Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

מדידת הרטט המועבר ביד של מערכת זרוע היד האנושית במהלך פעולת טרקטור יד

Published: June 16, 2021 doi: 10.3791/62508
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3Mechanical and Manufacturing Engineering, Miami University

Summary

כאן, אנו מציגים שיטה סטנדרטית למדידת הרטט המועבר ביד מידות של טרקטור בעל ציר יחיד עם התייחסות מיוחדת לשינויים בכוח האחיזה ובתדירות הרטט.

Abstract

מפעילי טרקטורים יד חשופים לרמות גבוהות של רטט המועבר ביד (HTV). רטט זה, אשר יכול להיות גם מרגיז ומסוכן לבריאות האדם, מוענק למפעיל באמצעות ידיו וזרועותיו. עם זאת, שיטה סטנדרטית למדידת HTV של טרקטורים ביד טרם הוגדרה. מטרת המחקר הייתה להציג שיטה ניסיונית לחקירת התגובה הביודינמית והתמרנות הרטט של מערכת זרוע היד במהלך פעולת טרקטור יד במצב נייח. המדידות בוצעו עם עשרה נבדקים באמצעות שלושה כוחות אחיזה ושלוש רמות רטט ידית כדי לבחון את ההשפעות של לחץ היד ותדירות על רטט המועבר ביד (HTV). התוצאות מצביעות על כך שההידוק של האחיזה בידית משפיע על תגובת הרטט של מערכת זרוע היד, במיוחד בתדרים שבין 20 ל-100 הרץ. העברת התדרים הנמוכים יותר במערכת זרוע היד הייתה יחסית לא מנוצלת. לשם השוואה, הנחתה נמצאה מסומנת למדי עבור תדרים גבוהים יותר במהלך הפעולה של טרקטור היד. טרנסמיסיות הרטט לחלקים שונים של מערכת זרוע היד פחתה עם הגדלת המרחק ממקור הרטט. המתודולוגיה המוצעת תורמת לאיסוף נתונים עקביים להערכת חשיפה לרטט מפעיל ולפיתוח ארגונומיה של טרקטורים ידניים.

Introduction

טרקטורים ידניים, הידועים גם בשם עובדי כוח, נמצאים בשימוש נרחב במדינות מתפתחות להכנת קרקעות של שדות קטנים. פעולת השדה של טרקטור יד כרוכה בהליכה מאחורי המכונה והחזקת ידיותיה כדי לשלוט בתנועתה. מפעילי טרקטורים יד חשופים לרמות גבוהות של רטט, אשר ניתן לייחס מנוע צילינדר יחיד קטן וחוסר מערכת מתלים של טרקטורים יד1. תסמונת רטט זרוע היד (HAVS) 2 יכול להיגרם על ידיסיבולת ארוכת טווח מן הרטט, בשם רטט המועבר ביד (HTV), אשר נוצר על ידי טרקטור היד והתקבל על ידי הידיים של המפעיל. כדי להעריך את הסיכונים הבריאותיים הנגזרים מחשיפה של מפעילים ל- HTV של טרקטורים ביד, יש צורך לקבוע שיטה למדידת תגובת הרטט של מערכת זרוע היד.

מערכת זרוע היד מורכבת מעצמות, שרירים, רקמות, ורידים ועורקים, גידים ועור3, והמדידה הישירה של HTV מציבה בעיות רבות. התקנים הבינלאומיים הרלוונטיים4,5 מספקים קווים מנחים הנוגעים למדידת חומרת הרטט שנוצר בסביבה הקרובה של היד, כולל מערכת הקואורדינטות של היד, מיקום והרכבה של מדי תאוצה, משך המדידה, בעיות מחבר הכבלים וכו '. עם זאת, הסטנדרטים אינם לוקחים בחשבון משתנים מהותיים, כגון כוח האחיזה, תנוחת היד והזרוע, גורמים בודדים וכו '. גורמים אלה נבדקו בהרחבה תחת מגוון רחב של עירור רטט ותנאי בדיקה6,7,8,9,10,11,12,13, אבל התוצאות של חוקרים שונים אינם בהסכמה טובה. רבים מגורמים אלה לא הובנו מספיק כדי להיות משולבים בשיטות סטנדרטיות. הגבלה זו מיוחסת בחלקה למורכבויות של מערכת זרוע היד האנושית, לתנאי הבדיקה ולהבדלים בטכניקות הניסוי והמדידה שבהן נעשה שימוש.

