قياس اهتزاز اليد المرسلة من نظام ذراع اليد البشرية أثناء تشغيل جرار اليد
Summary
هنا، نقدم طريقة موحدة لقياس الاهتزاز المنقول باليد من مقابض جرار أحادي المحور مع إشارة خاصة إلى التغيرات في قوة القبضة وتردد الاهتزاز.
Abstract
يتعرض مشغلو الجرارات اليدوية لمستويات عالية من الاهتزاز المنقول باليد (HTV). هذا الاهتزاز، الذي يمكن أن يكون مزعجا وخطرا على صحة الإنسان، يتم نقله إلى المشغل عن طريق يديه وذراعيها. ومع ذلك، لم يتم بعد تحديد طريقة موحدة لقياس HTV من الجرارات اليدوية. وكان الهدف من الدراسة هو تقديم طريقة تجريبية للتحقيق في الاستجابة الحيوية وقابلية نقل الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية أثناء تشغيل جرار يدوي في وضع ثابت. تم إجراء القياسات مع عشرة مواضيع باستخدام ثلاث قوى قبضة وثلاثة مستويات اهتزاز مقبض لفحص تأثيرات ضغط اليد والتردد على الاهتزاز المنقول باليد (HTV). وتشير النتائج إلى أن ضيق قبضة المقبض يؤثر على استجابة الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية، وخاصة عند الترددات بين 20 و 100 هرتز. وكان انتقال الترددات المنخفضة في نظام الذراع اليدوية غير مخفف نسبيا. وبالمقارنة، وجد أن التوهين ملحوظ تماما بالنسبة للترددات الأعلى أثناء تشغيل جرار اليد. انخفض قابلية الاهتزاز إلى أجزاء مختلفة من نظام الذراع اليدوية مع زيادة المسافة من مصدر الاهتزاز. وتساهم المنهجية المقترحة في جمع بيانات متسقة لتقييم تعرض المشغل للاهتزاز وتطوير بيئة العمل للجرارات اليدوية.
Introduction
وتستخدم الجرارات اليدوية، المعروفة أيضا باسم “تيلرسون الطاقة”، على نطاق واسع في البلدان النامية لإعداد الأراضي في الحقول الصغيرة. تتضمن العملية الميدانية لجرار يدوي المشي خلف الآلة والاحتفاظ بمقابضها للتحكم في حركتها. يتعرض مشغلو الجرارات اليدوية لمستويات عالية من الاهتزاز، والتي يمكن أن تعزى إلى محرك اسطوانة واحدة صغيرة وعدم وجود نظام تعليق من الجرارات اليدوية1. يمكن أن يكون سبب متلازمة اهتزاز الذراع اليدوية (HAVS)2 من القدرة على التحمل لفترة طويلة من الاهتزاز ، واسمه الاهتزاز المنقول باليد (HTV) ، الذي يولده جرار اليد ويتلقى من قبل أيدي المشغل. لتقييم المخاطر الصحية الناجمة عن تعرض المشغلين ل HTV من الجرارات اليدوية ، من الضروري وضع طريقة لقياس استجابة الاهتزاز لنظام الذراع اليدوية.
يتكون نظام الذراع اليدوي من العظام والعضلات والأنسجة والأوردة والشرايين والأوتار والجلد3، والقياس المباشر ل HTV يطرح العديد من المشاكل. المعايير الدولية ذات الصلة4،5 توفر المبادئ التوجيهية المتعلقة بقياس شدة الاهتزاز المتولدة في المنطقة المجاورة مباشرة من جهة ، بما في ذلك نظام تنسيق اليد ، وموقع وتركيب مقاييس التسارع ، ومدة القياس ، ومشاكل موصل الكابل ، الخ. ومع ذلك ، فإن المعايير لا تأخذ في الاعتبار المتغيرات الجوهرية ، مثل قوة القبضة ، ووضع اليد والذراع ، والعوامل الفردية ، وما إلى ذلك. وقد تم فحص هذه العوامل على نطاق واسع في ظل مجموعة واسعة من الإثارة الاهتزاز وظروف الاختبار6،7،8،9،10،11،12،13، ولكن نتائج المحققين المختلفة ليست في اتفاق جيد. ولم يفهم بما فيه الكفاية أن العديد من هذه العوامل قد أدرجت في الأساليب الموحدة. ويعزى هذا التقييد جزئيا إلى تعقيدات نظام الذراع اليدوية البشرية، وظروف الاختبار، والاختلافات في التقنيات التجريبية وتقنيات القياس المستخدمة.
وعلاوة على ذلك، تم تنفيذ معظم القياسات السابقة من HTV في ظل ظروف تسيطر عليها بعناية مع الإثارة الاهتزاز المثالي، وقوة قبضة، والظروف الوضعية. ولذلك، فإن النتائج والإجراءات التجريبية لهذه القياسات قد لا تكرر حقا ظروف العالم الحقيقي، مثل ظروف تشغيل الجرارات اليدوية. وعلاوة على ذلك، لم تبذل سوى جهود محدودة لدراسة مركبة HTV للجرارات اليدوية ذات القياسات الميدانية. تم إجراء هذه القياسات باستخدام مقاييس التسارع المرفقة بمعصم المشغل وذراعه وصدره ورأسه لقياس اهتزاز الجسم كله تحت ظروف نقل الجرار1، أو في ظل ظروف الحرث في حقل مزلق والتمايل في حقل مغمور بمستويات مختلفة من سرعات المحرك14. لم يكن تأثير قوة قبضة، والتي يمكن أن تكون عاملا حاسما من HTV7،8، معزولة. ولذلك فإن هذه الأساليب غير مناسبة كمقاييس موحدة بسبب المواقف القسرية المختلفة للمشغل أثناء الزراعة التي تعزى إلى الظروف البيئية القاسية.
وقد أجري هذا البحث للمساهمة في وضع إجراءات موثوقة وقابلة للتكرار لقياس الجرارات اليدوية في مركبة HTV في وضع ثابت. ويعرض الشكل 1 الرسم التخطيطي للتصميم التجريبي. وتم استخدام جرار يدى مصنع فى الصين ويشيع استخدامه من قبل المزارعين الصينيين ، وتم اختيار عشرة من العاملين فى مجال الابحاث كمواضيع للدراسة . واستخدمت سبعة مقاييس تسارع كهرومغناطيسية خفيفة الوزن متصلة بنظام الذراع اليدوية للجرار لقياس الاهتزاز. رصد مقياس سرعة واحد واثنين من أجهزة استشعار الضغط رقيقة الفيلم سرعة المحرك وقوة قبضة أثناء الاختبار. وكان مطلوبا من الأشخاص لتشغيل جرار اليد بشكل تسلسلي بسرعات محرك محددة ومع قوى قبضة محددة للحصول على خصائص الاهتزاز في أوضاع تشغيلية مختلفة. توفر هذه المخطوطة بروتوكولا مفصلا لقياس HTV لنظام الذراع اليدوية للجرار مع النظر بشكل فريد في التغيرات في قوة القبضة وتردد الاهتزاز.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم وضع البروتوكول المقدم في هذه الدراسة على أساس معايير HTV4و5و24، وتم تطويره كخطوات قياسية لقياس HTV لنظام الذراع اليدوي البشري أثناء تشغيل جرار يدوي في حالة ثابتة. هذا الشرط هو الحالة الأكثر استقرارا من جرار اليد للمساعدة في ضمان قياس موثوق…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل مؤسسة العلوم الطبيعية في تشونغتشينغ، الصين (cstc2019jcyj-msxmX0046)، ومشروع لجنة تشونغتشينغ التعليمية الصينية (KJQN202001127)، ومشروع لجنة العلوم والتكنولوجيا في منطقة بانان، تشونغتشينغ، الصين (2020TJZ010). ويود المؤلفون أن يشكروا البروفيسور يان يانغ على توفير موقع الاختبار. كما أننا ممتنون للدكتور جينغشو وانغ والدكتور جينغهوا ما لتوجيههما باستخدام أجهزة قياس الاهتزاز. ويرجع الفضل أيضا إلى المواضيع لتعاونهم الصادق خلال التجارب.
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).
