JoVE Logo

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Здесь мы представляем стандартизированный метод измерения вибрации руки от ручек односемейного трактора с особым упоминанием об изменениях силы захвата и частоты вибрации.

Аннотация

Операторы ручных тракторов подвергаются воздействию высоких уровней вибрации, передаваемой вручную (HTV). Эта вибрация, которая может быть как любой и опасной для здоровья человека, передается оператору через его руки и руки. Однако стандартизированный метод измерения HTV ручных тракторов еще предстоит определить. Целью исследования было представить экспериментальный метод исследования биодинамической реакции и вибрационное трансмиссивность системы ручной руки при эксплуатации ручного трактора в стационарном режиме. Измерения были выполнены с десятью предметами, использующими три силы захвата и три уровня вибрации ручки для изучения влияния давления рук и частоты на передаваемой вручную вибрации (HTV). Результаты показывают, что герметичность сцепления на ручке влияет на вибрационную реакцию системы рук и рук, особенно на частотах от 20 до 100 Гц. Передача более низких частот в системе рукоукладопередачи была относительно неухотной. Для сравнения, было установлено, что за время эксплуатации ручного трактора довольно заметно для более высоких частот. Вибрационная трансмиссия в различные части системы рук и рук уменьшилась с увеличением расстояния от источника вибрации. Предлагаемая методология способствует сбору согласованных данных для оценки воздействия вибрации оператора и эргономичной разработки ручных тракторов.

Введение

Ручные тракторы, также известные как силовые культиваторы, широко используются в развивающихся странах для подготовки малых месторождений. Полевая эксплуатация ручного трактора включает в себя ходьбу за машиной и проведение ее ручки для управления его движением. Операторы ручных тракторов подвергаются воздействию высоких уровней вибрации, что можно объяснить небольшим одноцилиндровым двигателем и отсутствием системы подвески ручныхтракторов 1. Синдром вибрации рук и рук (HAVS)2 может быть вызван длительной выносливостью от вибрации, названной вибрацией передачи рук (HTV), которая генерируется ручным трактором и получена руками оператора. Для оценки рисков для здоровья, связанных с воздействием операторов на HTV ручных тракторов, необходимо установить метод измерения вибрационное реагирование системы ручной руки.

Ручная система состоит из костей, мышц, тканей, вен и артерий, сухожилийи кожи 3, и прямое измерение HTV создает много проблем. Соответствующие международныестандарты 4,5 обеспечивают руководящие принципы, касающиеся измерения тяжести вибрации, генерируемой в непосредственной близости от руки, включая систему координат для руки, расположение и монтаж акселерометров, продолжительность измерения, проблемы с кабельным разъемом и т.д. Тем не менее, стандарты не принимают во внимание внутренние переменные, такие как сила захвата, поза руки и руки, отдельные факторы и т.д.. Эти факторы были тщательно изучены в широком диапазоне вибрационных возбужденийи тестовых условий 6,7,8,9,10,11,12,13,но результаты различных исследователей не в хорошем согласии. Многие из этих факторов недостаточно изучены для включения в стандартные методы. Это ограничение частично объясняется сложностью системы рукоукладоведения человека, условиями испытаний и различиями в используемых экспериментальных и измерительных методах.

Кроме того, большинство предыдущих измерений HTV проводились в тщательно контролируемых условиях с идеализированными вибрационными возбуждениями, силой захвата и постуральными условиями. Таким образом, результаты и экспериментальные процедуры этих измерений могут не воспроизводить реальные условия, такие, как условия эксплуатации ручных тракторов. Кроме того, были предприняты лишь ограниченные усилия по изучению НТВ ручных тракторов с помощью полевых измерений. Эти измерения были проведены с помощью акселерометров, прикрепленных к запястью оператора, руке, груди и голове для измерения вибрации всеготела в условиях транспортировки трактора 1,или в условиях облеаки в пытном поле и пудирования в погруженном поле с различными уровнямискорости двигателя 14. Эффект силы захвата, который может быть решающим фактором HTV7,8, не был изолирован. Поэтому эти методы не подходят в качестве стандартизированных процедур измерения из-за различных вынужденных поз оператора во время ведения сельского хозяйства, приписываемых суровым экологическим условиям.