יתר על כן, רוב המדידות הקודמות של HTV בוצעו בתנאים מבוקרים בקפידה עם עירור רטט אידיאלי, כוח אחיזה, ותנאי יציבה. הממצאים וההליכים הניסיוניים של מדידות אלה, אם כן, אינם יכולים לשכפל באמת את התנאים בעולם האמיתי, כגון תנאי הפעולה של טרקטורים ידניים. יתר על כן, רק מאמצים מוגבלים נעשו כדי ללמוד את HTV של טרקטורים יד עם מדידות שדה. מדידות אלה בוצעו באמצעות מדי תאוצה המחוברים לפרק כף היד, הזרוע, החזה והראש של המפעיל כדי למדוד את כל רטט הגוף בתנאי ההובלה של הטרקטור1, או בתנאים של עיקול בשדה עד פודינג בשדה שקוע עם רמות שונות של מהירויות מנוע14. ההשפעה של כוח האחיזה, אשר יכול להיות גורם מכריע של HTV7,8, לא היה מבודד. לפיכך, שיטות אלה אינן מתאימות להליכי מדידה סטנדרטיים בשל תנוחותיה הכפויות השונות של המפעילה בחקלאות המיוחסות לתנאי הסביבה הקשים.

המחקר הנוכחי נערך כדי לתרום להקמת נהלים אמינים וחוזרים על עצמם למדידת HTV של טרקטורים ביד במצב נייח. איור 1 מציג את הדיאגרמה הסכימטית של העיצוב הניסיוני. טרקטור יד המיוצר בסין ומשמש בדרך כלל על ידי חקלאים סינים הועסק, ועשרה עובדי מחקר נבחרו כנושאים למחקר. שבעה מדי תאוצה פיזואלקטריים קלים המחוברים למערכת זרועות הטרקטור שימשו למדידת הרטט. טכומטר אחד ושני חיישני לחץ דקים ניטרו את מהירות המנוע וכוח האחיזה במהלך הבדיקות. הנבדקים נדרשו להפעיל ברצף את טרקטור היד במהירויות מנוע מוגדרות ועם כוחות אחיזה מוגדרים כדי להשיג את מאפייני הרטט במצבים מבצעיים שונים. כתב יד זה מספק פרוטוקול מפורט למדידת HTV של מערכת זרועות הטרקטור עם התחשבות ייחודית בשינויים בכוח האחיזה ובתדירות הרטט.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של אוניברסיטת צ'ונגצ'ינג לטכנולוגיה וכל נושא סיפק הסכמה מדעת בכתב לפני ההשתתפות במחקר זה.

1. הכנת טרקטור יד

  1. ודא שהטרקטור היד נתון לתנאי בדיקה נאותים עם מיכל דלק מלא, ללא רופף של ברגים, וללא פגמים מכניים אחרים יגרמו לרטט חריג.
    הערה: המפרטים של טרקטור היד המשמש בניסוי זה ניתנים בטבלה 1.
  2. הנח את טרקטור היד באתר בדיקה עם משטח קרקע יבש, מוצק ומאוזן.
    הערה: אם ניסוי זה נערך במעבדה מקורה, המעבדה חייבת להיות מאווררת היטב כדי למנוע השפעות מזיקות של גז הפליטה מהטרקטור היד.
  3. הסר את כיסוי האבק של גלגלת המנוע כדי לכייל בנוחות את מהירות המנוע במד מהירות במהלך הניסוי.
  4. הסר את החומרים האלסטומריים של הידיות על פי תקן ISO 5349-25.

