Medição da vibração transmitida à mão do sistema de braço da mão humana durante a operação de um trator de mão

Resumo

Aqui, apresentamos um método padronizado para medição da vibração transmitida à mão a partir de alças de um trator de eixo único com referência especial a mudanças na força de aderência e frequência de vibração.

Resumo

Os operadores de tratores manuais estão expostos a altos níveis de vibração transmitida à mão (HTV). Essa vibração, que pode ser ao mesmo tempo incômoda e perigosa para a saúde humana, é transmitida ao operador através de suas mãos e braços. No entanto, um método padronizado para medir htv de tratores manuais ainda não foi definido. O objetivo do estudo foi apresentar um método experimental para a investigação da resposta biodinâmica e transmissibilidade de vibração do sistema de braço-mão durante a operação de um trator de mão em modo estacionário. As medições foram realizadas com dez sujeitos utilizando três forças de aderência e três níveis de vibração de alça para examinar as influências da pressão da mão e da frequência na vibração transmitida à mão (HTV). Os resultados indicam que o aperto na alça influencia a resposta de vibração do sistema mão-braço, especialmente em frequências entre 20 e 100 Hz. A transmissão de frequências mais baixas no sistema de braço-mão foi relativamente não autenticada. Em comparação, a atenuação foi encontrada bastante marcada para frequências mais altas durante a operação do trator de mão. A transmissibilidade de vibração para diferentes partes do sistema de braço-mão diminuiu com o aumento da distância da fonte de vibração. A metodologia proposta contribui para a coleta de dados consistentes para a avaliação da exposição à vibração do operador e o desenvolvimento ergonômico de tratores manuais.

Introdução

Tratores manuais, também conhecidos como lemes de energia, são amplamente utilizados em países em desenvolvimento para a preparação terrestre de pequenos campos. A operação de campo de um trator de mão envolve andar atrás da máquina e segurar suas alças para controlar seu movimento. Os operadores de tratores manuais estão expostos a altos níveis de vibração, que podem ser atribuídos ao pequeno motor de cilindro único e à falta de sistema de suspensão dos tratores^{manuais 1}. A síndrome de vibração mão-braço (HAVS)² pode ser causada pela resistência de longo período a partir da vibração, chamada vibração transmitida à mão (HTV), gerada pelo trator de mão e recebida pelas mãos do operador. Para avaliar os riscos à saúde derivados da exposição dos operadores ao HTV dos tratores manuais, é necessário estabelecer um método para a medição da resposta de vibração do sistema de braço-mão.

O sistema mão-braço é composto por ossos, músculos, tecidos, veias e artérias, tendões e pele³, e a medição direta do HTV apresenta muitos problemas. As normas internacionais relevantes^4,5 fornecem diretrizes relativas à medição da gravidade da vibração gerada nas proximidades imediatas da mão, incluindo o sistema de coordenadas para a mão, a localização e montagem de acelerômetros, a duração da medição, problemas do conector do cabo, etc. No entanto, as normas não levam em consideração variáveis intrínsecas, como a força de aderência, a postura da mão e do braço, fatores individuais, etc. Esses fatores foram examinados extensivamente sob uma ampla gama de excitações de vibração e condições de teste^{6,7,8,9,10,11,12,13}, mas os resultados de diferentes investigadores não estão em boa concordância. Muitos desses fatores não foram suficientemente compreendidos para serem incorporados aos métodos padrão. Essa restrição é parcialmente atribuível às complexidades do sistema de braço-mão humano, às condições de teste e às diferenças nas técnicas experimentais e de medição empregadas.

Além disso, a maioria das medições anteriores de HTV foram realizadas em condições cuidadosamente controladas com excitações de vibração idealizadas, força de aderência e condições posturais. Os achados e procedimentos experimentais dessas medidas, portanto, podem não realmente replicar condições do mundo real, como as condições de operação dos tratores manuais. Além disso, apenas esforços limitados foram realizados para estudar o HTV de tratores manuais com medições de campo. Estas medidas foram realizadas utilizando acelerômetros ligados ao pulso, braço, peito e cabeça do operador para medir toda a vibração do corpo sob as condições de transporte do trator¹, ou sob as condições de plantio em um campo de engate e puddling em um campo submerso com diferentes níveis de velocidade do motor¹⁴. O efeito da força de aderência, que poderia ser um fator crucial da HTV^7,8,não foi isolado. Esses métodos são, portanto, inadequados como procedimentos de medição padronizados devido às diversas posturas forçadas do operador durante a agricultura atribuídas às duras condições ambientais.

