Måling av håndsendert vibrasjon av det menneskelige håndarmsystemet under drift av en håndtraktor

Summary

Her presenterer vi en standardisert metode for måling av håndoverføringsvibrasjon fra håndtak på en enkeltakslet traktor med spesiell referanse til endringer i gripekraft og vibrasjonsfrekvens.

Abstract

Operatører av håndtraktorer er utsatt for høye nivåer av håndoverført vibrasjon (HTV). Denne vibrasjonen, som kan være både irriterende og farlig for menneskers helse, blir gitt til operatøren via hans eller hennes hender og armer. Imidlertid er en standardisert metode for måling av HTV av håndtraktorer ennå ikke definert. Målet med studien var å presentere en eksperimentell metode for undersøkelse av den biodynamiske responsen og vibrasjonstransmissibiliteten til håndvåpensystemet under drift av en håndtraktor i stasjonær modus. Målinger ble utført med ti forsøkspersoner ved hjelp av tre gripekrefter og tre håndtaksvibrasjonsnivåer for å undersøke påvirkningen av håndtrykket og frekvensen på håndoverført vibrasjon (HTV). Resultatene indikerer at tettheten av grep på håndtaket påvirker vibrasjonsresponsen til håndarmsystemet, spesielt ved frekvenser mellom 20 og 100 Hz. Overføringen av lavere frekvenser i håndvåpensystemet var relativt uoppmerksom. Til sammenligning ble demping funnet å være ganske merket for høyere frekvenser under driften av håndtraktoren. Vibrasjonsoverførbarheten til ulike deler av håndarmsystemet ble redusert med økningen av avstanden fra vibrasjonskilden. Den foreslåtte metodikken bidrar til innsamling av konsistente data for evaluering av operatørvibrasjonseksponering og ergonomiutvikling av håndtraktorer.

Introduction

Håndtraktorer, også kjent som kraft styrekulter, er mye brukt i utviklingsland for landforberedelse av små felt. Feltoperasjonen av en håndtraktor innebærer å gå bak maskinen og holde håndtakene for å kontrollere bevegelsen. Operatørene av håndtraktorer er utsatt for høye vibrasjonsnivåer, noe som kan tilskrives den lille enkeltsylindrede motoren og mangel på fjæringssystem av håndtraktorer¹. Hånd-arm vibrasjonssyndromet (HAVS)² kan skyldes langvarig utholdenhet fra vibrasjonen, navngitt håndoverføringsvibrasjon (HTV), som genereres av håndtraktoren og mottas av operatørens hender. For å vurdere helserisikoen ved operatørens eksponering for HTV av håndtraktorer, er det nødvendig å etablere en metode for måling av vibrasjonsresponsen til håndvåpensystemet.

Håndarmsystemet består av bein, muskler, vev, årer og arterier, sener og hud³, og direkte måling av HTV utgjør mange problemer. De relevante internasjonale standardene^4,5 gir retningslinjer knyttet til måling av alvorlighetsgraden av vibrasjon generert i umiddelbar nærhet av hånden, inkludert koordinatsystemet for hånden, plassering og montering av akselerometere, målevarighet, kabelkontaktproblemer, etc. Standardene tar imidlertid ikke hensyn til iboende variabler, for eksempel gripekraften, holdningen til hånden og armen, individuelle faktorer, etc. Disse faktorene har blitt undersøkt grundig under et bredt spekter av vibrasjonseksitasjoner og testforhold^{6,7,8,9,10,11,12,13}, men resultatene fra forskjellige etterforskere er ikke i god enighet. Mange av disse faktorene er ikke tilstrekkelig forstått å være innlemmet i standardmetoder. Denne begrensningen kan delvis tilskrives kompleksiteten i det menneskelige håndvåpensystemet, testforholdene og forskjellene i eksperimentelle og måleteknikker som brukes.

Videre ble de fleste av de tidligere målingene av HTV utført under nøye kontrollerte forhold med idealiserte vibrasjonseksitasjoner, gripekraft og posturale forhold. Funnene og eksperimentelle prosedyrer for disse målingene kan derfor ikke virkelig gjenskape virkelige forhold, for eksempel driftsforholdene til håndtraktorer. Videre er det bare gjort begrenset innsats for å studere HTV av håndtraktorer med feltmålinger. Disse målingene ble utført ved hjelp av akselerometere festet til operatørens håndledd, arm, bryst og hode for å måle hele kroppsvibrasjonen under traktorens transportforhold¹, eller under forholdene for å vippe i et tilled felt og puddling i et nedsenket felt med forskjellige nivåer av motorhastigheter¹⁴. Effekten av gripekraften, som kan være en avgjørende faktor for HTV^7,8, var ikke isolert. Disse metodene er derfor uegnet som standardiserte måleprosedyrer på grunn av operatørens ulike tvungne stillinger under oppdrett tilskrevet de tøffe miljøforholdene.

Den nåværende forskningen ble foretatt for å bidra til etablering av pålitelige og repeterbare prosedyrer for HTV-måling av håndtraktorer i stasjonær modus. Figur 1 viser det skjematiske diagrammet for eksperimentell utforming. En håndtraktor produsert i Kina og ofte brukt av kinesiske bønder ble ansatt, og ti forskningsarbeidere ble valgt som for studien. Syv lette piezoelektriske akselerometere festet til traktor-hånd-arm-systemet ble brukt til å måle vibrasjonen. Ett turteller og to tynnfilmtrykksensorer overvåket motorens hastighet og gripekraft under testing. Forsøkspersonene ble pålagt å betjene håndtraktoren sekvensielt ved angitte motorhastigheter og med spesifiserte gripekrefter for å oppnå vibrasjonsegenskapene i ulike driftsmoduser. Dette manuskriptet gir en detaljert protokoll for HTV-måling av traktor-hånd-arm-systemet med unik vurdering av endringer i gripekraft og vibrasjonsfrekvens.

Protocol

Alle prosedyrer ble godkjent av Etikkkomiteen ved Chongqing University of Technology og hvert emne ga skriftlig informert samtykke før deltakelse i denne studien. 1. Klargjøring av håndtraktor Forsikre deg om at håndtraktoren blir utsatt for riktige testforhold med en full drivstofftank, uten løshet av bolter, og uten andre mekaniske feil som vil resultere i unormal vibrasjon.MERK: Spesifikasjonene til håndtraktoren som brukes i dette eksperimentet er angitt i tabel…

Representative Results

Eksperimentet ble utført i laboratoriet (lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) på ti friske personer (tabell 2) under drift av en håndtraktor i stasjonær tilstand. Etter protokollen ble vibrasjonsakselerasjonsdata samlet inn fra håndtaket på håndtraktoren, samt baksiden av hånden, håndleddet, armen og skulderen til hvert emne. Spekteret av vibrasjonsakselerasjonen som forekommer ved håndtaket (inngang til hånden) ble oppnådd. Figur 8 vis…

Discussion

Protokollen som presenteres i denne studien ble etablert basert på HTV-standarder^4,5,24, og ble utviklet som standardtrinn for måling av HTV i det menneskelige håndvåpensystemet under drift av en håndtraktor i stasjonær tilstand. Denne tilstanden er den mest stabile tilstanden til håndtraktoren for å sikre pålitelig måling av vibrasjonen som faktisk overføres til hånden og armen. Utvalget av variabler som vurderes fo…

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.