Mätning av den handöverförda vibrationen i det mänskliga handarmssystemet under drift av en handtraktor

Summary

Här presenterar vi en standardiserad metod för mätning av handöverförd vibration från handtag på en enaxlad traktor med särskild hänvisning till förändringar i greppkraft och vibrationsfrekvens.

Abstract

Operatörer av handtraktorer utsätts för höga nivåer av handöverförda vibrationer (HTV). Denna vibration, som kan vara både irriterande och farlig för människors hälsa, förmedlas till operatören via hans eller hennes händer och armar. En standardiserad metod för mätning av HTV för handtraktorer har dock ännu inte definierats. Syftet med studien var att presentera en experimentell metod för undersökning av handarmssystemets biodynamiska respons och vibrationstransmissibility under driften av en handtraktor i stationärt läge. Mätningar utfördes med tio försökspersoner som använde tre greppkrafter och tre handtagsvibrationsnivåer för att undersöka påverkan av handtrycket och frekvensen på handöverförd vibration (HTV). Resultaten visar att tätheten i greppet på handtaget påverkar handarmssystemets vibrationsrespons, särskilt vid frekvenser mellan 20 och 100 Hz. Överföringen av lägre frekvenser i hand-arm systemet var relativt obunden. I jämförelse konstaterades dämpning vara ganska märkt för högre frekvenser under handtraktorns drift. Vibrationstransmissibiliteten till olika delar av handarmssystemet minskade med ökningen av avståndet från vibrationskällan. Den föreslagna metoden bidrar till insamlingen av konsekventa uppgifter för utvärdering av förarens vibrationsexponering och ergonomins utveckling av handtraktorer.

Introduction

Handtraktorer, även kända som kraftfräsar, används ofta i utvecklingsländer för markberedning av små fält. En handtraktors fältdrift innebär att gå bakom maskinen och hålla i handtagen för att styra dess rörelse. Operatörerna av handtraktorer utsätts för höga vibrationsnivåer, vilket kan hänföras till den lilla encylindriga motorn och bristen på fjädringssystem för handtraktorer¹. Handarmsvibrationssyndromet (HAVS)² kan orsakas av långvarig uthållighet från vibrationerna, med namnet handöverförd vibration (HTV), som genereras av handtraktorn och tas emot av förarens händer. För att bedöma de hälsorisker som orsakas av operatörernas exponering för handtraktorernas HTV är det nödvändigt att fastställa en metod för mätning av handarmssystemets vibrationsrespons.

Handarmssystemet består av ben, muskler, vävnader, vener och artärer, senor och hud³, och den direkta mätningen av HTV utgör många problem. De relevanta internationella^{standarderna 4,5} innehåller riktlinjer för mätning av svårighetsgraden av vibrationer som genereras i handens omedelbara närhet, inklusive koordinatsystemet för handen, placering och montering av accelerometrar, mätlängd, kabelkontaktproblem etc. Standarderna tar dock inte hänsyn till inneboende variabler, såsom greppkraften, handens och armens hållning, enskilda faktorer etc. Dessa faktorer har undersökts utförligt under ett brett spektrum av vibrations excitations och testförhållanden^{6,7,8,9,10,11,12,13}, men resultaten från olika utredare är inte i god enighet. Många av dessa faktorer har inte i tillräcklig utsträckning förståtts för att införlivas i standardmetoder. Denna begränsning kan delvis tillskrivas komplexiteten i det mänskliga handarmssystemet, testförhållandena och skillnaderna i de experimentella tekniker och mättekniker som används.

Dessutom utfördes de flesta av de tidigare mätningarna av HTV under noggrant kontrollerade förhållanden med idealiserade vibration excitations, grepp kraft och postural förhållanden. Resultaten och försöksförfarandena för dessa mätningar kanske därför inte riktigt replikerar verkliga förhållanden, såsom handtraktorer. Dessutom har endast begränsade ansträngningar gjorts för att studera HTV för handtraktorer med fältmätningar. Dessa mätningar utfördes med accelerometrar fästa vid förarens handled, arm, bröst och huvud för att mäta hela kroppsvibrationerna under traktorns^{transportförhållanden 1}, eller under förhållanden med jordbearbetning i ett framtöllat fält och puddling i ett nedsänkt fält med olika nivåer av motorvarvtal¹⁴. Effekten av greppkraften, som kan vara en avgörande faktor för HTV^7,8, isolerades inte. Dessa metoder är därför olämpliga som standardiserade mätförfaranden på grund av operatörens olika tvångsställningar under jordbruket som tillskrivs de hårda miljöförhållandena.

Den nuvarande forskningen genomfördes för att bidra till inrättandet av tillförlitliga och repeterbara förfaranden för HTV-mätning av handtraktorer i stationärt läge. Figur 1 presenterar det schematiska diagrammet över den experimentella designen. En handtraktor tillverkad i Kina och vanligen använd av kinesiska bönder användes, och tio forskare valdes som ämnen för studien. Sju lätta piezoelektriska accelerometrar kopplade till traktor-hand-arm-systemet användes för att mäta vibrationerna. En varvräknare och två tunnfilmstrycksensorer övervakade motorns hastighet och greppkraft under provningen. Försökspersonerna var tvungna att i tur och nedförst i tur och nedföra handtagstraktorn vid angivna motorvarvtal och med angivna greppkrafter för att erhålla vibrationsegenskaperna i olika driftlägen. Detta manuskript ger ett detaljerat protokoll för HTV-mätning av traktor-hand-arm-systemet med unik hänsyn till förändringar i greppkraften och vibrationsfrekvensen.

Protocol

Alla förfaranden godkändes av etikkommittén vid Chongqing University of Technology och varje ämne gav skriftligt informerat samtycke innan de deltagande i denna studie. 1. Förberedelse av handtraktorer Se till att handtraktorn utsätts för lämpliga provningsförhållanden med en full bränsletank, utan att bultarna lossnar och utan andra mekaniska defekter som skulle leda till onormal vibration.OBS: Specifikationerna för den handtraktor som används i detta experiment ang…

Representative Results

Försöket utfördes i laboratoriet (lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) på tio friska försökspersoner(tabell 2)under drift av en handtraktor i stationärt skick. Efter protokollet samlades vibrationsaccelerationsdata in från handtraktorns handtag, liksom baksidan av handen, handleden, armen och axeln på varje ämne. Spektrumet av vibrationsaccelerationen som sker vid handtaget (ingång till handen) erhölls. Figur 8 visar exempel på tidsdom…

Discussion

Protokollet som presenteras i denna studie fastställdes baserat på HTV-standarder^4,5,24, och utvecklades som standardsteg för mätning av HTV av det mänskliga handarmssystemet under driften av en handtraktor i stationärt skick. Detta tillstånd är handtraktorns stabilaste tillstånd för att säkerställa tillförlitlig mätning av vibrationerna som faktiskt överförs till handen och armen. Det intervall av variabler som …

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.