el brazo de cada sujeto en las ubicaciones indicadas en la Figura 2.
   NOTA: Cada adaptador fue fabricado usando una correa de nylon y una pieza de la lámina de hierro galvanizado (0,3 mm) para proporcionar una fijación rígida y ligera.

3. Configuración del sistema de medición

1. Configuración del sistema de medición de aceleración
   NOTA: Los pasos actuales tienen como objetivo recoger las señales de aceleración de vibración de la manija del tractor de mano y seis ubicaciones del sistema de mano-brazo del operador. El enfoque propuesto emplea un sistema compacto de adquisición de datos (DAQ) compuesto por siete acelerómetros, tres tarjetas de adquisición de datos, un chasis DAQ, una computadora portátil y algunos cables asociados (Figura 3). Otros tipos de sistemas DAQ con características adecuadas para la aplicación involucrada se pueden aplicar de manera similar.
   1. Antes de iniciar una medición, reúna todos los componentes del sistema de medición (acelerómetros, sistema de adquisición de datos, sistema de detección de presión de película delgada, tacómetro, goniómetro digital y otros componentes relevantes).
   2. Para configurar el sistema de medición de aceleración, conecte el acelerómetro con las tarjetas de adquisición de datos utilizando los cables del acelerómetro. Con un cable Ethernet, conecte el chasis con el ordenador.
      NOTA: En este experimento se utilizaron dos acelerómetros triaxiales y cinco acelerómetros de un solo eje fijos con base de montaje magnético.
   3. Acople un acelerómetro triaxial en el mango izquierdo del tractor de mano y conecte el otro en el adaptador del acelerómetro de la mano del sujeto. Coloque acelerómetros de un solo eje, uno por uno, en los adaptadores del acelerómetro del brazo y el hombro del sujeto.
      NOTA: Las ubicaciones de los acelerómetros son las que se muestran en la Figura 1. La selección de ubicación del acelerómetro triaxial en el mango izquierdo del tractor de mano debe estar lo más cerca posible de la mano izquierda del operador.
   4. Ajuste la orientación de los acelerómetros triaxiales en la mano para que sean consistentes con el sistema de coordenadas básicas(Figura 4)para la medición de la vibración mano-brazo, consulte la norma ISO 5349-1^4. Con cinta adhesiva, asegure los cables del acelerómetro en la superficie de la piel del brazo del sujeto y el manillar del tractor.
2. Configuración de medición de la fuerza de agarre
   NOTA: Un sistema de detección de presión de película delgada^15,16 fue diseñado con dos sensores sensibles a la presión resistiva, un controlador de un solo chip y una pantalla LED, y fue calibrado antes de la medición, como se muestra en la Figura 5.
   1. Conecte dos sensores de película delgada simétricamente en lados opuestos alrededor del eje central del mango utilizando cinta adhesiva de doble cara.
   2. Coloque la pantalla del sistema de detección a una altura conveniente para que el sujeto pueda monitorear y ajustar la fuerza de agarre al nivel especificado durante el funcionamiento del tractor de mano.
3. Configuración de medición de la velocidad del motor
   NOTA: La velocidad del motor se refiere a las revoluciones por minuto (RPM) de la hélice del motor del tractor de mano empleado, que equivale a las RPM de la polea del motor. Se utilizó un tacómetro láser para calibrar y monitorear la velocidad del motor durante el funcionamiento.
   1. Coloque un trozo de cinta retrorreflectante (aproximadamente 10 × 10 mm) a la superficie de la polea del motor para la medición del tacómetro láser.
   2. Coloque el tacómetro a una altura adecuada y perpendicular a la cinta retrorreflectante.
4. Medición de la postura
   1. Indique al sujeto que sostenga y eleve el mango a una posición horizontal. Mida la postura de la mano y el brazo del sujeto usando un goniómetro digital.
      NOTA: Los cinco ángulos¹⁷ utilizados para describir la postura de la mano y el brazo durante el funcionamiento del tractor de mano se muestran en la Figura 6. Los ángulos de postura de los sujetos medidos en este experimento se presentan en la Tabla 2.
   2. Pídale al sujeto que mantenga la postura hasta el final del juicio.