2. הכנת נושא

  1. ודא כי כל הנושאים בריאים ללא מחלות גופניות והם מעל גיל 18 שנים3. יש ליידע כל נושא על מטרות המחקר ונהלי הבדיקה. קבל הסכמה מדעת בכתב מכל הנושאים.
    1. אל תכלול נושאים עם המחלות הבאות: מחלת ריינו העיקרית או התופעה המשנית של ריינו, פגיעה במחזור הדם לידיים, עיוות בעצמות ובמפרקים, הפרעות במערכת העצבים ההיקפית או במערכת השלד והשרירים3.
  2. בקשו מהנושאים ללבוש בגדים ללא שרוולים או עם שרוולים קצרים, ולהסיר שעונים, צמידים, טבעות וכו'.
  3. הזהר כל נבדק שלא לגעת בידית הזזת ההילוכים של טרקטור היד במהלך הפעולה. הזהר כל נושא להתרחק גלגלת המנוע כאשר טרקטור היד פועל.
  4. ספק לנבדקים אימון ויסות מהירות על הטרקטור היד. הודע לכל נבדק לכבות את המנוע בסוף הניסוי על-ידי לחיצה על לחצן מתג המנוע.
    הערה: בדרך כלל, ויסות מהירות המנוע נשלט על ידי מתג המצערת הממוקם על הידית הימנית, והנבדקים מאומנים לווסת את מהירות המנוע על ידי סיבוב מתג המצערת שמאלה (הפחתת מהירות) או ימינה (עליית מהירות) בידיים הימניות.
  5. הנחה כל נושא כיצד להפעיל את טרקטור היד וכיצד לווסת את מהירות המנוע מ 1500 סל"ד ל 3500 סל"ד.
  6. למדוד את מידות הגוף של כל נושא (גובה עומד, מסה, אורך האמה, אורך הזרוע העליונה, אורך היד).
    הערה: טבלה 2 מסכמת את המאפיינים הפיזיים של עשרה נבדקים בריאים בניסוי זה.
  7. עטפו את מתאמי מד התאוצה בחוזקה על היד והזרוע של כל נושא במקומות המצוינים באיור 2.
    הערה: כל מתאם היה מפוברק באמצעות רצועת ניילון וחתיכה של גיליון ברזל מגולוון (0.3 מ"מ) כדי לספק חיבור נוקשה וקל.

3. הגדרת מערכת מדידה

  1. הגדרת מערכת מדידת האצה
    הערה: השלבים הנוכחיים שואפים לאסוף את אותות האצת הרטט מהידית של טרקטור היד ושישה מיקומים של מערכת זרוע היד של המפעיל. הגישה המוצעת משתמשת במערכת קומפקטית לרכישת נתונים (DAQ) המורכבת משבעה מדי תאוצה, שלושה כרטיסי רכישת נתונים, מארז DAQ, מחשב נייד וכמה כבלים משויכים (איור 3). סוגים אחרים של מערכות DAQ עם מאפיינים מתאימים עבור היישום המעורב ניתן להחיל באופן דומה.
    1. לפני התחלת המדידה, אסוף את כל מרכיבי מערכת המדידה (מדי תאוצה, מערכת רכישת נתונים, מערכת חישת לחץ סרט דק, טכומטר, גוניומטר דיגיטלי ורכיבים רלוונטיים אחרים).
    2. כדי להגדיר את מערכת מדידת התאוצה, חבר את מד התאוצה באמצעות כרטיסי רכישת הנתונים באמצעות כבלי מד התאוצה. באמצעות כבל Ethernet, חבר את המארז למחשב.
      הערה: בניסוי זה נעשה שימוש בשני מדי תאוצה תלת-ציריים וחמישה מדי תאוצה חד-ציריים קבועים עם בסיס הרכבה מגנטי.
    3. חבר מד תאוצה תלת-צירי אחד על הידית השמאלית של טרקטור היד וחבר את השני למתאם מד התאוצה של ידו של הנבדק. חבר מדי תאוצה חד-ציריים, בזה אחר זה, למתאמי מד התאוצה של הזרוע והכתף של הנבדק.
      הערה: מיקומם של מדי התאוצה מוצג באיור 1. בחירת המיקום של מד התאוצה התלת-צירי על הידית השמאלית של טרקטור היד צריכה להיות קרובה ככל האפשר ליד שמאל של המפעיל.
    4. התאם את הכיוון של מדי התאוצה התלת-ציריים שביד כך שיתאימו למערכת הקואורדינטות הבסיסית (איור 4) למדידת רטט זרוע היד מתייחסים לתקן ISO 5349-14. באמצעות סרט הדבקה, אבטח את כבלי מד התאוצה על משטח העור של זרוע הנבדק וכידון הטרקטור.
  2. כיוונון מדידת כוח אחיזה
    הערה: מערכת חישת לחץ סרט דק15,16 תוכננה עם שני חיישנים רגישים ללחץ התנגדותי, בקר עם שבב יחיד וצג LED, וכוילה לפני המדידה, כפי שמוצג באיור 5.
    1. חבר שני חיישני סרט דק באופן סימטרי בצדדים מנוגדים סביב הציר המרכזי של הידית באמצעות סרט הדבקה דו-צדדי.
    2. הנח את מסך מערכת החישה בגובה נוח כדי שהנושא יוכל לנטר ולהתאים את כוח האחיזה לרמה שצוינה במהלך פעולת טרקטור היד.
  3. כיוונון מדידת מהירות מנוע
    הערה: מהירות המנוע מתייחסת למהפכות לדקה (סל"ד) של המדחף של מנוע הטרקטור הידני המועסקים, השווה לסל"ד של גלגלת המנוע. טכומטר לייזר שימש לכיול ולניטור מהירות המנוע במהלך הפעולה.
    1. חבר חתיכת סרט רטרו-רטרואקטיבי (כ-10 × 10 מ"מ) למשטח גלגלת המנוע למדידת טכומטר לייזר.
    2. מניחים את הטאכומטר בגובה הנכון בניצב לקלטת הרטרו-רטרואקטיבית.
  4. מדידת יציבה
    1. הורה לנושא להחזיק ולהרים את נקודת האחיזה למיקום אופקי. למדוד את תנוחת היד והיד של הנושא באמצעות goniometer דיגיטלי.
      הערה: חמש הזוויות17 המשמשות לתיאור תנוחת היד והזרוע במהלך פעולת טרקטור היד מוצגות באיור 6. זוויות היציבה של הנבדקים הנמדדות בניסוי זה מוצגות בטבלה 2.
    2. בקש מהנושא לשמור על היציבה עד סוף המשפט.