A presente pesquisa foi realizada para contribuir com o estabelecimento de procedimentos confiáveis e repetíveis para a medição de HTV de tratores manuais em modo estacionário. A Figura 1 apresenta o diagrama esquemático do desenho experimental. Um trator de mão fabricado na China e comumente usado por agricultores chineses foi empregado, e dez trabalhadores da pesquisa foram escolhidos como sujeitos para o estudo. Sete acelerômetros piezoelétricos leves ligados ao sistema trator-braço foram usados para medir a vibração. Um tacômetro e dois sensores de pressão de filme fino monitoraram a velocidade do motor e a força de aderência durante os testes. Os sujeitos foram obrigados a operar sequencialmente o trator manual a velocidades especificadas do motor e com forças de aderência especificadas para obter as características de vibração em vários modos operacionais. Este manuscrito fornece um protocolo detalhado para a medição de HTV do sistema trator-braço com consideração única das mudanças na força de aderência e frequência de vibração.

Protocolo

Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê de Ética da Universidade de Tecnologia de Chongqing e cada assunto forneceu consentimento por escrito informado antes da participação neste estudo.

1. Preparação do trator manual

1. Certifique-se de que o trator de mão está sujeito a condições adequadas de teste com um tanque de combustível completo, sem frouxo de parafusos, e sem outros defeitos mecânicos que resultariam em vibração anormal.
   NOTA: As especificações do trator manual utilizado neste experimento são dadas na Tabela 1.
2. Coloque o trator de mão em um local de teste com uma superfície seca, firme e nivelada do solo.
   NOTA: Se este experimento foi realizado em um laboratório interno, o laboratório deve ser bem ventilado para evitar quaisquer efeitos prejudiciais do gás de escape do trator de mão.
3. Remova a tampa de poeira da polia do motor para calibrar convenientemente a velocidade do motor com um velocímetro durante o experimento.
4. Remova os materiais elastoméricos das alças de acordo com a norma ISO 5349-2⁵.

2. Preparação do assunto

1. Certifique-se de que todos os sujeitos estejam saudáveis sem doença física e estejam acima dos 18 anos³. Informe cada assunto sobre os objetivos do estudo e os procedimentos de teste. Obter consentimento informado por escrito de todos os sujeitos.
   1. Excluir indivíduos com as seguintes doenças: doença primária de Raynaud ou fenômeno secundário de Raynaud, comprometimento da circulação sanguínea para as mãos, deformidade dos ossos e articulações, desordens do sistema nervoso periférico ou sistema musculoesquelético³.
2. Peça aos sujeitos que usem roupas sem mangas ou de manga curta, e para remover relógios, pulseiras, anéis, etc.
3. Alerte cada sujeito para não tocar na alavanca de câmbio do trator de mão durante a operação. Avise cada sujeito para ficar longe da polia do motor quando o trator de mão estiver funcionando.
4. Fornecer aos sujeitos treinamento de regulação de velocidade no trator manual. Informe cada assunto para desligar o motor no final do experimento pressionando o botão do interruptor do motor.
   NOTA: Geralmente, a regulação da velocidade do motor é controlada pelo interruptor do acelerador localizado na alça direita, e os sujeitos são treinados para regular a velocidade do motor, girando o interruptor do acelerador para a esquerda (diminuição de velocidade) ou para a direita (aumento de velocidade) com as mãos direitas.
5. Instrua cada assunto como operar o trator manual e como regular a velocidade do motor de 1500 rpm a 3500 rpm.
6. Meça as dimensões do corpo de cada sujeito (altura de pé, massa, comprimento do antebraço, comprimento superior do braço, comprimento da mão).
   NOTA: A Tabela 2 resume as características físicas de dez indivíduos saudáveis neste experimento.
7. Enrole os adaptadores do acelerômetro firmemente na mão e no braço de cada sujeito nos locais indicados na Figura 2.
   NOTA: Cada adaptador foi fabricado usando uma correia de nylon e um pedaço da folha de ferro galvanizada (0,3 mm) para fornecer um acessório rígido e leve.

