מדידת הרטט המועבר ביד של מערכת זרוע היד האנושית במהלך פעולת טרקטור יד

Summary

כאן, אנו מציגים שיטה סטנדרטית למדידת הרטט המועבר ביד מידות של טרקטור בעל ציר יחיד עם התייחסות מיוחדת לשינויים בכוח האחיזה ובתדירות הרטט.

Abstract

מפעילי טרקטורים יד חשופים לרמות גבוהות של רטט המועבר ביד (HTV). רטט זה, אשר יכול להיות גם מרגיז ומסוכן לבריאות האדם, מוענק למפעיל באמצעות ידיו וזרועותיו. עם זאת, שיטה סטנדרטית למדידת HTV של טרקטורים ביד טרם הוגדרה. מטרת המחקר הייתה להציג שיטה ניסיונית לחקירת התגובה הביודינמית והתמרנות הרטט של מערכת זרוע היד במהלך פעולת טרקטור יד במצב נייח. המדידות בוצעו עם עשרה נבדקים באמצעות שלושה כוחות אחיזה ושלוש רמות רטט ידית כדי לבחון את ההשפעות של לחץ היד ותדירות על רטט המועבר ביד (HTV). התוצאות מצביעות על כך שההידוק של האחיזה בידית משפיע על תגובת הרטט של מערכת זרוע היד, במיוחד בתדרים שבין 20 ל-100 הרץ. העברת התדרים הנמוכים יותר במערכת זרוע היד הייתה יחסית לא מנוצלת. לשם השוואה, הנחתה נמצאה מסומנת למדי עבור תדרים גבוהים יותר במהלך הפעולה של טרקטור היד. טרנסמיסיות הרטט לחלקים שונים של מערכת זרוע היד פחתה עם הגדלת המרחק ממקור הרטט. המתודולוגיה המוצעת תורמת לאיסוף נתונים עקביים להערכת חשיפה לרטט מפעיל ולפיתוח ארגונומיה של טרקטורים ידניים.

Introduction

טרקטורים ידניים, הידועים גם בשם עובדי כוח, נמצאים בשימוש נרחב במדינות מתפתחות להכנת קרקעות של שדות קטנים. פעולת השדה של טרקטור יד כרוכה בהליכה מאחורי המכונה והחזקת ידיותיה כדי לשלוט בתנועתה. מפעילי טרקטורים יד חשופים לרמות גבוהות של רטט, אשר ניתן לייחס מנוע צילינדר יחיד קטן וחוסר מערכת מתלים של טרקטורים יד¹. תסמונת רטט זרוע היד (HAVS) 2 יכול להיגרם על ידי^סיבולת ארוכת טווח מן הרטט, בשם רטט המועבר ביד (HTV), אשר נוצר על ידי טרקטור היד והתקבל על ידי הידיים של המפעיל. כדי להעריך את הסיכונים הבריאותיים הנגזרים מחשיפה של מפעילים ל- HTV של טרקטורים ביד, יש צורך לקבוע שיטה למדידת תגובת הרטט של מערכת זרוע היד.

מערכת זרוע היד מורכבת מעצמות, שרירים, רקמות, ורידים ועורקים, גידים ועור³, והמדידה הישירה של HTV מציבה בעיות רבות. התקנים הבינלאומיים הרלוונטיים^4,5 מספקים קווים מנחים הנוגעים למדידת חומרת הרטט שנוצר בסביבה הקרובה של היד, כולל מערכת הקואורדינטות של היד, מיקום והרכבה של מדי תאוצה, משך המדידה, בעיות מחבר הכבלים וכו '. עם זאת, הסטנדרטים אינם לוקחים בחשבון משתנים מהותיים, כגון כוח האחיזה, תנוחת היד והזרוע, גורמים בודדים וכו '. גורמים אלה נבדקו בהרחבה תחת מגוון רחב של עירור רטט ותנאי בדיקה^{6,7,8,9,10,11,12,13}, אבל התוצאות של חוקרים שונים אינם בהסכמה טובה. רבים מגורמים אלה לא הובנו מספיק כדי להיות משולבים בשיטות סטנדרטיות. הגבלה זו מיוחסת בחלקה למורכבויות של מערכת זרוע היד האנושית, לתנאי הבדיקה ולהבדלים בטכניקות הניסוי והמדידה שבהן נעשה שימוש.