4. ניסויים ורכישת נתונים

  1. הפעל את טרקטור היד בניטרלי ולשמור אותו פועל במהירות מנוע נמוכה (סביב 1500 סל"ד) במשך כ 30 שניות עד שהוא התייצב.
  2. הפעל את הטכומטר, את התקן חישת הלחץ הדק, את המחשב הנייד ואת מערכת איסוף נתוני ההאצה, בהתאמה.
  3. פתח את תוכנת DAQ וצור קובץ חדש עבור כל נושא. הגדר את הפרמטרים של האצה, מצב רכישה וקצב דגימה עבור איסוף נתונים.
    הערה: כדי לקבל את האפיון המדויק של HTV, קצב הדגימה צריך להיות לא פחות מ 1500 הרץ. במחקר זה, קצב הדגימה נקבע על 1650 הרץ. אם נעשה שימוש בקצב דגימה גבוה יותר לאיסוף נתונים, מומלץ להשתמש במסנן מעבר נמוך עם תדר ניתוק ב- 1500 הרץ כדי להסיר את השפעות הרעש כגון התרומות הלא רלוונטיות בתדר גבוה.
  4. לחץ על הפעל והמתן כ- 10 שניות עד שהמערכת תתייצב. לאחר מכן לחץ על הקלט כדי להתחיל להקליט את נתוני ההאצה.
  5. התאמת מהירות המנוע וכוח האחיזה
    הערה: כפי שמוצג באיור 7, ניסוי זה נערך בשלוש רמות מהירות מנוע (1500, 2500 ו-3500 סל"ד) ושלוש רמות של כוח אחיזה (20, 30 ו-40 N) במהלך כל ניסוי. משך הזמן המשוער של בדיקות HTV של כל נושא הוא 6 דקות.
    1. בקשו מהנושא לנטר את הטכומטר ולהתאים את מהירות המנוע ל-1500 סל"ד עד שהוא יתייצב.
    2. הורה לנושא להתאים את כוח האחיזה בזהירות ל-20 N על-ידי התבוננות באותות הכוח המוצגים ממערכת חישת הלחץ הדקה, ולשמור על רמת כוח אחיזה זו למשך כ-30 שניות.
      הערה: התאמת כוח האחיזה מציינת את העלייה או הירידה בלחץ בין היד לכידון של טרקטור היד. הנבדקים צריכים לבצע את ההתאמה של כוח האחיזה באמצעות החזקת הכידון חזק יותר או קלות.
    3. כוונן את כוח האחיזה ל- 30 N ושמור על 30 שניות. לאחר מכן, להתאים את כוח האחיזה ל 40 N ולשמור על 30 s.
    4. כוונן את מהירות המנוע ל- 2500 סל"ד וחזור על שלבים 4.5.2 ו- 4.5.3.
    5. כוונן את מהירות המנוע ל- 3500 סל"ד וחזור על שלבים 4.5.2 ו- 4.5.3.
  6. בקש מהנושא להפוך את מתג המצערת למהירות המנוע הנמוכה ביותר. הניחו את הידית וכיבו את המנוע של טרקטור היד.
  7. שמור את הנתונים וכבה את מערכת DAQ. הסר והנח את מדי התאוצה בנושא הבא.
  8. חזור על שלבים 4.3 עד 4.7 עד לסיום אוספי הנתונים של כל הנושאים.
  9. יצא את נתוני סדרת הזמן של ההאצה לניתוח נוסף.