3. Configuração do sistema de medição

1. Configuração do sistema de medição de aceleração
   NOTA: As etapas atuais visam coletar os sinais de aceleração de vibração da alça do trator de mão e seis locais do sistema de braço manual do operador. A abordagem proposta emprega um sistema compacto de Aquisição de Dados (DAQ) composto por sete acelerômetros, três cartões de aquisição de dados, um chassi DAQ, um computador portátil e alguns cabos associados(Figura 3). Outros tipos de sistemas DAQ com características adequadas para a aplicação envolvida podem ser aplicados da mesma forma.
   1. Antes de iniciar uma medição, reúna todos os componentes do sistema de medição (acelerômetros, sistema de aquisição de dados, sistema de sensoriamento de pressão de película fina, tacômetro, goniômetro digital e outros componentes relevantes).
   2. Para configurar o sistema de medição de aceleração, conecte o acelerômetro com os cartões de aquisição de dados usando os cabos do acelerômetro. Usando um cabo Ethernet, conecte o chassi com o computador.
      NOTA: Foram utilizados neste experimento dois acelerômetros tri-axiais e cinco acelerômetros de eixo único fixados com base magnética de montagem.
   3. Conecte um acelerômetro tri-axial na alça esquerda do trator de mão e conecte o outro no adaptador do acelerômetro da mão do sujeito. Anexar acelerômetros de eixo único, um a um, nos adaptadores do acelerômetro do braço e ombro do sujeito.
      NOTA: Os locais dos acelerômetros são mostrados na Figura 1. A seleção de localização do acelerômetro tri-axial na alça esquerda do trator de mão deve estar o mais próximo possível da mão esquerda do operador.
   4. Ajuste a orientação dos acelerômetros tri-axiais na mão para ser consistente com o sistema de coordenadas basicentric(Figura 4) para medição da vibração mão-braço consulte iso 5349-1 padrão⁴. Usando fita adesiva, fixe os cabos do acelerômetro na superfície da pele do braço do sujeito e no guidão do trator.
2. Configuração de medição da força de aderência
   NOTA: Um sistema de sensor de pressão de película fina^15,16 foi projetado com dois sensores sensíveis à pressão resistiva, um controlador de chip único e um display LED, e foi calibrado antes da medição, como mostrado na Figura 5.
   1. Conecte dois sensores de filme fino simetricamente em lados opostos ao redor do eixo central da alça usando fita adesiva de dois lados.
   2. Coloque a tela do sistema de detecção em uma altura conveniente para que o sujeito possa monitorar e ajustar a força de aderência ao nível especificado durante a operação do trator manual.
3. Configuração de medição de velocidade do motor
   NOTA: A velocidade do motor refere-se às revoluções por minuto (RPM) da hélice do motor trator de mão empregado, o que equivale ao RPM da polia do motor. Um tacômetro a laser foi usado para calibrar e monitorar a velocidade do motor durante a operação.
   1. Conecte um pedaço de fita retrorefletativa (aproximadamente 10 × 10 mm) à superfície da polia do motor para medição do tacômetro a laser.
   2. Coloque o tacômetro em uma altura adequada e perpendicular à fita retrorefletativa.
4. Medição de postura
   1. Instrua o sujeito a segurar e elevar a alça a uma posição horizontal. Meça a postura da mão e do braço do sujeito usando um goniômetro digital.
      NOTA: Os cinco ângulos¹⁷ utilizados para descrever a postura da mão e do braço durante a operação do trator de mão são mostrados na Figura 6. Os ângulos de postura dos sujeitos medidos neste experimento são apresentados na Tabela 2.
   2. Peça ao sujeito para manter a postura até o final do julgamento.

