El Traktörü Çalışması Sırasında İnsan El Kol Sisteminin Elle İletilen Titreşiminin Ölçümü

Özet

Burada, kavrama kuvveti ve titreşim frekansındaki değişikliklere özel referansla tek akslı bir traktörün tutamaklarından elle iletilen titreşimin ölçümü için standartlaştırılmış bir yöntem sunuyoruz.

Özet

El traktörlerinin operatörleri yüksek düzeyde elle iletilen titreşime (HTV) maruz kalır. Hem rahatsız edici hem de insan sağlığı için tehlikeli olabilen bu titreşim, operatöre elleri ve kolları aracılığıyla iletilir. Bununla birlikte, el traktörlerinin HTV'lerini ölçmek için standartlaştırılmış bir yöntem henüz tanımlanmamıştır. Çalışmanın amacı, bir el traktörün sabit modda çalışması sırasında el-kol sisteminin biyodinamik tepkisinin ve titreşim geçirgenliğinin araştırılması için deneysel bir yöntem sunmaktı. Ölçümler, el basıncının ve frekansının elle iletilen titreşim (HTV) üzerindeki etkilerini incelemek için üç kavrama kuvveti ve üç tutamak titreşim seviyesi kullanılarak on denekle gerçekleştirildi. Sonuçlar, tutamak üzerindeki kavrama sıkılığının, özellikle 20 ila 100 Hz arasındaki frekanslarda el-kol sisteminin titreşim tepkisini etkilediğini göstermektedir. El-kol sistemindeki düşük frekansların iletimi nispeten zayıftı. Buna karşılık, zayıflamanın el traktörün çalışması sırasında daha yüksek frekanslar için oldukça belirgin olduğu bulunmuştur. Titreşim kaynağından uzaklık arttıkça el-kol sisteminin farklı bölgelerine titreşim geçirgenliği azaldı. Önerilen metodoloji, operatör titreşim maruziyetinin değerlendirilmesi ve el traktörlerinin ergonomi gelişimi için tutarlı verilerin toplanmasına katkıda bulunur.

Giriş

Güç çapalayıcı olarak da bilinen el traktörleri, gelişmekte olan ülkelerde küçük tarlaların arazi hazırlanması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir el traktörün saha çalışması, makinenin arkasında yürümeyi ve hareketini kontrol etmek için tutamağını tutmayı içerir. El traktörlerinin operatörleri, küçük tek silindirli motora atfedilebilecek ve el traktörlerinin süspansiyon sisteminin eksikliğine atfedilebilecek yüksek titreşim seviyelerine maruz kalır¹. El-kol titreşim sendromu (HAVS)^2, el traktörü tarafından üretilen ve operatörün eliyle alınan el ile iletilen titreşim (HTV) adı verilen titreşimden kaynaklanan uzun süreli dayanıklılıktan kaynaklanabilir. Operatörlerin el traktörlerinin HTV'sine maruz kalmalarından elde edilen sağlık risklerini değerlendirmek için, el-kol sisteminin titreşim tepkisinin ölçümü için bir yöntem oluşturmak gerekir.

El-kol sistemi kemikler, kaslar, dokular, damarlar ve arterler, tendonlar ve cilt^3'tenoluşur ve HTV'nin doğrudan ölçümü birçok sorun teşkil eder. İlgili uluslararası standartlar^4,5, elin koordinat sistemi, ivmeölçerlerin konumu ve montajı, ölçüm süresi, kablo konektörü sorunları vb. Bununla birlikte, standartlar kavrama kuvveti, el ve kolun duruşu, bireysel faktörler vb. Bu faktörler, çok çeşitli titreşim uyarımları ve test koşulları 6^,7 ,⁸,^{9,10,11,12,13}, altında kapsamlı bir şekilde incelenmiştir, ancak farklı araştırmacıların sonuçları iyi bir anlaşma içinde değildir. Bu faktörlerin birçoğunun standart yöntemlere dahil edildiği yeterince anlaşılamamıştır. Bu kısıtlama kısmen insan el-kol sisteminin karmaşıklıklarına, test koşullarına ve kullanılan deneysel ve ölçüm tekniklerindeki farklılıklara atfedilebilir.

