قياس اهتزاز اليد المرسلة من نظام ذراع اليد البشرية أثناء تشغيل جرار اليد

Summary

هنا، نقدم طريقة موحدة لقياس الاهتزاز المنقول باليد من مقابض جرار أحادي المحور مع إشارة خاصة إلى التغيرات في قوة القبضة وتردد الاهتزاز.

Abstract

يتعرض مشغلو الجرارات اليدوية لمستويات عالية من الاهتزاز المنقول باليد (HTV). هذا الاهتزاز، الذي يمكن أن يكون مزعجا وخطرا على صحة الإنسان، يتم نقله إلى المشغل عن طريق يديه وذراعيها. ومع ذلك، لم يتم بعد تحديد طريقة موحدة لقياس HTV من الجرارات اليدوية. وكان الهدف من الدراسة هو تقديم طريقة تجريبية للتحقيق في الاستجابة الحيوية وقابلية نقل الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية أثناء تشغيل جرار يدوي في وضع ثابت. تم إجراء القياسات مع عشرة مواضيع باستخدام ثلاث قوى قبضة وثلاثة مستويات اهتزاز مقبض لفحص تأثيرات ضغط اليد والتردد على الاهتزاز المنقول باليد (HTV). وتشير النتائج إلى أن ضيق قبضة المقبض يؤثر على استجابة الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية، وخاصة عند الترددات بين 20 و 100 هرتز. وكان انتقال الترددات المنخفضة في نظام الذراع اليدوية غير مخفف نسبيا. وبالمقارنة، وجد أن التوهين ملحوظ تماما بالنسبة للترددات الأعلى أثناء تشغيل جرار اليد. انخفض قابلية الاهتزاز إلى أجزاء مختلفة من نظام الذراع اليدوية مع زيادة المسافة من مصدر الاهتزاز. وتساهم المنهجية المقترحة في جمع بيانات متسقة لتقييم تعرض المشغل للاهتزاز وتطوير بيئة العمل للجرارات اليدوية.

Introduction

وتستخدم الجرارات اليدوية، المعروفة أيضا باسم "تيلرسون الطاقة"، على نطاق واسع في البلدان النامية لإعداد الأراضي في الحقول الصغيرة. تتضمن العملية الميدانية لجرار يدوي المشي خلف الآلة والاحتفاظ بمقابضها للتحكم في حركتها. يتعرض مشغلو الجرارات اليدوية لمستويات عالية من الاهتزاز، والتي يمكن أن تعزى إلى محرك اسطوانة واحدة صغيرة وعدم وجود نظام تعليق من الجرارات اليدوية¹. يمكن أن يكون سبب متلازمة اهتزاز الذراع اليدوية (HAVS)² من القدرة على التحمل لفترة طويلة من الاهتزاز ، واسمه الاهتزاز المنقول باليد (HTV) ، الذي يولده جرار اليد ويتلقى من قبل أيدي المشغل. لتقييم المخاطر الصحية الناجمة عن تعرض المشغلين ل HTV من الجرارات اليدوية ، من الضروري وضع طريقة لقياس استجابة الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية.

يتكون نظام الذراع اليدوي من العظام والعضلات والأنسجة والأوردة والشرايين والأوتار والجلد³، والقياس المباشر ل HTV يطرح العديد من المشاكل. المعايير الدولية ذات الصلة^4،5 توفر المبادئ التوجيهية المتعلقة بقياس شدة الاهتزاز المتولدة في المنطقة المجاورة مباشرة من جهة ، بما في ذلك نظام تنسيق اليد ، وموقع وتركيب مقاييس التسارع ، ومدة القياس ، ومشاكل موصل الكابل ، الخ. ومع ذلك ، فإن المعايير لا تأخذ في الاعتبار المتغيرات الجوهرية ، مثل قوة القبضة ، ووضع اليد والذراع ، والعوامل الفردية ، وما إلى ذلك. وقد تم فحص هذه العوامل على نطاق واسع في ظل مجموعة واسعة من الإثارة الاهتزاز وظروف الاختبار^{6،7،8،9،10،11،12،13}، ولكن نتائج المحققين المختلفة ليست في اتفاق جيد. ولم يفهم بما فيه الكفاية أن العديد من هذه العوامل قد أدرجت في الأساليب الموحدة. ويعزى هذا التقييد جزئيا إلى تعقيدات نظام الذراع اليدوية البشرية، وظروف الاختبار، والاختلافات في التقنيات التجريبية وتقنيات القياس المستخدمة.