В настоящее время были проведены исследования, способствующие созданию надежных и повторяемых процедур измерения ручных тракторов HTV в стационарном режиме. На рисунке 1 представлена схематическая схема экспериментального дизайна. Ручной трактор, изготовленный в Китае и широко используемый китайскими фермерами, был нанят, и десять научных работников были выбраны в качестве субъектов для исследования. Для измерения вибрации были использованы семь легких пьезоэлектрических акселерометров, прикрепленных к тракторно-ручной системе. Один тахометр и два тонкосемейных датчика давления отслеживали скорость двигателя и силу сцепления во время испытаний. Субъекты должны были последовательно эксплуатировать ручной трактор на заданных скоростях двигателя и с указанными силами сцепления для получения характеристик вибрации в различных режимах работы. Эта рукопись содержит подробный протокол для измерения HTV трактора-руки системы с уникальным рассмотрением изменений в силе захвата и частоты вибрации.

протокол

Все процедуры были одобрены Комитетом по этике Чунцинского технологического университета, и каждый предмет дал письменное информированное согласие до участия в этом исследовании.

1. Подготовка ручного трактора

  1. Убедитесь, что ручной трактор подвергается надлежащей испытательной обстановке с полным топливным баком, без рыхлости болтов, и без других механических дефектов, которые приведут к ненормальной вибрации.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Спецификации ручного трактора, используемого в этом эксперименте, представлены в таблице 1.
  2. Поместите ручной трактор на испытательный полигон с сухой, твердой и ровень поверхности земли.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если этот эксперимент был проведен в помещении лаборатории, лаборатория должна быть хорошо проветривается, чтобы предотвратить любые вредное воздействие выхлопного газа от ручного трактора.
  3. Удалите пылевой покров шкив двигателя, чтобы удобно откалибровать скорость двигателя с спидометром во время эксперимента.
  4. Удалите эластометрические материалы ручек в соответствии со стандартом ISO 5349-25.

2. Тема подготовки

  1. Убедитесь, что все испытуемые здоровы без физического недуга и старше 18 лет3. Сообщите каждому предмету о целях исследования и процедурах тестирования. Получить письменное информированное согласие от всех субъектов.
    1. Исключите субъектов со следующими заболеваниями: первичное заболевание Рейно или вторичное явление Рейно, нарушение кровообращения в руках, деформация костей и суставов, нарушения периферической нервной системы или опорно-двигательного аппарата3.
  2. Попросите испытуемых носить одежду без рукавов или с короткими рукавами, а также снять часы, браслеты, кольца и т.д.
  3. Предупредите каждого субъекта не прикасаться к рычагу переключения передач ручного трактора во время эксплуатации. Предупредите каждого субъекта держаться подальше от двигателя шкив, когда рука трактор работает.
  4. Предоставьте предметам обучение регулированию скорости на ручном тракторе. Сообщите каждому субъекту о выключении двигателя в конце эксперимента, нажав на кнопку переключения двигателя.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, регулировка скорости двигателя контролируется переключателем дроссельной заслонки, расположенным на правой ручке, и испытуемые обучены регулировать скорость двигателя, поворачивая переключатель дроссельной заслонки влево (снижение скорости) или вправо (увеличение скорости) правой рукой.
  5. Проинструктируй каждого субъекта, как управлять ручным трактором и как регулировать скорость двигателя от 1500 об/мин до 3500 об/мин.
  6. Измерьте размеры тела каждого субъекта (высота, масса, длина предплечья, длина плеч, длина руки).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Таблица 2 обобщает физические характеристики десяти здоровых субъектов в этом эксперименте.
  7. Оберните адаптеры акселерометра плотно на руке и руке каждого предмета в местах, указанных на рисунке 2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый адаптер был изготовлен с использованием нейлонового ремешка и куска оцинкованного железного листа (0,3 мм), чтобы обеспечить жесткое и легкое крепление.