יתר על כן, רוב המדידות הקודמות של HTV בוצעו בתנאים מבוקרים בקפידה עם עירור רטט אידיאלי, כוח אחיזה, ותנאי יציבה. הממצאים וההליכים הניסיוניים של מדידות אלה, אם כן, אינם יכולים לשכפל באמת את התנאים בעולם האמיתי, כגון תנאי הפעולה של טרקטורים ידניים. יתר על כן, רק מאמצים מוגבלים נעשו כדי ללמוד את HTV של טרקטורים יד עם מדידות שדה. מדידות אלה בוצעו באמצעות מדי תאוצה המחוברים לפרק כף היד, הזרוע, החזה והראש של המפעיל כדי למדוד את כל רטט הגוף בתנאי ההובלה של הטרקטור¹, או בתנאים של עיקול בשדה עד פודינג בשדה שקוע עם רמות שונות של מהירויות מנוע¹⁴. ההשפעה של כוח האחיזה, אשר יכול להיות גורם מכריע של HTV^7,8, לא היה מבודד. לפיכך, שיטות אלה אינן מתאימות להליכי מדידה סטנדרטיים בשל תנוחותיה הכפויות השונות של המפעילה בחקלאות המיוחסות לתנאי הסביבה הקשים.

המחקר הנוכחי נערך כדי לתרום להקמת נהלים אמינים וחוזרים על עצמם למדידת HTV של טרקטורים ביד במצב נייח. איור 1 מציג את הדיאגרמה הסכימטית של העיצוב הניסיוני. טרקטור יד המיוצר בסין ומשמש בדרך כלל על ידי חקלאים סינים הועסק, ועשרה עובדי מחקר נבחרו כנושאים למחקר. שבעה מדי תאוצה פיזואלקטריים קלים המחוברים למערכת זרועות הטרקטור שימשו למדידת הרטט. טכומטר אחד ושני חיישני לחץ דקים ניטרו את מהירות המנוע וכוח האחיזה במהלך הבדיקות. הנבדקים נדרשו להפעיל ברצף את טרקטור היד במהירויות מנוע מוגדרות ועם כוחות אחיזה מוגדרים כדי להשיג את מאפייני הרטט במצבים מבצעיים שונים. כתב יד זה מספק פרוטוקול מפורט למדידת HTV של מערכת זרועות הטרקטור עם התחשבות ייחודית בשינויים בכוח האחיזה ובתדירות הרטט.

Protocol

כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של אוניברסיטת צ'ונגצ'ינג לטכנולוגיה וכל נושא סיפק הסכמה מדעת בכתב לפני ההשתתפות במחקר זה.

1. הכנת טרקטור יד

1. ודא שהטרקטור היד נתון לתנאי בדיקה נאותים עם מיכל דלק מלא, ללא רופף של ברגים, וללא פגמים מכניים אחרים יגרמו לרטט חריג.
   הערה: המפרטים של טרקטור היד המשמש בניסוי זה ניתנים בטבלה 1.
2. הנח את טרקטור היד באתר בדיקה עם משטח קרקע יבש, מוצק ומאוזן.
   הערה: אם ניסוי זה נערך במעבדה מקורה, המעבדה חייבת להיות מאווררת היטב כדי למנוע השפעות מזיקות של גז הפליטה מהטרקטור היד.
3. הסר את כיסוי האבק של גלגלת המנוע כדי לכייל בנוחות את מהירות המנוע במד מהירות במהלך הניסוי.
4. הסר את החומרים האלסטומריים של הידיות על פי תקן ISO 5349-2⁵.

2. הכנת נושא

1. ודא כי כל הנושאים בריאים ללא מחלות גופניות והם מעל גיל 18 שנים³. יש ליידע כל נושא על מטרות המחקר ונהלי הבדיקה. קבל הסכמה מדעת בכתב מכל הנושאים.
   1. אל תכלול נושאים עם המחלות הבאות: מחלת ריינו העיקרית או התופעה המשנית של ריינו, פגיעה במחזור הדם לידיים, עיוות בעצמות ובמפרקים, הפרעות במערכת העצבים ההיקפית או במערכת השלד והשרירים³.
2. בקשו מהנושאים ללבוש בגדים ללא שרוולים או עם שרוולים קצרים, ולהסיר שעונים, צמידים, טבעות וכו'.
3. הזהר כל נבדק שלא לגעת בידית הזזת ההילוכים של טרקטור היד במהלך הפעולה. הזהר כל נושא להתרחק גלגלת המנוע כאשר טרקטור היד פועל.
4. ספק לנבדקים אימון ויסות מהירות על הטרקטור היד. הודע לכל נבדק לכבות את המנוע בסוף הניסוי על-ידי לחיצה על לחצן מתג המנוע.
   הערה: בדרך כלל, ויסות מהירות המנוע נשלט על ידי מתג המצערת הממוקם על הידית הימנית, והנבדקים מאומנים לווסת את מהירות המנוע על ידי סיבוב מתג המצערת שמאלה (הפחתת מהירות) או ימינה (עליית מהירות) בידיים הימניות.
5. הנחה כל נושא כיצד להפעיל את טרקטור היד וכיצד לווסת את מהירות המנוע מ 1500 סל"ד ל 3500 סל"ד.
6. למדוד את מידות הגוף של כל נושא (גובה עומד, מסה, אורך האמה, אורך הזרוע העליונה, אורך היד).
   הערה: טבלה 2 מסכמת את המאפיינים הפיזיים של עשרה נבדקים בריאים בניסוי זה.
7. עטפו את מתאמי מד התאוצה בחוזקה על היד והזרוע של כל נושא במקומות המצוינים באיור 2.
   הערה: כל מתאם היה מפוברק באמצעות רצועת ניילון וחתיכה של גיליון ברזל מגולוון (0.3 מ"מ) כדי לספק חיבור נוקשה וקל.

3. הגדרת מערכת מדידה

1. הגדרת מערכת מדידת האצה
   הערה: השלבים הנוכחיים שואפים לאסוף את אותות האצת הרטט מהידית של טרקטור היד ושישה מיקומים של מערכת זרוע היד של המפעיל. הגישה המוצעת משתמשת במערכת קומפקטית לרכישת נתונים (DAQ) המורכבת משבעה מדי תאוצה, שלושה כרטיסי רכישת נתונים, מארז DAQ, מחשב נייד וכמה כבלים משויכים (איור 3). סוגים אחרים של מערכות DAQ עם מאפיינים מתאימים עבור היישום המעורב ניתן להחיל באופן דומה.
   1. לפני התחלת המדידה, אסוף את כל מרכיבי מערכת המדידה (מדי תאוצה, מערכת רכישת נתונים, מערכת חישת לחץ סרט דק, טכומטר, גוניומטר דיגיטלי ורכיבים רלוונטיים אחרים).
   2. כדי להגדיר את מערכת מדידת התאוצה, חבר את מד התאוצה באמצעות כרטיסי רכישת הנתונים באמצעות כבלי מד התאוצה. באמצעות כבל Ethernet, חבר את המארז למחשב.
      הערה: בניסוי זה נעשה שימוש בשני מדי תאוצה תלת-ציריים וחמישה מדי תאוצה חד-ציריים קבועים עם בסיס הרכבה מגנטי.
   3. חבר מד תאוצה תלת-צירי אחד על הידית השמאלית של טרקטור היד וחבר את השני למתאם מד התאוצה של ידו של הנבדק. חבר מדי תאוצה חד-ציריים, בזה אחר זה, למתאמי מד התאוצה של הזרוע והכתף של הנבדק.
      הערה: מיקומם של מדי התאוצה מוצג באיור 1. בחירת המיקום של מד התאוצה התלת-צירי על הידית השמאלית של טרקטור היד צריכה להיות קרובה ככל האפשר ליד שמאל של המפעיל.
   4. התאם את הכיוון של מדי התאוצה התלת-ציריים שביד כך שיתאימו למערכת הקואורדינטות הבסיסית (איור 4) למדידת רטט זרוע היד מתייחסים לתקן ISO 5349-1⁴. באמצעות סרט הדבקה, אבטח את כבלי מד התאוצה על משטח העור של זרוע הנבדק וכידון הטרקטור.
2. כיוונון מדידת כוח אחיזה
   הערה: מערכת חישת לחץ סרט דק^15,16 תוכננה עם שני חיישנים רגישים ללחץ התנגדותי, בקר עם שבב יחיד וצג LED, וכוילה לפני המדידה, כפי שמוצג באיור 5.
   1. חבר שני חיישני סרט דק באופן סימטרי בצדדים מנוגדים סביב הציר המרכזי של הידית באמצעות סרט הדבקה דו-צדדי.
   2. הנח את מסך מערכת החישה בגובה נוח כדי שהנושא יוכל לנטר ולהתאים את כוח האחיזה לרמה שצוינה במהלך פעולת טרקטור היד.
3. כיוונון מדידת מהירות מנוע
   הערה: מהירות המנוע מתייחסת למהפכות לדקה (סל"ד) של המדחף של מנוע הטרקטור הידני המועסקים, השווה לסל"ד של גלגלת המנוע. טכומטר לייזר שימש לכיול ולניטור מהירות המנוע במהלך הפעולה.
   1. חבר חתיכת סרט רטרו-רטרואקטיבי (כ-10 × 10 מ"מ) למשטח גלגלת המנוע למדידת טכומטר לייזר.
   2. מניחים את הטאכומטר בגובה הנכון בניצב לקלטת הרטרו-רטרואקטיבית.
4. מדידת יציבה
   1. הורה לנושא להחזיק ולהרים את נקודת האחיזה למיקום אופקי. למדוד את תנוחת היד והיד של הנושא באמצעות goniometer דיגיטלי.
      הערה: חמש הזוויות¹⁷ המשמשות לתיאור תנוחת היד והזרוע במהלך פעולת טרקטור היד מוצגות באיור 6. זוויות היציבה של הנבדקים הנמדדות בניסוי זה מוצגות בטבלה 2.
   2. בקש מהנושא לשמור על היציבה עד סוף המשפט.

4. ניסויים ורכישת נתונים

1. הפעל את טרקטור היד בניטרלי ולשמור אותו פועל במהירות מנוע נמוכה (סביב 1500 סל"ד) במשך כ 30 שניות עד שהוא התייצב.
2. הפעל את הטכומטר, את התקן חישת הלחץ הדק, את המחשב הנייד ואת מערכת איסוף נתוני ההאצה, בהתאמה.
3. פתח את תוכנת DAQ וצור קובץ חדש עבור כל נושא. הגדר את הפרמטרים של האצה, מצב רכישה וקצב דגימה עבור איסוף נתונים.
   הערה: כדי לקבל את האפיון המדויק של HTV, קצב הדגימה צריך להיות לא פחות מ 1500 הרץ. במחקר זה, קצב הדגימה נקבע על 1650 הרץ. אם נעשה שימוש בקצב דגימה גבוה יותר לאיסוף נתונים, מומלץ להשתמש במסנן מעבר נמוך עם תדר ניתוק ב- 1500 הרץ כדי להסיר את השפעות הרעש כגון התרומות הלא רלוונטיות בתדר גבוה.
4. לחץ על הפעל והמתן כ- 10 שניות עד שהמערכת תתייצב. לאחר מכן לחץ על הקלט כדי להתחיל להקליט את נתוני ההאצה.
5. התאמת מהירות המנוע וכוח האחיזה
   הערה: כפי שמוצג באיור 7, ניסוי זה נערך בשלוש רמות מהירות מנוע (1500, 2500 ו-3500 סל"ד) ושלוש רמות של כוח אחיזה (20, 30 ו-40 N) במהלך כל ניסוי. משך הזמן המשוער של בדיקות HTV של כל נושא הוא 6 דקות.
   1. בקשו מהנושא לנטר את הטכומטר ולהתאים את מהירות המנוע ל-1500 סל"ד עד שהוא יתייצב.
   2. הורה לנושא להתאים את כוח האחיזה בזהירות ל-20 N על-ידי התבוננות באותות הכוח המוצגים ממערכת חישת הלחץ הדקה, ולשמור על רמת כוח אחיזה זו למשך כ-30 שניות.
      הערה: התאמת כוח האחיזה מציינת את העלייה או הירידה בלחץ בין היד לכידון של טרקטור היד. הנבדקים צריכים לבצע את ההתאמה של כוח האחיזה באמצעות החזקת הכידון חזק יותר או קלות.
   3. כוונן את כוח האחיזה ל- 30 N ושמור על 30 שניות. לאחר מכן, להתאים את כוח האחיזה ל 40 N ולשמור על 30 s.
   4. כוונן את מהירות המנוע ל- 2500 סל"ד וחזור על שלבים 4.5.2 ו- 4.5.3.
   5. כוונן את מהירות המנוע ל- 3500 סל"ד וחזור על שלבים 4.5.2 ו- 4.5.3.
6. בקש מהנושא להפוך את מתג המצערת למהירות המנוע הנמוכה ביותר. הניחו את הידית וכיבו את המנוע של טרקטור היד.
7. שמור את הנתונים וכבה את מערכת DAQ. הסר והנח את מדי התאוצה בנושא הבא.
8. חזור על שלבים 4.3 עד 4.7 עד לסיום אוספי הנתונים של כל הנושאים.
9. יצא את נתוני סדרת הזמן של ההאצה לניתוח נוסף.

5. עיבוד וניתוח נתונים

1. יבא את אותות קבוצת המחשבים של זמן הרטט המוקלט לתוכנת MATLAB. חשב את ערכי ריבוע השורש-ממוצע (RMS) של האצת הרטט של נקודת האחיזה של טרקטור היד, המייצגים את החשיפה לרטט במהלך פעולת טרקטור היד, באמצעות המשוואה (1):
   (1)
   כאשר, _RMS הוא RMS של תאוצת^רטט(m/s 2 ) המחושב עבור כל רצועת אוקטבה 1/3, a(t) הוא משרעת תאוצת הרטט הנמדדת (m/s²), ו- T הוא משך האצת הרטט הנמדדת (s).
   הערה: בתקן ISO 5349-1, חשוב להשתמש בהאצת RMS כדי לייצג את עוצמת התנודות המועברות לידי המפעיל.
2. חשב את ערכי ה- RMS של האצת רטט על היד, פרק כף היד, הזרוע והתף של כל נושא באמצעות Equation (1). חשב את יכולת הרטט (TR) באמצעות משוואה (2)^1,14:
   (2)
   כאשר, _in הוא רטט הידית עבור HTV, _{ויציצת החוצה} היא הרטט המתאים בששת המיקומים של מערכת זרוע היד של הנבדק (ראה איור 2).
   הערה: על פי ISO 5349-1, הגורמים (למעט כוח אחיזה ותדירות רטט) עשויים להשפיע על התוצאות של מדידת רטט המועברת ביד כוללים: המיומנות של המפעיל, תנוחת הגוף, תנאי האקלים, רעש, וכו '. כדי להקטין גורמים אקראיים אלה, ערכי TR של כל מיקומי המדידה של עשרת הנבדקים במחקר זה היו ממוצעים.
3. המר את אותות תחום הזמן של נקודת האחיזה לאותות תחום תדירות על-ידי אלגוריתם המרה פורייה (FFT) מהיר באמצעות תוכנית MATLAB כדי לבחון את רטט הקלט.

תוצאות

הניסוי בוצע במעבדה (טמפרטורת אוויר 22°C ± 1°C) בעשרה נבדקים בריאים(לוח 2)במהלך פעולת טרקטור יד במצב נייח.

בעקבות הפרוטוקול נאספו נתוני האצת רטט מהידית של טרקטור היד, כמו גם מהחלק האחורי של היד, פרק כף היד, הזרוע והכתף של כל נושא. הספקטרום של תאוצת הרטט המתרחשת בידית (קלט ?...

Discussion

הפרוטוקול שהוצג במחקר זה נקבע על בסיס תקני HTV^4,5,24, ופותח כצעדים סטנדרטיים למדידת HTV של מערכת זרוע היד האנושית במהלך הפעלת טרקטור יד במצב נייח. מצב זה הוא המצב היציב ביותר של טרקטור היד כדי לסייע להבטיח מדידה אמינה של הרטט מועבר למעשה ליד ולז...

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.