وعلاوة على ذلك، تم تنفيذ معظم القياسات السابقة من HTV في ظل ظروف تسيطر عليها بعناية مع الإثارة الاهتزاز المثالي، وقوة قبضة، والظروف الوضعية. ولذلك، فإن النتائج والإجراءات التجريبية لهذه القياسات قد لا تكرر حقا ظروف العالم الحقيقي، مثل ظروف تشغيل الجرارات اليدوية. وعلاوة على ذلك، لم تبذل سوى جهود محدودة لدراسة مركبة HTV للجرارات اليدوية ذات القياسات الميدانية. تم إجراء هذه القياسات باستخدام مقاييس التسارع المرفقة بمعصم المشغل وذراعه وصدره ورأسه لقياس اهتزاز الجسم كله تحت ظروف نقل الجرار¹، أو في ظل ظروف الحرث في حقل مزلق والتمايل في حقل مغمور بمستويات مختلفة من سرعات المحرك^14. لم يكن تأثير قوة قبضة، والتي يمكن أن تكون عاملا حاسما من HTV^7،8، معزولة. ولذلك فإن هذه الأساليب غير مناسبة كمقاييس موحدة بسبب المواقف القسرية المختلفة للمشغل أثناء الزراعة التي تعزى إلى الظروف البيئية القاسية.

وقد أجري هذا البحث للمساهمة في وضع إجراءات موثوقة وقابلة للتكرار لقياس الجرارات اليدوية في مركبة HTV في وضع ثابت. ويعرض الشكل 1 الرسم التخطيطي للتصميم التجريبي. وتم استخدام جرار يدى مصنع فى الصين ويشيع استخدامه من قبل المزارعين الصينيين ، وتم اختيار عشرة من العاملين فى مجال الابحاث كمواضيع للدراسة . واستخدمت سبعة مقاييس تسارع كهرومغناطيسية خفيفة الوزن متصلة بنظام الذراع اليدوية للجرار لقياس الاهتزاز. رصد مقياس سرعة واحد واثنين من أجهزة استشعار الضغط رقيقة الفيلم سرعة المحرك وقوة قبضة أثناء الاختبار. وكان مطلوبا من الأشخاص لتشغيل جرار اليد بشكل تسلسلي بسرعات محرك محددة ومع قوى قبضة محددة للحصول على خصائص الاهتزاز في أوضاع تشغيلية مختلفة. توفر هذه المخطوطة بروتوكولا مفصلا لقياس HTV لنظام الذراع اليدوية للجرار مع النظر بشكل فريد في التغيرات في قوة القبضة وتردد الاهتزاز.

Protocol

وقد وافقت لجنة الأخلاقيات بجامعة تشونغتشينغ للتكنولوجيا على جميع الإجراءات، وقدم كل موضوع موافقة خطية مستنيرة قبل المشاركة في هذه الدراسة.

1. إعداد جرار اليد

1. تأكد من أن جرار اليد يخضع لظروف اختبار مناسبة مع خزان وقود كامل ، دون رخاوة البراغي ، وبدون عيوب ميكانيكية أخرى من شأنها أن تؤدي إلى اهتزاز غير طبيعي.
   ملاحظة: يتم إعطاء مواصفات الجرار اليدوي المستخدم في هذه التجربة في الجدول 1.
2. ضع جرار اليد في موقع اختبار مع سطح الأرض الجافة، شركة، ومستوى.
   ملاحظة: إذا أجريت هذه التجربة في مختبر داخلي، يجب أن يكون المختبر جيدا التهوية لمنع أي آثار ضارة لغاز العادم من جرار اليد.
3. قم بإزالة الغطاء الغباري لبكرة المحرك لمعايرة سرعة المحرك بشكل ملائم باستخدام عداد السرعة أثناء التجربة.
4. إزالة المواد elastomeric من مقابض وفقا لISO 5349-2 القياسية⁵.

2. إعداد الموضوع

1. التأكد من أن جميع الأشخاص يتمتعون بصحة جيدة دون مرض جسدي وفوق سن 18 عاما³سنوات. إبلاغ كل موضوع بأهداف الدراسة وإجراءات الاختبار. الحصول على موافقة خطية مستنيرة من جميع الأشخاص.
   1. استبعاد الأشخاص المصابين بالأمراض التالية: مرض رينود الأولي أو ظاهرة رينود الثانوية، وضعف الدورة الدموية في اليدين، وتشوه العظام والمفاصل، واضطرابات الجهاز العصبي المحيطي أو الجهاز العضلي الهيكلي^3.
2. اطلب من الأشخاص ارتداء ملابس بدون أكمام أو قصيرة الأكمام، وإزالة الساعات والأساور والخواتم، إلخ.
3. تحذير كل موضوع عدم لمس ذراع التحول والعتاد من جرار اليد أثناء التشغيل. تحذير كل موضوع على البقاء بعيدا عن بكرة المحرك عندما جرار اليد قيد التشغيل.
4. تزويد المواد مع تدريب تنظيم السرعة على جرار اليد. أبلغ كل موضوع بإيقاف تشغيل المحرك في نهاية التجربة عن طريق الضغط لأسفل على زر تبديل المحرك.
   ملاحظة: بشكل عام، يتم التحكم في تنظيم سرعة المحرك بواسطة مفتاح الخانق الموجود على المقبض الأيمن، ويتم تدريب الأشخاص على تنظيم سرعة المحرك عن طريق تحويل مفتاح الخانق إلى اليسار (تقليل السرعة) أو إلى اليمين (زيادة السرعة) بأيديهم اليمنى.
5. إرشاد كل موضوع كيفية تشغيل جرار اليد وكيفية تنظيم سرعة المحرك من 1500 دورة في الدقيقة إلى 3500 دورة في الدقيقة.
6. قياس أبعاد الجسم لكل موضوع (ارتفاع دائم، كتلة، طول الساعد، طول الذراع العلوي، طول اليد).
   ملاحظة: يلخص الجدول 2 الخصائص الفيزيائية لعشرة مواضيع صحية في هذه التجربة.
7. التفاف محولات التسارع بإحكام على اليد والذراع من كل موضوع في المواقع المشار إليها في الشكل 2.
   ملاحظة: تم تصنيع كل محول باستخدام حزام نايلون وقطعة من الورقة الحديدية المجلفنة (0.3 مم) لتوفير مرفق جامد وخفيف.