3. Установка измерительных систем

  1. Установка системы измерения ускорения
    ПРИМЕЧАНИЕ: Нынешние шаги направлены на сбор сигналов ускорения вибрации с ручкой ручного трактора и шести локаций системы рукопоявой руки оператора. Предлагаемый подход использует компактную систему получения данных (ДАЗ), состоящую из семи акселерометров, трех карт для сбора данных, шасси ДАЗ, ноутбука и некоторых связанных с нимикабелей (рисунок 3). Аналогичным образом могут применяться и другие типы систем ДАЗ с надлежащими характеристиками для меха-приложения.
    1. Перед началом измерения соберите все компоненты измерительных систем (акселерометры, система сбора данных, система зондирования давления тонкой пленки, тахометр, цифровой гониометр и другие соответствующие компоненты).
    2. Чтобы настроить систему измерения ускорения, подключите акселерометр с картами получения данных с помощью акселерометровых кабелей. Используя кабель Ethernet, подключите шасси к компьютеру.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте были использованы два трехосных акселерометра и пять одноосных акселерометров, закрепленных магнитной монтажной базой.
    3. Прикрепите один трехаксиальный акселерометр на левую ручку ручного трактора и прикрепите другой на адаптер акселерометра руки субъекта. На акселерометры руки и плеча субъекта прикрепляются одноосные акселерометры, один за другим.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение акселерометров, как показано на рисунке 1. Выбор местоположения трехсевого акселерометра на левой ручке ручного трактора должен быть как можно ближе к левой руке оператора.
    4. Отрегулируйте ориентацию трехосных акселерометров на руке, чтобы соответствовать базовой системе координат(рисунок 4) для измерения вибрации рук и руки относятся к стандарту ISO 5349-14. Используя клейую ленту, закретуйте акселерометрические кабели на поверхности кожи руки субъекта и руле трактора.
  2. Установка измерения силы захвата
    ПРИМЕЧАНИЕ: Тонкая пленка системы зондированиядавления 15,16 был разработан с двумя резистивным давлением чувствительных датчиков, один чип контроллер, и светодиодный дисплей, и был откалиброван до измерения, как показано на рисунке 5.
    1. Прикрепите два тонкого пленкных датчика симметрично по разные стороны вокруг центральной оси рукоятки с помощью двухсторонней клейкой ленты.
    2. Поместите экран системы зондирования на удобную высоту, чтобы объект мог контролировать и регулировать силу захвата до заданного уровня во время работы ручного трактора.
  3. Установка измерения скорости двигателя
    ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость двигателя относится к революциям в минуту (RPM) пропеллера используемого ручного тракторного двигателя, который равен RPM двигателя шкив. Лазерный тахометр использовался для калибровки и мониторинга скорости двигателя во время эксплуатации.
    1. Прикрепите к поверхности двигателя куйвку ретроотражающей ленты (примерно 10 × 10 мм) для измерения лазерного тахометра.
    2. Поместите тахометр на правильную высоту и перпендикулярно ретроотражающей ленте.
  4. Измерение осанки
    1. Поручите субъекту удерживать и поднимать ручку в горизонтальное положение. Измерьте осанку руки и руки субъекта с помощью цифрового гониометра.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пять углов17, используемых для описания осанки руки и руки во время работы ручного трактора показаны на рисунке 6. Углы осанки испытуемых, измеренные в этом эксперименте, представлены в таблице 2.
    2. Попросите субъекта сохранить осанку до конца судебного разбирательства.

4. Эксперимент и сбор данных

  1. Запустите ручной трактор в нейтральном режиме и держать его работает на низкой скорости двигателя (около 1500 об / мин) около 30 с, пока он не стабилизировался.
  2. Включите тахометр, тонкосемейное устройство зондирования давления, портативный компьютер и систему получения данных ускорения, соответственно.
  3. Откройте программное обеспечение ДАК и создайте новый файл для каждого предмета. Установите параметры ускорения, режима приобретения и скорости выборки для сбора данных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы получить точную характеристику HTV, скорость выборки должна быть не менее 1500 Гц. В этом исследовании скорость выборки была установлена на уровне 1650 Гц. Если для сбора данных использовалась более высокая частота выборки, то фильтр с низким проходом с частотой отреза на частоте 1500 Гц был рекомендован для устранения шумовых воздействий, таких как нерелевантные высокочастотные взносы.
  4. Нажмите на запуск и подождите около 10 с, пока система стабилизируется. Затем нажмите Запись, чтобы начать запись данных ускорения.
  5. Регулировка скорости двигателя и силы сцепления
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как показано на рисунке 7, этот эксперимент был проведен на трех уровнях скорости двигателя (1500, 2500 и 3500 об/мин) и три уровня силы сцепления (20, 30 и 40 N) во время каждого испытания. Ориентировочная продолжительность тестирования HTV каждого предмета составляет 6 мин.
    1. Попросите субъекта следить за тахометром и регулировать скорость двигателя до 1500 об/мин, пока он не стабилизируется.
    2. Проинструктируйте субъекта тщательно настроить силу захвата до 20 N, глядя на отображаемые сигналы силы от тонкой пленки давления зондирования системы, и сохранить этот уровень силы захвата около 30 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Регулировка силы захвата обозначает увеличение или уменьшение давления между рукой и рулем ручного трактора. Субъекты должны выполнять регулировку силы захвата, удерживая руль более плотно или легко.
    3. Отрегулируйте силу сцепления до 30 N и держите около 30 с. Затем отрегулируйте силу сцепления до 40 N и держите около 30 с.
    4. Отрегулируйте скорость двигателя до 2500 об/мин и повторите шаги 4.5.2 и 4.5.3.
    5. Отрегулируйте скорость двигателя до 3500 об/мин и повторите шаги 4.5.2 и 4.5.3.
  6. Попросите субъекта включить переключатель дроссельной заслонки до наименьшей скорости двигателя. Свями ручку и выключи двигатель ручного трактора.
  7. Сохраните данные и выключите систему ДАЗ. Удалите и поместите акселерометры на следующий объект.
  8. Повторите шаги от 4,3 до 4,7 до конца сбора данных по всем предметам.
  9. Экспорт данных об ускорениях для дальнейшего анализа.