Ayrıca, HTV'nin önceki ölçümlerinin çoğu idealize titreşim uyarımları, kavrama kuvveti ve postural koşullarla dikkatlice kontrol edilen koşullar altında gerçekleştirildi. Bu ölçümlerin bulguları ve deneysel prosedürleri, bu nedenle, el traktörlerinin çalışma koşulları gibi gerçek dünya koşullarını gerçekten çoğaltmayabilir. Ayrıca, el traktörlerinin HTV'lerini saha ölçümleriyle incelemek için sadece sınırlı çaba sarf edilmiştir. Bu ölçümler, traktörün taşıma koşulları¹veya bir tazyilmiş alanda çapalama ve farklı motor hızlarına sahip batık bir alanda puddling koşulları altında tüm vücut titreşimini ölçmek için operatörün bileğine, koluna, göğsüne ve kafasına bağlı ivmeölçerler kullanılarak^{gerçekleştirildi 14}. HTV^7,8'in önemli bir faktörü olabilecek kavrama kuvvetinin etkisi izole edilmedi. Bu nedenle bu yöntemler, operatörün zorlu çevre koşullarına atfedilen tarım sırasındaki çeşitli zorunlu duruşları nedeniyle standartlaştırılmış ölçüm prosedürleri olarak uygun değildir.

Mevcut araştırma, el traktörlerinin sabit modda HTV ölçümü için güvenilir ve tekrarlanabilir prosedürlerin oluşturulmasına katkıda bulunmak için yapılmıştır. Şekil 1 deneysel tasarımın şematik diyagramını sunar. Çin'de üretilen ve Çinli çiftçiler tarafından yaygın olarak kullanılan bir el traktörü istihdam edildi ve çalışma için on araştırma çalışanı denek olarak seçildi. Titreşimi ölçmek için traktör-el-kol sistemine bağlı yedi hafif piezoelektrik ivmeölçer kullanıldı. Bir takometre ve iki ince film basınç sensörü, test sırasında motor hızını ve kavrama kuvvetini izledi. Deneklerin, titreşim özelliklerini çeşitli çalışma modlarında elde etmek için el traktörü belirli motor hızlarında ve belirtilen kavrama kuvvetleriyle sırayla çalıştırmaları gerekiyordu. Bu makale, kavrama kuvveti ve titreşim frekansındaki değişikliklerin benzersiz bir şekilde göz önünde bulundurulmasıyla traktör-el-kol sisteminin HTV ölçümü için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır.

Protokol

Tüm prosedürler Chongqing Teknoloji Üniversitesi Etik Kurulu tarafından onaylanmıştır ve her konu bu çalışmaya katılmadan önce yazılı bilgilendirilmiş onay sağlamıştır.

1. El traktörü hazırlığı

1. El traktörün tam bir yakıt tankı ile, cıvata gevşekliği olmadan ve anormal titreşime neden olacak diğer mekanik kusurlar olmadan uygun test koşullarına tabi tutulmasını sağlayın.
   NOT: Bu deneyde kullanılan el traktörün özellikleri Tablo 1'de verilmiştir.
2. El traktörünü kuru, sağlam ve düz zemin yüzeyine sahip bir test alanına yerleştirin.
   NOT: Bu deney kapalı bir laboratuvarda yapıldıysa, egzoz gazının el traktöründen herhangi bir şekilde zararlı etkilerini önlemek için laboratuvar iyi havalandırılmalıdır.
3. Deney sırasında motor hızını bir hız göstergesi ile rahatça kalibre etmek için motor kasnaklarının toz kapağını çıkarın.
4. Sapların elastomerik malzemelerini ISO 5349-2 standart^5'egöre çıkarın.

2. Konu hazırlığı

1. Tüm deneklerin fiziksel rahatsızlık olmadan sağlıklı olduğundan ve 18 yaşın üzerinde olduğundan emin olun³. Her konuyu çalışma amaçları ve test prosedürleri hakkında bilgilendirin. Tüm konulardan yazılı bilgilendirilmiş onay alın.
   1. Aşağıdaki hastalıklara sahip denekler hariç: primer Raynaud hastalığı veya ikincil Raynaud fenomeni, ellere kan dolaşımının bozulması, kemik ve eklemlerin deformitesi, periferik sinir sistemi bozuklukları veya kas-iskelet sistemi³.
2. Deneklerden kolsuz veya kısa kollu kıyafetler giymelerini ve saatleri, bilezikleri, yüzükleri vb.
3. Her bir konuyu çalışma sırasında el traktörün vites değiştirme koluna dokunmaması konusunda uyarın. El traktörü çalışırken her bir konuyu motor kasnaklarından uzak durması konusunda uyarın.
4. El traktörü üzerinde hız düzenleme eğitimi ile deneklere sağlayın. Her bir konuyu, denemenin sonunda motor anahtarı düğmesine basarak motoru kapatması için bilgilendirin.
   NOT: Genellikle motor hız regülasyonu sağ kolun üzerinde bulunan gaz anahtarı ile kontrol edilir ve denekler gaz anahtarını sağ elleriyle sola (hız düşüşü) veya sağa (hız artışı) çevirerek motor hızını düzenlemek üzere eğitilir.
5. Her konuya el traktörün nasıl çalıştırılacağını ve motor hızının 1500 rpm'den 3500 rpm'ye nasıl düzenleneceği konusunda talimat ver.
6. Her bir öznenin vücut boyutlarını ölçün (ayakta durma yüksekliği, kütle, kol uzunluğu, üst kol uzunluğu, el uzunluğu).
   NOT: Tablo 2 bu deneyde on sağlıklı deneğin fiziksel özelliklerini özetlemektedir.
7. İvici ölçer adaptörlerini Şekil 2'debelirtilen konumlarda her konunun eline ve koluna sıkıca sarın.
   NOT: Her adaptör, sert ve hafif bir ataşman sağlamak için bir naylon kayış ve galvanizli demir levhanın bir parçası (0,3 mm) kullanılarak imal edildi.

3. Ölçüm sistemi kurulumu

1. Hızlanma ölçüm sistemi kurulumu
   NOT: Mevcut adımlar, titreşim ivme sinyallerini el traktörü sapından ve operatörün el-kol sisteminin altı yerinden toplamayı amaçlamaktadır. Önerilen yaklaşım, yedi ivmeölçer, üç veri toplama kartı, bir DAQ kasası, bir dizüstü bilgisayar ve bazı ilişkili kablolardan oluşan kompakt bir Veri Toplama (DAQ) sistemi kullanmaktadır (Şekil 3). İlgili uygulama için uygun özelliklere sahip diğer DAQ sistemleri de benzer şekilde uygulanabilir.
   1. Bir ölçüm başlatmadan önce, ölçüm sisteminin tüm bileşenlerini toplayın (ivmeölçerler, veri toplama sistemi, ince film basınç algılama sistemi, takometre, dijital goniometre ve diğer ilgili bileşenler).
   2. Hızlanma ölçüm sistemini kurmak için ivmeölçer kablolarını kullanarak ivmeölçerleri veri toplama kartlarına bağlayın. Ethernet kablosu kullanarak kasayı bilgisayara bağlayın.
      NOT: Bu deneyde manyetik montaj tabanı ile sabitlenmiş iki üç eksenli ivmeölçer ve beş tek eksenli ivmeölçer kullanılmıştır.
   3. Bir tri-eksenel ivmeölçer el traktörün sol koluna takın ve diğerini de konunun elinin ivmeölçer adaptörüne takın. Deneğin kolunun ve omzunun ivmeölçer adaptörlerine tek eksenli ivmeölçerleri tek tek takın.
      NOT: İviciometrelerin konumları Şekil 1'degösterildiği gibidir. El traktörün sol kolundaki üç eksenli ivmeölçerin konum seçimi operatörün sol eline mümkün olduğunca yakın olmalıdır.
   4. Eldeki üç eksenli ivmeölçerlerin yönünü, el-kol titreşiminin ölçümü içintemel koordinat sistemiyle tutarlı olacak şekilde ayarlayın ISO 5349-1 standart^4'ebakın. Yapışkan bant kullanarak, ivmeölçer kablolarını öznenin kolunun ve traktörün gidonunun cilt yüzeyine sabitleyin.
2. Kavrama kuvveti ölçüm kurulumu
   NOT:^15,16 ince film basınç algılama sistemi, iki dirençli basınca duyarlı sensör, tek çipli bir denetleyici ve bir LED ekran ile tasarlanmıştır ve Şekil 5'tegösterildiği gibi ölçümden önce kalibre edildi.
   1. Çift taraflı yapışkan bant kullanarak sapın orta ekseninin etrafındaki karşı taraflara simetrik olarak iki ince film sensörü takın.
   2. Algılama sisteminin ekranını uygun bir yüksekliğe yerleştirin, böylece konu el traktörün çalışması sırasında kavrama kuvvetini belirtilen seviyeye kadar izleyebilir ve ayarlayabilir.
3. Motor hızı ölçüm kurulumu
   NOT: Motor hızı, kullanılan el traktörü motorunun pervanesinin dakika başına devirlerini (RPM) ifade eder, bu da motor kasnaklarının RPM'sine eşittir. Çalışma sırasında motor hızını kalibre etmek ve izlemek için bir lazer takometre kullanıldı.
   1. Lazer takometre ölçümü için motor kasnak yüzeyine bir parça retroreflektif bant (yaklaşık 10 × 10 mm) takın.
   2. Takometreyi uygun bir yüksekliğe ve retroreflektif banta dik olarak yerleştirin.
4. Duruş ölçümü
   1. Özneye tutamacı yatay bir konuma tutmasını ve yükseltmesini söyleyin. Dijital bir goniometre kullanarak konunun el ve kol duruşunu ölçün.
      NOT: El traktörü çalışması sırasında el ve kol duruşunu tanımlamak için kullanılan¹⁷ beş açı Şekil 6'dagösterilmiştir. Bu deneyde ölçülen deneklerin duruş açıları Tablo 2'de sunulmuştur.
   2. Deneklerden duruşmanın sonuna kadar duruşunu korumasını isteyin.

4. Deney ve veri toplama

1. El traktörü nötr olarak çalıştırın ve stabilize olana kadar yaklaşık 30 sn boyunca düşük motor hızında (yaklaşık 1500 rpm) çalışmaya devam edin.
2. Sırasıyla takometreyi, ince film basınç algılama cihazını, dizüstü bilgisayarı ve hızlandırma veri toplama sistemini açın.
3. DAQ yazılımını açın ve her konu için yeni bir dosya oluşturun. Veri toplama için hızlandırma, alma modu ve örnekleme hızı parametrelerini ayarlayın.
   NOT: HTV'nin doğru karakterizasyonunu elde etmek için örnekleme oranı 1500 Hz'den az olmamalıdır. Bu çalışmada örnekleme oranı 1650 Hz olarak belirlenmiştir. Veri toplama için daha yüksek bir örnekleme oranı kullanıldıysa, 1500 Hz'de kesme frekansı olan düşük geçişli bir filtrenin, alakasız yüksek frekans katkıları gibi gürültü etkilerini kaldırması tavsiye edildi.
4. Çalıştır'ı tıklatın ve sistem stabilize olana kadar yaklaşık 10 s bekleyin. Ardından, hızlandırma verilerini kaydetmeye başlamak için Kaydet'i tıklatın.
5. Motor hızının ve kavrama kuvvetinin ayarlanmasında
   NOT: Şekil 7'degösterildiği gibi, bu deney her deneme sırasında üç motor hızı (1500, 2500 ve 3500 rpm) ve üç kavrama kuvveti (20, 30 ve 40 N) seviyesinde gerçeklenmiştir. Her deneğin HTV testinin yaklaşık süresi 6 dk'dır.
   1. Deneklerden takometreyi izlemesini ve motor hızını stabilize olana kadar 1500 rpm'ye ayarlamasını isteyin.
   2. İnce film basınç algılama sisteminden görüntülenen kuvvet sinyallerine bakarak konuya kavrama kuvvetini 20 N'ye dikkatlice ayarlamasını söyleyin ve bu kavrama kuvveti seviyesini yaklaşık 30 sn boyunca tutun.
      NOT: Kavrama kuvvetinin ayarlanmasında, el ile el traktörü gidon arasındaki basıncın artması veya azalması anlamına gelmektedir. Denekler gidonu daha sıkı veya hafif tutarak kavrama kuvvetinin ayarını yapmalıdır.
   3. Kavrama kuvvetini 30 N'ye ayarlayın ve yaklaşık 30 sn tutun. Ardından, kavrama kuvvetini 40 N'ye ayarlayın ve yaklaşık 30 sn tutun.
   4. Motor hızını 2500 rpm'ye ayarlayın ve 4.5.2 ve 4.5.3 adımlarını yineleyin.
   5. Motor hızını 3500 rpm'ye ayarlayın ve 4.5.2 ve 4.5.3 adımlarını yineleyin.
6. Deneklerden gaz pedalını en düşük motor hızına çevirmesini isteyin. Kolu bırak ve el traktörün motorını kapat.
7. Verileri kaydedin ve DAQ sistemini kapatın. İviciometreleri çıkarın ve bir sonraki konuya yerleştirin.
8. Tüm konuların veri koleksiyonlarının sonuna kadar 4,3 ile 4,7 arasında olan adımları yineleyin.
9. Daha fazla analiz için ivme zaman serisi verilerini dışa aktar.

5. Veri işleme ve analiz

1. Kaydedilen titreşim süresi etki alanı sinyallerini MATLAB yazılımına aktarın. El traktörünün çalışması sırasında titreşime maruz kalmayı temsil eden el traktörünün sapının titreşim ivmesinin kök-ortalama kare (RMS) değerlerini Denklem (1) ile hesaplayın:
   (1)
   burada _RMS, her^1/3.oktav bandı için hesaplanan titreşim ivmesinin RMS'si (m/s^2), a(t) ölçülen titreşim ivmesi genliği (m/s 2) ve T ölçülen titreşim ivmesinin (ler) süresidir.
   NOT: ISO 5349-1 standardında, operatörün eline iletilen titreşimlerin büyüklüğünü temsil etmek için RMS ivmesinin kullanılması önemlidir.
2. Denklem (1) kullanarak her konunun elde, bilekte, kolda ve omuzda titreşim ivmesinin RMS değerlerini hesaplayın. Denklem (2) 1^,14kullanarak titreşim aktarilebilirliğini (TR) hesaplayın:
   (2)
   burada, bir_in HTV için tutamak titreşimidir ve bir_çıkış, konunun el-kol sisteminin altı konumundaki ilgili titreşimdir (bkz. Şekil 2).
   NOT: ISO 5349-1'e göre, faktörler (kavrama kuvveti ve titreşim frekansı hariç) elle iletilen titreşim ölçümünün sonuçlarını etkileyebilir: operatörün becerisi, vücut duruşu, iklim koşulları, gürültü vb. Bu rastgele faktörleri azaltmak için, bu çalışmadaki on deneğin tüm ölçüm yerlerinin TR değerleri ortalama alındı.
3. Giriş titreşimini incelemek için MATLAB programını kullanarak hızlı Fourier dönüştürme (FFT) algoritması ile tutamacın zaman etki alanı sinyallerini frekans etki alanı sinyallerine dönüştürün.

Sonuçlar

Deney, laboratuvarda (hava sıcaklığı 22,0 °C ± 1,5 °C) on sağlıklı denek üzerinde(Tablo 2)sabit bir durumda bir el traktörün çalışması sırasında gerçekleştirildi.

Protokolün ardından el traktörün sapının yanı sıra elin arkası, bilek, kol ve her konunun omzundan titreşim ivmesi verileri toplandı. Sapta meydana gelen titreşim ivmesinin spektrumu (ele giriş) elde edildi. Şekil 8, belirli bir süre boyunca 3500 rpm m...

Tartışmalar

Bu çalışmada sunulan protokol^HTVstandartları 4 , 5^,24temel alınarak oluşturulmuş ve sabit durumda bir el traktörü çalışması sırasında insan el-kol sisteminin HTV ölçümü için standart adımlar olarak geliştirilmiştir. Bu durum, gerçekten ele ve kola iletilen titreşimin güvenilir bir şekilde ölçülmesine yardımcı olmak için el traktörün en kararlı durumudur. Motor hızı ve kavrama kuvvetinin ayar...

Malzemeler

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.