3. إعداد نظام القياس

1. إعداد نظام قياس التسارع
   ملاحظة: تهدف الخطوات الحالية إلى جمع إشارات تسارع الاهتزاز من مقبض الجرار اليدوي وستة مواقع لنظام الذراع اليدوية للمشغل. يستخدم النهج المقترح نظام الحصول على البيانات المدمجة (DAQ) تتألف من سبعة مقاييس التسارع، وثلاث بطاقات الحصول على البيانات، وهيكل DAQ، وجهاز كمبيوتر محمول، وبعض الكابلات المرتبطة بها(الشكل 3). ويمكن بالمثل تطبيق أنواع أخرى من أنظمة DAQ ذات الخصائص المناسبة للتطبيق المعني.
   1. قبل البدء في القياس، اجمع جميع مكونات نظام القياس (مقاييس التسارع، ونظام الحصول على البيانات، ونظام استشعار ضغط الأفلام الرقيقة، ومقياس السرعة، ومقياس التسارع الرقمي، وغيرها من المكونات ذات الصلة).
   2. لإعداد نظام قياس التسارع، قم بتوصيل مقياس التسارع ببطاقات الحصول على البيانات باستخدام كابلات مقياس التسارع. باستخدام كابل إيثرنت، قم بتوصيل الهيكل بالكمبيوتر.
      ملاحظة: تم استخدام مقياسي تسارع ثلاثي المحاور وخمسة مقاييس تسارع أحادية المحور ثابتة مع قاعدة تركيب مغناطيسية في هذه التجربة.
   3. إرفاق واحد ثلاثي المحاور التسارع على المقبض الأيسر من جرار اليد وإرفاق الآخر على محول التسارع من يد هذا الموضوع. إرفاق مقاييس التسارع أحادية المحور، واحدا تلو الآخر، على محولات مقياس التسارع في ذراع وكتف الشخص المعني.
      ملاحظة: مواقع مقاييس التسارع كما هو موضح في الشكل 1. يجب أن يكون اختيار موقع مقياس التسارع ثلاثي المحاور على المقبض الأيسر للجرار اليدوي أقرب ما يكون إلى اليد اليسرى للمشغل قدر الإمكان.
   4. ضبط اتجاه التسارع ثلاثي المحاور على اليد لتكون متسقة مع نظام تنسيق الأساسية(الشكل 4)لقياس اهتزاز الذراع اليدوية الرجوع إلى ISO 5349-1 القياسية⁴. باستخدام شريط لاصق، قم بتأمين كابلات مقياس التسارع على سطح الجلد في ذراع الشخص المعني ومقبض الجرار.
2. إعداد قياس قوة القبضة
   ملاحظة: تم تصميم نظام استشعار الضغط رقيقة فيلم^15،16 مع اثنين من أجهزة الاستشعار الحساسة للضغط المقاوم ، وحدة تحكم رقاقة واحدة ، وشاشة LED ، ومعايرتها قبل القياس ، كما هو مبين في الشكل 5.
   1. إرفاق اثنين من أجهزة الاستشعار رقيقة فيلم متناظرة على طرفي نقيض حول المحور المركزي للمقبض باستخدام شريط لاصق على الوجهين.
   2. ضع شاشة نظام الاستشعار على ارتفاع مناسب بحيث يمكن للموضوع مراقبة وضبط قوة القبضة إلى المستوى المحدد أثناء تشغيل جرار اليد.
3. إعداد قياس سرعة المحرك
   ملاحظة: تشير سرعة المحرك إلى الثورات في الدقيقة (RPM) لمروحة محرك جرار اليد المستخدم، والذي يساوي RPM بكرة المحرك. تم استخدام مقياس سرعة الليزر لمعايرة ومراقبة سرعة المحرك أثناء التشغيل.
   1. إرفاق قطعة من الشريط الرجعية (حوالي 10 × 10 ملم) إلى سطح بكرة المحرك لقياس مقياس سرعة الليزر.
   2. ضع مقياس السرعة في ارتفاع مناسب وم عمودي على الشريط العكسي.
4. قياس الموقف
   1. إرشاد الموضوع إلى عقد ورفع المقبض إلى موضع أفقي. قياس وضعية اليد والذراع للموضوع باستخدام مقياس اليونيمتر الرقمي.
      ملاحظة: تظهر الزوايا الخمس¹⁷ المستخدمة لوصف وضعية اليد والذراع أثناء تشغيل جرار اليد في الشكل 6. يتم عرض زوايا موقف الموضوعات التي تم قياسها في هذه التجربة في الجدول 2.
   2. اطلب من الشخص المعني الحفاظ على الوضعية حتى نهاية المحاكمة.

4. التجربة والحصول على البيانات

1. بدء جرار اليد في محايدة ويبقيه يعمل بسرعة محرك منخفضة (حوالي 1500 دورة في الدقيقة) لحوالي 30 ثانية حتى استقرت.
2. قم بتشغيل مقياس السرعة، وجهاز استشعار الضغط ذو الأفلام الرقيقة، والكمبيوتر المحمول، ونظام الحصول على بيانات التسارع، على التوالي.
3. افتح برنامج DAQ وإنشاء ملف جديد لكل موضوع. تعيين معلمات التسارع ووضع الامتلاك ومعدل أخذ العينات لجمع البيانات.
   ملاحظة: للحصول على التوصيف الدقيق لتلفزيون HTV، ينبغي ألا يقل معدل أخذ العينات عن 1500 هرتز. في هذه الدراسة، تم تحديد معدل أخذ العينات في 1650 هرتز. وإذا استخدم معدل أخذ عينات أعلى لجمع البيانات، ينصح مرشح منخفض التمرير بتردد قطعي عند 1500 هرتز بإزالة تأثيرات الضوضاء مثل المساهمات عالية التردد غير ذات الصلة.
4. انقر فوق تشغيل وانتظر حوالي 10 s حتى يتم تثبيت النظام. ثم انقر فوق تسجيل لبدء تسجيل بيانات التسارع.
5. ضبط سرعة المحرك وقوة القبضة
   ملاحظة: كما هو موضح في الشكل 7، أجريت هذه التجربة على ثلاثة مستويات من سرعة المحرك (1500 و 2500 و 3500 دورة في الدقيقة) وثلاثة مستويات من قوة القبضة (20 و 30 و 40 N) خلال كل تجربة. المدة التقريبية لاختبار HTV لكل موضوع هي 6 دقائق.
   1. اطلب من الشخص المعني مراقبة مقياس سرعة المحرك وضبط سرعة المحرك إلى 1500 دورة في الدقيقة حتى تستقر.
   2. تعليمات هذا الموضوع ضبط قوة قبضة بعناية إلى 20 N من خلال النظر في إشارات القوة المعروضة من نظام استشعار الضغط رقيقة الفيلم، والحفاظ على هذا المستوى قوة قبضة لحوالي 30 ق.
      ملاحظة: تعديل قوة قبضة يدل على زيادة أو نقصان الضغط بين اليد والمقود من جرار اليد. يجب على الأشخاص إجراء تعديل قوة القبضة من خلال عقد المقود بشكل أكثر إحكاما أو بخفة.
   3. ضبط قوة قبضة إلى 30 N والحفاظ على حوالي 30 ق. ثم، ضبط قوة قبضة إلى 40 N والحفاظ على حوالي 30 ق.
   4. ضبط سرعة المحرك إلى 2500 دورة في الدقيقة وكرر الخطوتين 4.5.2 و4.5.3.
   5. ضبط سرعة المحرك إلى 3500 دورة في الدقيقة وكرر الخطوتين 4.5.2 و4.5.3.
6. اطلب من الشخص المعني تحويل مفتاح الخانق إلى أقل سرعة للمحرك. اخماد مقبض وإيقاف تشغيل محرك جرار اليد.
7. حفظ البيانات وإيقاف تشغيل نظام DAQ. إزالة ووضع مقاييس التسارع على الموضوع التالي.
8. كرر الخطوات من 4.3 إلى 4.7 حتى نهاية مجموعات البيانات لكافة المواضيع.
9. تصدير بيانات السلسلة الزمنية تسريع لمزيد من التحليل.

5. معالجة البيانات وتحليلها

1. استيراد إشارات نطاق وقت الاهتزاز المسجلة إلى برنامج MATLAB. حساب قيم الجذر الوسطي المربع (RMS) لتسارع الاهتزاز في مقبض جرار اليد ، والتي تمثل التعرض للاهتزاز أثناء تشغيل جرار اليد ، مع المعادلة (1):
   (1)
   حيث، _RMS هو RMS من تسارع الاهتزاز (م / ث²) محسوبة لكل 1/3rd أوكتاف الفرقة، أ (ر) هو قياس تسارع الاهتزاز السعة (م / ثانية^2)،و T هو مدة تسارع الاهتزاز المقاس (ق).
   ملاحظة: في معيار ISO 5349-1، من المهم استخدام تسريع RMS لتمثيل حجم الاهتزازات المرسلة إلى أيدي المشغل.
2. حساب قيم RMS من تسارع الاهتزاز في متناول اليد والمعصم والذراع والكتف من كل موضوع باستخدام المعادلة (1). حساب قابلية الاهتزاز (TR) باستخدام المعادلة (2)^1،14:
   (2)
   حيث، _في هو الاهتزاز مقبض لHTV، _{والخروج} هو الاهتزاز كل منها في المواقع الستة من نظام الذراع اليد لهذا الموضوع (انظر الشكل 2).
   ملاحظة: وفقا لISO 5349-1، فإن العوامل (باستثناء قوة القبضة وتردد الاهتزاز) قد تؤثر على نتائج قياس الاهتزاز المنقول باليد وتشمل: مهارة المشغل، ووضع الجسم، والظروف المناخية، والضوضاء، الخ. لتقليل هذه العوامل العشوائية، تم متوسط قيم TR لجميع مواقع قياس الموضوعات العشرة في هذه الدراسة.
3. تحويل إشارات المجال الوقت من مقبض لإشارات المجال التردد عن طريق تحويل فورييه سريع (FFT) خوارزمية باستخدام برنامج MATLAB لفحص اهتزاز الإدخال.

النتائج

أجريت التجربة في المختبر (درجة حرارة الهواء 22.0 درجة مئوية ± 1.5 درجة مئوية) على عشرة مواضيع صحية(الجدول 2)أثناء تشغيل جرار يدوي في حالة ثابتة.

بعد البروتوكول، تم جمع بيانات تسارع الاهتزاز من مقبض جرار اليد، وكذلك الجزء الخلفي من اليد والمعصم والذراع والكتف لكل موضوع. ?...

Discussion

تم وضع البروتوكول المقدم في هذه الدراسة على أساس معايير HTV^4و5و²⁴، وتم تطويره كخطوات قياسية لقياس HTV لنظام الذراع اليدوي البشري أثناء تشغيل جرار يدوي في حالة ثابتة. هذا الشرط هو الحالة الأكثر استقرارا من جرار اليد للمساعدة في ضمان قياس موثوق...

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.