Måling af håndafført vibrationer i det menneskelige håndarmsystem under drift af en håndtraktor
Summary
Her præsenterer vi en standardiseret metode til måling af håndafførte vibrationer fra håndtag på en enkeltakslet traktor med særlig henvisning til ændringer i grebskraft og vibrationsfrekvens.
Abstract
Operatører af håndtraktorer udsættes for høje niveauer af håndstyrede vibrationer (HTV). Denne vibration, som kan være både irriterende og farlig for menneskers sundhed, formidles til operatøren via hans eller hendes hænder og arme. Der er dog endnu ikke fastlagt en standardiseret metode til måling af HTV for håndtraktorer. Formålet med undersøgelsen var at præsentere en eksperimentel metode til undersøgelse af hånd-arm-systemets biodynamiske respons- og vibrationstransalitet under drift af en håndtraktor i stationær tilstand. Målinger blev udført med ti forsøgspersoner ved hjælp af tre grebskræfter og tre håndtagsvibrationsniveauer for at undersøge håndtrykkets og frekvensens påvirkninger på håndafførte vibrationer (HTV). Resultaterne viser, at tætheden af greb på håndtaget påvirker hånd-arm-systemets vibrationsrespons, især ved frekvenser mellem 20 og 100 Hz. Transmissionen af lavere frekvenser i hånd-arm-systemet var relativt uopmærksom. Til sammenligning viste det sig, at aftænding var ret markant for højere frekvenser under håndtraktorens drift. Vibrationstransmissibiliteten til forskellige dele af hånd-arm-systemet faldt med stigningen i afstanden fra vibrationskilden. Den foreslåede metode bidrager til indsamling af konsistente data til vurdering af operatørens vibrationseksponering og ergonomiudviklingen af håndtraktorer.
Introduction
Håndtraktorer, også kendt som kraftfræsere, anvendes i vid udstrækning i udviklingslandene til jordforberedelse af små marker. En håndtraktors feltdrift indebærer, at man går bag maskinen og holder sine håndtag for at styre dens bevægelse. Operatørerne af håndtraktorer udsættes for høje vibrationsniveauer, som kan tilskrives den lille encylindrede motor og mangel på affjedringssystem for håndtraktorer1. Hånd-arm vibrationssyndromet (HAVS)2 kan være forårsaget af lang periode udholdenhed fra vibrationer, navngivne hånd transmitteret vibration (HTV), som genereres af hånden traktor og modtages af operatørens hænder. For at vurdere de sundhedsrisici, der er forbundet med operatørernes udsættelse for håndtraktorers HTV, er det nødvendigt at fastlægge en metode til måling af hånd-arm-systemets vibrationsrespons.
Hånd-arm-systemet er sammensat af knogler, muskler, væv, vener og arterier, sener og hud3, og den direkte måling af HTV udgør mange problemer. De relevante internationale standarder4,5 indeholder retningslinjer for måling af vibrationernes alvorlighed i umiddelbar nærhed af hånden, herunder koordinatsystemet for hånden, placering og montering af accelerometre, målevarighed, kabelstikproblemer osv. Standarderne tager dog ikke højde for iboende variabler, såsom grebskraften, hånd- og armstillingen, individuelle faktorer osv.. Disse faktorer er blevet undersøgt grundigt under en lang række vibrationsudsendelser og testbetingelser 6 ,7,8,9,10,11,12,13, men resultaterne fra forskellige efterforskere er ikke i god overensstemmelse. Mange af disse faktorer er ikke blevet tilstrækkeligt forstået til at blive indarbejdet i standardmetoder. Denne begrænsning skyldes til dels kompleksiteten i det menneskelige hånd-arm-system, testbetingelserne og forskellene i de anvendte forsøgs- og måleteknikker.
Desuden blev de fleste af de tidligere målinger af HTV udført under omhyggeligt kontrollerede forhold med idealiserede vibrationsudsendelser, grebskraft og posturale forhold. Resultaterne og de eksperimentelle procedurer for disse målinger kan derfor ikke rigtig gentage den virkelige verden, såsom driftsbetingelserne for håndtraktorer. Desuden er der kun gjort en begrænset indsats for at undersøge HTV for håndtraktorer med feltmålinger. Disse målinger blev udført ved hjælp af accelerometre fastgjort til operatørens håndled, arm, bryst og hoved for at måle helkropsvibrationen under traktorens transportforhold1eller under betingelserne for at vippe i et flisebelagt felt og puddling i et nedsænket felt med forskellige niveauer af motorhastigheder14. Effekten af greb kraft, som kunne være en afgørende faktor for HTV7,8, var ikke isoleret. Disse metoder er derfor uegnede som standardiserede måleprocedurer på grund af operatørens forskellige tvungne arbejdsstillinger under landbruget tilskrives de barske miljøforhold.
Den nuværende forskning blev udført for at bidrage til etableringen af pålidelige og repeterbare procedurer for HTV-måling af håndtraktorer i stationær tilstand. Figur 1 viser det skematiske diagram over forsøgsdesignet. En håndtraktor fremstillet i Kina og almindeligt anvendt af kinesiske landmænd blev ansat, og ti forskere blev valgt som emner for undersøgelsen. Syv lette piezoelektriske accelerometre, der var fastgjort til traktor-hånd-arm-systemet, blev brugt til at måle vibrationerne. Et omdrejningstæller og to tyndfilmstryksensorer overvågede motorens hastighed og grebskraft under testen. Forsøgspersonerne var forpligtet til sekventielt at betjene håndtraktoren ved bestemte motorhastigheder og med specificerede grebskræfter for at opnå vibrationsegenskaberne i forskellige driftstilstande. Dette manuskript giver en detaljeret protokol for HTV-måling af traktor-hånd-arm-systemet med unik overvejelse af ændringer i grebskraft og vibrationsfrekvens.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen i denne undersøgelse blev etableret på grundlag af HTV-standarderne4,5,24og blev udviklet som standardtrin til måling af HTV i det menneskelige håndarmssystem under drift af en håndtraktor i stationær stand. Denne tilstand er den mest stabile tilstand af håndtraktoren for at hjælpe med at sikre pålidelig måling af de vibrationer, der faktisk overføres til hånden og armen. Det variable interval, der anses …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Natural Science Foundation of Chongqing, Kina (cstc2019jcyj-msxmX0046), projektet fra Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) og projektet fra Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, Kina (2020TJZ010). Forfatterne vil gerne takke prof. Yan Yang for at levere teststedet. Vi er også taknemmelige for Dr. Jingshu Wang og Dr. Jinghua Ma for deres vejledning i at bruge vibrationsmålingsinstrumentering. Tak skal også til emnerne for deres helhjertede samarbejde under forsøgene.
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. |
Riferimenti
- 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).
