Medición de la vibración transmitida por la mano del sistema de brazo de mano humana durante el funcionamiento de un tractor de mano

Summary

Aquí, presentamos un método estandarizado para la medición de la vibración transmitida por la mano de las asas de un tractor de un solo eje con especial referencia a los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.

Abstract

Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración transmitida por la mano (HTV). Esta vibración, que puede ser molesta y peligrosa para la salud humana, se transmite al operador a través de sus manos y brazos. Sin embargo, todavía no se ha definido un método normalizado para medir el HTV de los tractores de mano. El objetivo del estudio fue presentar un método experimental para la investigación de la respuesta biodinámica y la transmisibilidad de las vibraciones del sistema mano-brazo durante el funcionamiento de un tractor de mano en modo estacionario. Las mediciones se realizaron con diez sujetos utilizando tres fuerzas de agarre y tres niveles de vibración de mango para examinar las influencias de la presión de la mano y la frecuencia en la vibración transmitida por la mano (HTV). Los resultados indican que la estanqueidad del agarre en el mango influye en la respuesta de vibración del sistema mano-brazo, especialmente a frecuencias entre 20 y 100 Hz. La transmisión de frecuencias más bajas en el sistema mano-brazo fue relativamente desatendida. En comparación, se encontró que la atenuación era bastante marcada para frecuencias más altas durante el funcionamiento del tractor manual. La transmisibilidad de la vibración a diversas partes del sistema mano-brazo disminuyó con el aumento de la distancia de la fuente de la vibración. La metodología propuesta contribuye a la recopilación de datos coherentes para la evaluación de la exposición al comportamiento de las vibraciones del operador y el desarrollo ergonómico de los tractores de mano.

Introduction

Los tractores de mano, también conocidos como labradores de energía, son ampliamente utilizados en los países en desarrollo para la preparación de la tierra de pequeños campos. La operación de campo de un tractor de mano implica caminar detrás de la máquina y sostener sus asas para controlar su movimiento. Los operadores de tractores de mano están expuestos a altos niveles de vibración, que podrían atribuirse al pequeño motor monocilíndrico y a la falta de sistema de suspensión de los tractores de mano¹. El síndrome de vibración mano-brazo (HAVS)² puede ser causado por la resistencia de largo período de la vibración, llamada vibración transmitida por la mano (HTV), que se genera por el tractor de mano y se recibe por las manos del operador. Para evaluar los riesgos para la salud derivados de la exposición de los operadores al HTV de los tractores de mano, es necesario establecer un método para la medición de la respuesta a las vibraciones del sistema mano-brazo.

El sistema mano-brazo se compone de huesos, músculos, tejidos, venas y arterias, tendones y piel^3,y la medición directa de HTV plantea muchos problemas. Las normas internacionales pertinentes^4,5 proporcionan directrices relativas a la medición de la gravedad de la vibración generada en las inmediaciones de la mano, incluido el sistema de coordenadas de la mano, la ubicación y el montaje de los acelerómetros, la duración de la medición, los problemas del conector del cable, etc. Sin embargo, las normas no tienen en cuenta variables intrínsecas, como la fuerza de agarre, la postura de la mano y el brazo, factores individuales, etc. Estos factores han sido examinados exhaustivamente bajo una amplia gama de excitaciones de vibración y condiciones de prueba^{6,7,8,9,10,11,12,13,}pero los resultados de diferentes investigadores no están de acuerdo. Muchos de estos factores no se han entendido suficientemente para ser incorporados en los métodos estándar. Esta restricción es parcialmente atribuible a las complejidades del sistema mano-brazo humano, las condiciones de prueba y las diferencias en las técnicas experimentales y de medición empleadas.

Además, la mayoría de las mediciones anteriores de HTV se realizaron en condiciones cuidadosamente controladas con excitaciones de vibración idealizadas, fuerza de agarre y condiciones posturales. Los hallazgos y los procedimientos experimentales de estas mediciones, por lo tanto, pueden no replicar realmente las condiciones del mundo real, como las condiciones de funcionamiento de los tractores de mano. Además, sólo se han realizado esfuerzos limitados para estudiar el HTV de los tractores de mano con mediciones de campo. Estas mediciones se realizaron utilizando acelerómetros unidos a la muñeca, el brazo, el pecho y la cabeza del operador para medir la vibración de todo el cuerpo en las condiciones de transporte del tractor^1,o en las condiciones de labranza en un campo a labado y charco en un campo sumergido con diferentes niveles de velocidades del motor^14. El efecto de la fuerza de agarre, que podría ser un factor crucial de HTV^7,8,no se aisló. Por lo tanto, estos métodos no son adecuados como procedimientos de medición estandarizados debido a las diversas posturas forzadas del operador durante la agricultura atribuidas a las duras condiciones ambientales.

La presente investigación se llevó a cabo para contribuir al establecimiento de procedimientos fiables y repetibles para la medición de HTV de tractores de mano en modo estacionario. La Figura 1 presenta el diagrama esquemático del diseño experimental. Se empleó un tractor de mano fabricado en China y comúnmente utilizado por los agricultores chinos, y diez investigadores fueron elegidos como sujetos para el estudio. Para medir la vibración se utilizaron siete acelerómetros piezoeléctricos ligeros acoplados al sistema tractor-mano-brazo. Un tacómetro y dos sensores de presión de película delgada monitorearon la velocidad del motor y la fuerza de agarre durante las pruebas. Los sujetos debían operar secuencialmente el tractor de mano a velocidades de motor especificadas y con fuerzas de agarre especificadas para obtener las características de vibración en varios modos de funcionamiento. Este manuscrito proporciona un protocolo detallado para la medición de HTV del sistema tractor-mano-brazo con una consideración única de los cambios en la fuerza de agarre y la frecuencia de vibración.

Protocol

Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Ética de la Universidad Tecnológica de Chongqing y cada sujeto proporcionó su consentimiento informado por escrito antes de la participación en este estudio. 1. Preparación del tractor de mano Asegúrese de que el tractor de mano esté sujeto a condiciones de prueba adecuadas con un tanque de combustible lleno, sin holgura de los pernos y sin otros defectos mecánicos que resultarían en vibraciones anormales.NOTA: …

Representative Results

El experimento se llevó a cabo en el laboratorio (temperatura del aire 22,0 °C ± 1,5 °C) en diez sujetos sanos(Tabla 2)durante la operación de un tractor manual en estado estacionario. Siguiendo el protocolo, los datos de la aceleración de la vibración fueron recogidos de la manija del tractor de mano, así como de la parte posterior de la mano, de la muñeca, del brazo, y del hombro de cada tema. Se obtuvo el espectro de la aceleración de la vibración que se produce …

Discussion

El protocolo presentado en este estudio se estableció en base a las normas HTV^4,5,24,y se desarrolló como los pasos estándar para la medición de la HTV del sistema mano-brazo humano durante la operación de un tractor de mano en condiciones estacionarias. Esta condición es el estado más estable del tractor de mano para ayudar a garantizar la medición fiable de la vibración realmente transmitida a la mano y el brazo. La g…

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.