5. עיבוד וניתוח נתונים

  1. יבא את אותות קבוצת המחשבים של זמן הרטט המוקלט לתוכנת MATLAB. חשב את ערכי ריבוע השורש-ממוצע (RMS) של האצת הרטט של נקודת האחיזה של טרקטור היד, המייצגים את החשיפה לרטט במהלך פעולת טרקטור היד, באמצעות המשוואה (1):
    Equation 1 (1)
    כאשר, RMS הוא RMS של תאוצתרטט(m/s 2 ) המחושב עבור כל רצועת אוקטבה 1/3, a(t) הוא משרעת תאוצת הרטט הנמדדת (m/s2), ו- T הוא משך האצת הרטט הנמדדת (s).
    הערה: בתקן ISO 5349-1, חשוב להשתמש בהאצת RMS כדי לייצג את עוצמת התנודות המועברות לידי המפעיל.
  2. חשב את ערכי ה- RMS של האצת רטט על היד, פרק כף היד, הזרוע והתף של כל נושא באמצעות Equation (1). חשב את יכולת הרטט (TR) באמצעות משוואה (2)1,14:
    Equation 2 (2)
    כאשר, in הוא רטט הידית עבור HTV, ויציצת החוצה היא הרטט המתאים בששת המיקומים של מערכת זרוע היד של הנבדק (ראה איור 2).
    הערה: על פי ISO 5349-1, הגורמים (למעט כוח אחיזה ותדירות רטט) עשויים להשפיע על התוצאות של מדידת רטט המועברת ביד כוללים: המיומנות של המפעיל, תנוחת הגוף, תנאי האקלים, רעש, וכו '. כדי להקטין גורמים אקראיים אלה, ערכי TR של כל מיקומי המדידה של עשרת הנבדקים במחקר זה היו ממוצעים.
  3. המר את אותות תחום הזמן של נקודת האחיזה לאותות תחום תדירות על-ידי אלגוריתם המרה פורייה (FFT) מהיר באמצעות תוכנית MATLAB כדי לבחון את רטט הקלט.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הניסוי בוצע במעבדה (טמפרטורת אוויר 22°C ± 1°C) בעשרה נבדקים בריאים(לוח 2)במהלך פעולת טרקטור יד במצב נייח.

בעקבות הפרוטוקול נאספו נתוני האצת רטט מהידית של טרקטור היד, כמו גם מהחלק האחורי של היד, פרק כף היד, הזרוע והכתף של כל נושא. הספקטרום של תאוצת הרטט המתרחשת בידית (קלט ליד) הושג. איור 8 מציג דוגמאות של התאוצות של תחום הזמן ותדר RMS על המזהה הייחודי ברמת מהירות המנוע של 3500 סל"ד למשך זמן נתון. ניכר כי האצת הרטט הייתה הגבוהה ביותר לאורך ציר ה-Yוהנמוכה ביותר לאורך ציר ה-X. התאוצות המרביות של כיווני X ו- Z התרחשו בתדר של 58 הרץ (שהוא תדר העבודה של המנוע המתאים למהירות הסיבוב של 3500 סל"ד). רוב אנרגיית הרטט נמצאה מרוכזת בטווח התדרים בין 50 ל -200 הרץ. עם אותו תהליך אנליטי, ניתן היה להשיג את המאפיינים של אותות תחום הזמן והתדירות, כגון משרעת הרטט, שיא, תדירות דומיננטית וכו '.

כמו כן נבדקו השפעות כוח האחיזה ומהירות המנוע על תגובת הרטט של מערכת זרוע היד. כפי שניתן לראות באיור 9, נצפתה עלייה בכוח האחיזה הגדילה את האצת הרטט בעיקר בתדרים שבין 20 ל-100 הרץ, ושלושה תדרי תהודה (20, 40 ו-80 הרץ) נמצאו כגבוהים כמעט באופן ליניארי עם הגדלת כוח האחיזה. זה מיוחס לעלייה של נוקשות מגע נוקשות משותפת18,19. ממצאים אלה מצביעים על כך ששיטות המדידה וההתאמה המוצגות של כוח האחיזה יכולות להיות מיושמות ביעילות על מדידת HTV.