4. Aquisição de experimentos e dados

1. Ligue o trator de mão em ponto morto e mantenha-o funcionando a uma velocidade baixa do motor (cerca de 1500 rpm) por cerca de 30 s até estabilizar.
2. Ligue o tacômetro, o dispositivo de sensor de pressão de filme fino, o computador portátil e o sistema de aquisição de dados de aceleração, respectivamente.
3. Abra o software DAQ e crie um novo arquivo para cada assunto. Defina os parâmetros de aceleração, modo de aquisição e taxa de amostragem para coleta de dados.
   NOTA: Para obter a caracterização precisa do HTV, a taxa de amostragem não deve ser inferior a 1500 Hz. Neste estudo, a taxa amostral foi fixada em 1650 Hz. Se uma taxa de amostragem mais elevada foi usada para a coleta de dados, um filtro de baixa passagem com uma frequência de corte a 1500 Hz foi aconselhado a remover as influências sonoras, como as contribuições irrelevantes de alta frequência.
4. Clique na Run e aguarde cerca de 10 s até que o sistema esteja estabilizado. Em seguida, clique em Gravar para começar a gravar os dados de aceleração.
5. Ajuste da velocidade do motor e força de aderência
   NOTA: Como mostrado na Figura 7, este experimento foi realizado em três níveis de velocidade do motor (1500, 2500 e 3500 rpm) e três níveis de força de aderência (20, 30 e 40 N) durante cada ensaio. A duração aproximada dos testes de HTV de cada sujeito é de 6 minutos.
   1. Peça ao sujeito para monitorar o tacômetro e ajustar a velocidade do motor a 1500 rpm até estabilizar.
   2. Instrua o sujeito ajuste a força de aderência cuidadosamente para 20 N olhando para os sinais de força exibidos do sistema de detecção de pressão de filme fino, e mantenha este nível de força de aderência por cerca de 30 s.
      NOTA: O ajuste da força de aderência denota o aumento ou diminuição da pressão entre a mão e o guidão do trator de mão. Os sujeitos devem realizar o ajuste da força de aderência segurando o guidão com mais força ou levemente.
   3. Ajuste a força de aderência para 30 N e mantenha cerca de 30 s. Em seguida, ajuste a força de aderência para 40 N e mantenha cerca de 30 s.
   4. Ajuste a velocidade do motor para 2.500 rpm e repita as etapas 4.5.2 e 4.5.3.
   5. Ajuste a velocidade do motor para 3.500 rpm e repita as etapas 4.5.2 e 4.5.3.
6. Peça ao sujeito para girar o interruptor do acelerador para a velocidade mais baixa do motor. Abaixe a pega e desligue o motor do trator de mão.
7. Salve os dados e desligue o sistema DAQ. Remova e coloque os acelerômetros sobre o próximo assunto.
8. Repita as etapas 4.3 a 4.7 até o final da coleta de dados de todos os sujeitos.
9. Exporte os dados da série temporal de aceleração para análise suplementar.

5. Processamento e análise de dados

1. Importe os sinais de domínio de tempo de vibração registrados para o software MATLAB. Calcule os valores de raiz-média-quadrada (RMS) da aceleração de vibração da alça do trator de mão, que representam a exposição à vibração durante a operação do trator de mão, com a Equação (1):
   (1)
   onde, um_RMS é o RMS de aceleração de vibração (m/s²) calculado para cada faixa de 1/3 oitava, a(t) é a amplitude de aceleração de vibração medida (m/s²), e T é a duração da aceleração de vibração medida (s).
   NOTA: Na norma ISO 5349-1, é importante usar a aceleração RMS para representar a magnitude das vibrações transmitidas às mãos do operador.
2. Calcule os valores RMS de aceleração de vibração na mão, pulso, braço e ombro de cada sujeito usando Equação (1). Calcule a transmissibilidade de vibração (TR) usando Equação (2)^1,14:
   (2)
   onde, um_in é a vibração da alça para HTV, e uma_saída é a respectiva vibração nos seis locais do sistema de braço de mão do sujeito (ver Figura 2).
   NOTA: De acordo com a ISO 5349-1, os fatores (exceto a força de aderência e a frequência de vibração) podem influenciar os resultados da medição de vibração transmitida à mão incluem: habilidade do operador, postura corporal, condições climáticas, ruído, etc. Para diminuir esses fatores aleatórios, os valores de TR de todos os locais de medição dos dez sujeitos deste estudo foram mediados.
3. Converta os sinais de domínio de tempo da alça em sinais de domínio de frequência pelo algoritmo de transformação fourier rápido (FFT) usando o programa MATLAB para examinar a vibração de entrada.

Resultados

O experimento foi realizado em laboratório (temperatura do ar 22,0 °C ± 1,5 °C) em dez indivíduos saudáveis(Tabela 2) durante a operação de um trator de mão em condição estacionária.

Seguindo o protocolo, foram coletados dados de aceleração de vibração da alça do trator de mão, bem como a parte de trás da mão, o pulso, o braço e o ombro de cada sujeito. O espectro da aceleração de vibração que ocorre na alça (entrada para a mão) foi obtido.

Discussão

O protocolo apresentado neste estudo foi estabelecido com base nas normas HTV^4,5,24, e foi desenvolvido como etapa padrão para a medição do HTV do sistema de braço-mão humano durante a operação de um trator de mão em condição estacionária. Esta condição é o estado mais estável do trator de mão para ajudar a garantir a medição confiável da vibração realmente transmitida para a mão e o braço. A gama de vari?...

Materiais

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.