4. Experimento y adquisición de datos

1. Arranque el tractor de mano en punto muerto y manténgalo funcionando a una velocidad baja del motor (alrededor de 1500 rpm) durante unos 30 s hasta que se estabilice.
2. Encienda el tacómetro, el dispositivo de detección de presión de película delgada, la computadora portátil y el sistema de adquisición de datos de aceleración, respectivamente.
3. Abra el software DAQ y cree un nuevo archivo para cada asunto. Establezca los parámetros de aceleración, modo de adquisición y velocidad de muestreo para la recopilación de datos.
   NOTA: Para obtener la caracterización precisa del HTV, la velocidad de muestreo no debe ser inferior a 1500 Hz. En este estudio, la velocidad de muestreo se fijó en 1650 Hz. Si se utilizaba una velocidad de muestreo más alta para la recopilación de datos, se aconsejaba un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte a 1500 Hz para eliminar las influencias de ruido, como las contribuciones irrelevantes de alta frecuencia.
4. Haga clic en Ejecutar y espere unos 10 s hasta que el sistema se estabilice. A continuación, haga clic en Grabar para comenzar a grabar los datos de aceleración.
5. Ajuste de la velocidad del motor y la fuerza de agarre
   NOTA: Como se muestra en la Figura 7,este experimento se llevó a cabo a tres niveles de velocidad del motor (1500, 2500 y 3500 rpm) y tres niveles de fuerza de agarre (20, 30 y 40 N) durante cada ensayo. La duración aproximada de la prueba de HTV de cada sujeto es de 6 min.
   1. Pida al sujeto que monitoree el tacómetro y ajuste la velocidad del motor a 1500 rpm hasta que se estabilice.
   2. Indique al sujeto que ajuste la fuerza de agarre cuidadosamente a 20 N mirando las señales de fuerza mostradas desde el sistema de detección de presión de película delgada, y mantenga este nivel de fuerza de agarre durante aproximadamente 30 s.
      NOTA: El ajuste de la fuerza de agarre denota el aumento o disminución de la presión entre la mano y el manillar del tractor de mano. Los sujetos deben realizar el ajuste de la fuerza de agarre a través de la sujeción del manillar más firme o ligeramente.
   3. Ajuste la fuerza de agarre a 30 N y mantenga unos 30 s. Luego, ajuste la fuerza de agarre a 40 N y mantenga aproximadamente 30 s.
   4. Ajuste la velocidad del motor a 2500 rpm y repita los pasos 4.5.2 y 4.5.3.
   5. Ajuste la velocidad del motor a 3500 rpm y repita los pasos 4.5.2 y 4.5.3.
6. Pídale al sujeto que gire el interruptor del acelerador a la velocidad más baja del motor. Coloque el mango y apague el motor del tractor de mano.
7. Guarde los datos y apague el sistema DAQ. Retire y coloque los acelerómetros en el siguiente sujeto.
8. Repita los pasos 4.3 a 4.7 hasta el final de las recopilaciones de datos de todos los sujetos.
9. Exporte los datos de series temporales de aceleración para su posterior análisis.

5. Tratamiento y análisis de datos

1. Importe las señales de dominio de tiempo de vibración grabadas al software MATLAB. Calcule los valores de raíz-media-cuadrada (RMS) de la aceleración de la vibración del mango del tractor de mano, que representan la exposición a la vibración durante el funcionamiento del tractor de mano, con la ecuación (1):
   (1)
   donde, un_RMS es el RMS de la aceleración de vibración (m/s²) calculado para cada banda de 1/3ª octava, a(t) es la amplitud de aceleración de vibración medida (m/s²), y T es la duración de la aceleración de vibración medida (s).
   NOTA: En la norma ISO 5349-1, es importante utilizar la aceleración RMS para representar la magnitud de las vibraciones transmitidas a las manos del operador.
2. Calcule los valores RMS de aceleración de vibración en la mano, la muñeca, el brazo y el hombro de cada sujeto utilizando la ecuación (1). Calcular la transmisibilidad de la vibración (TR) utilizando la ecuación (2)^1,14:
   (2)
   donde, a_in es la vibración del mango para HTV, y a_out es la vibración respectiva en las seis ubicaciones del sistema mano-brazo del sujeto (ver Figura 2).
   NOTA: De acuerdo con iso 5349-1, los factores (a excepción de la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración) pueden influir en los resultados de la medición de la vibración transmitida por la mano incluyen: la habilidad del operador, postura corporal, condiciones climáticas, ruido, etc. Para disminuir estos factores aleatorios, se promediaron los valores de TR de todas las ubicaciones de medición de los diez sujetos en este estudio.
3. Convierta las señales de dominio de tiempo del mango en señales de dominio de frecuencia mediante el algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT) utilizando el programa MATLAB para examinar la vibración de entrada.

Resultados

El experimento se llevó a cabo en el laboratorio (temperatura del aire 22,0 °C ± 1,5 °C) en diez sujetos sanos(Tabla 2)durante la operación de un tractor manual en estado estacionario.

Siguiendo el protocolo, los datos de la aceleración de la vibración fueron recogidos de la manija del tractor de mano, así como de la parte posterior de la mano, de la muñeca, del brazo, y del hombro de cada tema. Se obtuvo el espectro de la aceleración de la vibración que se produce ...

Discusión

El protocolo presentado en este estudio se estableció en base a las normas HTV^4,5,24,y se desarrolló como los pasos estándar para la medición de la HTV del sistema mano-brazo humano durante la operación de un tractor de mano en condiciones estacionarias. Esta condición es el estado más estable del tractor de mano para ayudar a garantizar la medición fiable de la vibración realmente transmitida a la mano y el brazo. La g...

Materiales

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.