כפי שמוצג באיור 10, ניסוי זה בחן את השפעת תדר הקלט על HTV באמצעות כוונון מהירות המנוע בשלוש רמות (1500, 2500 ו- 3500 סל"ד). במיקום גב היד (איור 10A), הושג ערך תאוצה גבוה יותר ב-3,500 סל"ד בהשוואה למהירויות מנוע נמוכות יותר. לעומת זאת, בזרוע העליונה ובכתף (איור 10D, Eו- F), תאוצת השיא התרחשה במהירות של 1500 סל"ד. באמצעות ההשוואה המקיפה הן של המיקומים והן של התדרים המרגשים, סביר להסיק כי תדרים נמוכים יותר הועברו באופן יחסי במערכת זרוע היד, בעוד הנחתה סומנה למדי לתדרים גבוהים יותר. לפיכך, רוב אנרגיית הרטט התפוגגה ביד ובאמה.

איור 11 מציג את ההמרה הממוצעת לחלק האחורי של היד, האמה, הזרוע העליונה והכתף מעשרת הנושאים עם מהירות מנוע של 2500 סל"ד וכוח אחיזה של 30 N. נמצא כי ההעברה לחלקים השונים של מערכת זרוע היד פחתה עם הגדלת המרחק ממקור הרטט. ההמרה הגבוהה ביותר נצפתה בחלק האחורי של היד (מיקום 1), עם ערך שיא של 5.1 בסביבות 80 הרץ. הגברה של רטט יכול להיות בגלל התהודה של העור על כף היד20,21. עולה בקנה אחד עם הממצאים של מחקריםקודמים 22,23, תדירות התהודה של פרק כף היד (מיקום 2) ומרפק (מיקום 4) transmissibility היה סביב 20 הרץ, עם סדר גודל של כ 3.0. בנוסף, שיא המתמרים לכתף (מיקום 6) היה 1.1 בסביבות 10 הרץ. כמו כן נמצא כי רק תנודות של פחות מ-25 הרץ הועברו ביעילות לזרוע, לזרוע העליונה ולכתף. עם משוואה (2) בסעיף 5.2 ובעקבות התהליך האנליטי של ההמרה, ניתן לבחון את ההשפעות על טרנסמיות עם תדרים מרגשים שונים וכוח אחיזה משתנה, וניתן לבצע הצעה סבירה להפעלת טרקטור יד לחקלאים.

דגם וסוג מנוע JUWEI FC 170, בנזין, צילינדר יחיד, ארבע פעימות, OHV, אוויר בכפייה מקורר
נפח סחף, סמ"ק 208
הספק מדורג, kW 4.0 קילוואט ב-3600 סל"ד
מומנט מרבי, Nm/סל"ד 12/2500
מספר מהירויות 2 קדימה, 1 הפוך
מצב הפעלה התחלת רתע (התחלת משיכה)
משקל יבש של מנוע, ק"ג 19
משקל טרקטור יד עם מיכל דלק מלא, רדיאטור ושמני סיכה, ק"ג 72
סוג צמיג גלגל גומי
גודל צמיג (פנאומטי), מ"מ 155×330 (350-6)

שולחן 1. מפרט של טרקטור היד.

מידות ותנוחות מינימום המרבי התכוון SD ו- SD
גיל, שנים 18 37 22.6 5.6
משקל, ק"ג 50 72 62.6 7.3
קומתו, ס"מ 164 179 172.1 4.7
אורך יד זרוע, ס"מ 22.1 26.8 25.2 1.3
אורך הזרוע העליונה, ס"מ 26.8 34 31.1 2.1
אורך יד, ס"מ 15.2 21 17.1 1.6
חטיפה אופקית כתף (α), מעלות 22.6 31.5 27.1 3.2
חטיפה אנכית כתף (β), מעלות 16.5 24.2 20.7 2.6
הארכת מרפק (γ) , מעלות 134.1 169.3 150.1 10.9
הארכת פרק כף היד (θ), מעלות 160.5 174.8 169 5.5
סטיית פרק כף היד (ω) , מעלות 139.2 159.5 148.1 5.6

שולחן 2. מאפיינים פיזיים של נושא.

Figure 1
איור 1. הפרוטוקול הניסיוני ורכישת הנתונים הוקמו. דוגמה זו מתארת ניסוי יחיד (מימין לשמאל) למדידת ממדי הגוף של הנבדק, לבישת 6 מתאמי מד תאוצה, תנוחת ההפעלה של טרקטור היד ורכישת הנתונים שהוגדרה עבור התאוצה, כוח האחיזה ומהירות המנוע. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2. מיקומם של מתאמי מד התאוצה. 6 מתאמי תאוצה נעטפו במקומות של גב היד, קצה דיסטלי של האמה, קצה פרוקסימלי של האמה, קצה דיסטלי של הזרוע העליונה, קצה פרוקסימלי של הזרוע העליונה ואת אקרום לאורך מערכת הזרוע היד. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3. מכשור מדידת רטט. מרכיבי מערכת המדידה כוללים מדי תאוצה, מערכת רכישת נתונים, מערכת חישת לחץ סרט דק, טכומטר, גוניומטר דיגיטלי ורכיבים רלוונטיים אחרים (מחשב, מתאמי תאוצה, כבלים, סרט מדידה, מדחום). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4. מערכת הקואורדינטות הבסיסית למדידת רטט בזרוע היד. ציר ה- Xמוגדר במקביל לציר האורך של האחיזה. ציר Yמכוון לאורך עצם המטא-קארפוס השלישית של היד. ציר Zהוא ניצב לאזור כף היד. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5. מערכת חישת הלחץ הדקה. מערכת זו מורכבת משני חיישני סרט דק, בקר שבב יחיד וצג LED כדי להראות את כוח האחיזה בזמן אמת. ניתן גם לייצא את נתוני הבדיקה למחשב באמצעות התקשורת הטורית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6. חמש הזוויות המשמשות לתיאור תנוחת היד והזרוע. α מתאר את החטיפה האופקית של הכתף, β מתאר את החטיפה האנכית בכתף, γ מזהה את הארכת המרפק, θ מאפיין את הארכת פרק כף היד, ו-ω מזהה את סטיית פרק כף היד. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7. התאמת מהירות המנוע וכוח האחיזה במהלך הניסוי. הפסים הכחולים מייצגים כוחות אחיזה שונים של 20, 30 ו- 40 N. הקווים האדומים מצביעים על כוונון מהירות המנוע מ-1500, 2500 עד 3500 סל"ד. לכן, ישנם 9 מקרי בדיקה מ 1500 סל"ד, 20 N עד 3500 סל"ד, 40 N. משך הזמן של כל מקרה בדיקה הוא כ 30 שניות.

Figure 8
איור 8. דגימות של גל תחום הזמן וספקטרום משרעת של התאוצות על הידית במהירות המנוע של 3500 סל"ד. (A)גל תחום הזמן ו- (B) ספקטרום משרעת בכיוון X; (C)גל תחום הזמן ו- (D) ספקטרום משרעת בכיוון Y; (E) גל תחום הזמן ו - (F) ספקטרום משרעת בכיוון Z. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9. הקשר הממוצע בין כוח האחיזה לבין האצת רטט RMS נמדד בשישה מיקומים של מערכת זרוע היד של עשרה נושאים: (A) גב היד; (B)קצה דיסטלי של האמה; (C) סוף פרוקסימלי של האמה; (D)קצה דיסטלי של הזרוע העליונה; (E)קצה פרוקסימלי של הזרוע העליונה; (ו)אקרומיון. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10. הקשר הממוצע בין מהירות המנוע (תדר) ותאוצת רטט RMS נמדד בשישה מיקומים של מערכת זרוע היד של עשרה נושאים: (A) גב היד; (B)קצה דיסטלי של האמה; (C) סוף פרוקסימלי של האמה; (D)קצה דיסטלי של הזרוע העליונה; (E)קצה פרוקסימלי של הזרוע העליונה; (ו)אקרומיון. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 11
איור 11. רטט transmissibility ב הלהקה 1/3 אוקטבה במקומות שונים במערכת זרוע היד במהירות המנוע של 2500 סל"ד וכוח אחיזה של 30 N. 6 הקימורים מייצגים את ערכי ה- TR מגב היד (מיקום 1) לאקרום (מיקום 6) כפי שמוצג במקרא. הקו המקווקו הוא קו מפריד של הגברה של רטט (מעל קו זה) והשחתת רטט (מתחת לקו זה). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול שהוצג במחקר זה נקבע על בסיס תקני HTV4,5,24, ופותח כצעדים סטנדרטיים למדידת HTV של מערכת זרוע היד האנושית במהלך הפעלת טרקטור יד במצב נייח. מצב זה הוא המצב היציב ביותר של טרקטור היד כדי לסייע להבטיח מדידה אמינה של הרטט מועבר למעשה ליד ולזרוע. טווח המשתנים הנחשב לביצוע הבדיקה, באמצעות התאמת מהירות המנוע וכוח האחיזה, מכסה את טווח הפעולה הרגיל והבטוח של טרקטור היד. בהתחשב במורכבות של מערכת זרוע היד, התוצאות הניסיוניות שניבו מפרוטוקול זה נמצאו מסכימות היטב עם נתונים שדווחו במאמרים על המאפיינים של מקורותרטט 25, transmissibilityרטט 1,26, ואת הגורמים החיוניים8,27 המשפיעים על התגובה של מערכת זרוע היד במהלך הפעולה של טרקטורים יד.

התוצאות תלויות ברכיבים קריטיים מסוימים של התקנה זו בתוך הפרוטוקול. ראשית, מכיוון שמשקל מד התאוצה משפיע על עוצמת הרטט של מערכת זרוע היד20, המשקל הכולל של מד התאוצה והמתאם צריך להיות קל ככל האפשר כדי להפחית שגיאות מדידה. שנית, כל מתאם תאוצה צריך להיות מאובטח היטב על מערכת זרוע היד כדי למנוע כל תנועה יחסית בין נקודת המדידה לבין מד התאוצה. שלישית, יש להשלים את ניסוי הבדיקה של כל נבדק ללא הפרעה כדי להפחית את ההשפעה של תנוחת ההפעלה.

המגבלה העיקרית של מחקר זה היא שהתמרנות הרטט למערכת הזרועות נמדדה ונותחה רק בכיוון ציר Z(איור 4) בשל השימוש במדי תאוצה חד-ציריים במקומות הזרוע והכתף. למרות חיישנים גמישים וסרט דק שימשו למדידת כוח האחיזה במהלך הבדיקה, מאמצי מדידה נוספים לאורך כיוון הגזירה צפויים לספק תובנות ניכרות על האפיון וההערכה של HTV, המייצג מגבלה נוספת של המחקר הנוכחי. בנוסף, הגורמים המהותיים של המפעילים, כגון גודל הגוף שלהם, תנוחת הגוף, וגודל היד והזרוע, משפיעים על HTV. כצעד לאחר מכן, ייאספו נתונים נוספים כדי לבחון גורמים אלה באמצעות הפרוטוקול המוצג.

פרוטוקול זה יהיה מועיל להבנת מאפייני העברת הרטט של מערכת זרוע טרקטור יד. היישומים הפוטנציאליים העיקריים של המתודולוגיה המוצעת הם הערכת תופעות האינטראקציה בין אדם לטרקטור, התפתחות ארגונומיה של טרקטורים ביד ופיתוח מכשירי הגנה כגון מבודדים וכפפות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן למדעי הטבע של צ'ונגצ'ינג, סין (cstc2019jcyj-msxmX0046), הפרויקט של ועדת החינוך של צ'ונגצ'ינג של סין (KJQN202001127), ואת הפרויקט של ועדת המדע והטכנולוגיה של מחוז בנאן, צ'ונגצ'ינג, סין (2020TJZ010). המחברים מבקשים להודות לפרופ' יאן יאנג על מתן אתר הבדיקה. אנו גם מודים לד"ר ג'ינגשו וואנג ודה"ר ג'ינגחואה מא על הנחייתם להשתמש במכשור מדידת הרטט. תודה גם לנבדקים על שיתוף הפעולה בלב שלם במהלך הניסויים.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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), European Volume 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. É, 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).

Tags

הנדסה גיליון 172 רטט ידני טרקטור יד מערכת זרועות יד טרנסמיסיות רטט רצועת אוקטבה 1/3 כוח אחיזה
מדידת הרטט המועבר ביד של מערכת זרוע היד האנושית במהלך פעולת טרקטור יד
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., … More

Lu, S., Jiang, R., Xiao, X., Li, Y., Huang, X., Song, K., Chen, C., Ding, J. Measurement of the Hand Transmitted Vibration of the Human Hand Arm System During Operation of a Hand Tractor. J. Vis. Exp. (172), e62508, doi:10.3791/62508 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter