Измерение передаваемой рукой вибрации системы руки человека во время работы ручного трактора
Summary
Здесь мы представляем стандартизированный метод измерения вибрации руки от ручек односемейного трактора с особым упоминанием об изменениях силы захвата и частоты вибрации.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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. |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pope, M. H., Magnusson, M., Hansson, T. The upper extremity attenuates intermediate frequency vibrations. Journal of Biomechanics. 30 (2), 103-108 (1997).
- International Organization for Standardization. ISO 8041-1: Human response to vibration-Measuring instrumentation. International Organization for Standardization. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