5. Обработка и анализ данных

  1. Импорт записанных сигналов домена времени вибрации к программе MATLAB. Рассчитайте значения корневого квадрата (RMS) вибрации ускорения рукоятки ручного трактора, которые представляют воздействие вибрации во время работы ручного трактора, с уравнением (1):
    figure-protocol-10354 (1)
    где, RMS является RMS ускорения вибрации/ с 2 ), рассчитывается для каждой 1/3-й октавы полосы, a(t) является измеренная амплитуда ускорения вибрации/ с 2 ), и T является продолжительность измеренного ускорения вибрации (ы).
    ПРИМЕЧАНИЕ: В стандарте ISO 5349-1 важно использовать ускорение RMS для представления величины вибраций, передаваемых в руки оператора.
  2. Рассчитайте значения RMS ускорения вибрации на руке, запястье, руке и плече каждого предмета с помощью Equation (1). Рассчитайте допустимость вибрации (TR) с помощью Equation (2)1,14:
    figure-protocol-11113 (2)
    где, вявляется ручка вибрации для HTV, и изсоответствующих вибрации в шести местах стороны руки-рука системы субъекта (см. рисунок 2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно ISO 5349-1, факторы (за исключением силы захвата и частоты вибрации) могут влиять на результаты измерения вибрации, передаваемой вручную, включают: мастерство оператора, осанку тела, климатические условия, шум и т.д. Чтобы уменьшить эти случайные факторы, значения TR всех мест измерения десяти субъектов в этом исследовании были усредне.
  3. Преобразование сигналов домена времени ручки в частотные сигналы домена по быстрому алгоритму преобразования Fourier (FFT) с помощью программы MATLAB для изучения вибрации ввода.

Результаты

Эксперимент проводился в лаборатории (температура воздуха 22,0 градусов по Цельсию ± 1,5 градуса по Цельсию) на десяти здоровых предметах(таблица 2)во время работы ручного трактора в стационарном состоянии.

По протоколу, данные об ускорении вибрации были собраны с ?...

Обсуждение

Протокол, представленный в данном исследовании, был создан наоснове стандартовHTV 4,5,24, и был разработан в качестве стандартных шагов для измерения HTV человеческой ручной руки системы во время работы ручного трактора в стационарном сост...

Раскрытие информации

Авторов нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Фондом естественных наук Чунцина, Китай (cstc2019jcyj-msxmX0046), проектом Комиссии по образованию Чунцина Китая (KJ'N202001127), а также проектом Комиссии по науке и технологиям округа Банань, Чунцин, Китай (2020TJ-010). Авторы хотели бы поблагодарить профессора Яна Яна за предоставление испытательного полигона. Мы также признательны д-ру Цзиншу Вану и д-ру Цзинхуа Ма за их руководство по использованию приборов измерения вибрации. Спасибо также из-за субъектов за их искреннее сотрудничество во время экспериментов.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
AccelerometersPCB Piezotronics Inc.352C33, 356A04Used to measure vibration signals. Including 2 tri-axial accelerometers and 5 single-axis accelerometers.
CompactDAQ SystemNational InstrumentscRIO-9045,NI-9234 CUsed for acceleration acquisition. The system consists of a chassis and 3 data acquisition cards.
Digital caliperSanliang160800635Used to measure dimensions of the hand.
Digital goniometerSanliang802973Used to measure hand and arm posture.
Laptop computerLenovoIdeapad 500sTo run the softwares.
MatlabMathWorks Inc.Version 2020aUsed for data processing.
NI SignalExpressNational InstrumentsTrial version 2015Use to acquire, analyze and present acceleration data.
TachometerSanliangTM 680Used to measure engine speed.
Thin-film pressure sensing systemYourCeen/aUsed to measure grip force. The system consists of 2 thin-film sensors, a STM32 singlechip and a LED display.

Ссылки

  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), 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. &. #. 2. 0. 1. ;., 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

1721 3

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Исследования

Образование

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены