Misurazione della vibrazione trasmessa a mano del sistema del braccio manuale umano durante il funzionamento di un trattore a mano

Summary

Qui presentiamo un metodo standardizzato per la misurazione delle vibrazioni trasmesse a mano dalle maniglie di un trattore monoassi con particolare riferimento ai cambiamenti nella forza di presa e nella frequenza delle vibrazioni.

Abstract

Gli operatori dei trattori a mano sono esposti ad alti livelli di vibrazioni trasmesse a mano (HTV). Questa vibrazione, che può essere fastidiosa e pericolosa per la salute umana, viene impartita all’operatore attraverso le sue mani e le sue braccia. Tuttavia, non è ancora stato definito un metodo standardizzato per la misurazione dell’HTV dei trattori a mano. Lo studio aveva lo scopo di presentare un metodo sperimentale per lo studio della risposta biodinamica e della trasmissibilità delle vibrazioni del sistema mano-braccio durante il funzionamento di un trattore a mano in modo stazionario. Sono state effettuate misurazioni con dieci soggetti utilizzando tre forze di presa e tre livelli di vibrazione della maniglia per esaminare le influenze della pressione e della frequenza della mano sulle vibrazioni trasmesse a mano (HTV). I risultati indicano che la tenuta di aderenza sulla maniglia influenza la risposta di vibrazione del sistema mano-braccio, specialmente a frequenze tra 20 e 100 Hz. La trasmissione di frequenze più basse nel sistema mano-braccio era relativamente incustodita. In confronto, l’attenuazione è stata riscontrata come abbastanza marcata per frequenze più elevate durante il funzionamento del trattore a mano. La trasmissibilità delle vibrazioni a diverse parti del sistema mano-braccio è diminuita con l’aumento della distanza dalla sorgente di vibrazioni. La metodologia proposta contribuisce alla raccolta di dati coerenti per la valutazione dell’esposizione alle vibrazioni dell’operatore e allo sviluppo ergonomico dei trattori a mano.

Introduction

I trattori a mano, noti anche come fresatrici di potenza, sono ampiamente utilizzati nei paesi in via di sviluppo per la preparazione del terreno di piccoli campi. Il funzionamento sul campo di un trattore a mano comporta camminare dietro la macchina e tenere le maniglie per controllarne il movimento. Gli operatori dei trattori a mano sono esposti ad alti livelli di vibrazione, che potrebbero essere attribuiti al piccolo motore monocilindrico e alla mancanza di sistema di sospensione dei trattori a^{mano 1.} La sindrome da vibrazione mano-braccio (HAVS)² può essere causata da una resistenza a lungo termine dalla vibrazione, denominata vibrazione trasmessa a mano (HTV), generata dal trattore a mano e ricevuta dalle mani dell’operatore. Per valutare i rischi per la salute derivanti dall’esposizione degli operatori all’HTV dei trattori a mano, è necessario stabilire un metodo per misurare la risposta alle vibrazioni del sistema mano-braccio.

Il sistema mano-braccio è composto da ossa, muscoli, tessuti, vene e arterie, tendini e pelle³e la misurazione diretta dell’HTV pone molti problemi. Le pertinenti norme internazionali^{4,5 forniscono} linee guida relative alla misurazione della gravità delle vibrazioni generate nelle immediate vicinanze della mano, compreso il sistema di coordinate per la mano, la posizione e il montaggio degli accelerometri, la durata della misurazione, i problemi del connettore del cavo, ecc. Tuttavia, gli standard non prendono in considerazione variabili intrinseche, come la forza di presa, la postura della mano e del braccio, i singoli fattori, ecc. Questi fattori sono stati ampiamente esaminati in un’ampia gamma di eccitazioni di vibrazioni e condizioni di prova^{6,7,8,9,10,11,12,13}, ma i risultati di diversi investigatori non sono in buoni accordi. Molti di questi fattori non sono stati sufficientemente compresi per essere incorporati nei metodi standard. Questa restrizione è in parte attribuibile alla complessità del sistema mano-braccio umano, alle condizioni di prova e alle differenze nelle tecniche sperimentali e di misurazione impiegate.

Inoltre, la maggior parte delle misurazioni precedenti dell’HTV sono state eseguite in condizioni attentamente controllate con eccitazioni di vibrazioni idealizzate, forza di presa e condizioni posturali. I risultati e le procedure sperimentali di queste misurazioni, quindi, potrebbero non replicare realmente le condizioni reali, come le condizioni operative dei trattori a mano. Inoltre, sono stati intrapresi sforzi limitati per studiare l’HTV dei trattori a mano con misurazioni sul campo. Queste misurazioni sono state eseguite utilizzando accelerometri attaccati al polso, al braccio, al torace e alla testa dell’operatore per misurare le vibrazioni di tutto il corpo nelle condizioni di^{trasporto del trattore 1}o nelle condizioni di lavorazione in un campo untilled e puddling in un campo sommerso con diversi livelli di velocità del motore¹⁴. L’effetto della forza di presa, che potrebbe essere un fattore cruciale di HTV^7,8, non è stato isolato. Questi metodi non sono quindi adatti come procedure di misurazione standardizzate a causa delle varie posture forzate dell’operatore durante l’agricoltura attribuite alle dure condizioni ambientali.

La presente ricerca è stata intrapresa per contribuire alla definizione di procedure affidabili e ripetibili per la misurazione HTV dei trattori a mano in modo stazionario. La figura 1 presenta il diagramma schematico della progettazione sperimentale. Un trattore a mano prodotto in Cina e comunemente usato dagli agricoltori cinesi era impiegato, e dieci ricercatori sono stati scelti come soggetti per lo studio. Sette accelerometri piezoelettrici leggeri collegati al sistema trattore-braccio mano sono stati utilizzati per misurare la vibrazione. Un contagiri e due sensori di pressione a film sottile hanno monitorato la velocità del motore e la forza di presa durante i test. Ai soggetti è stato richiesto di azionare in sequenza il trattore a mano a velocità specifiche del motore e con forze di presa specificate per ottenere le caratteristiche di vibrazione in varie modalità operative. Questo manoscritto fornisce un protocollo dettagliato per la misurazione HTV del sistema trattore-braccio mano-braccio con considerazione unica dei cambiamenti nella forza di presa e nella frequenza delle vibrazioni.

Protocol

Tutte le procedure sono state approvate dal Comitato Etico dell’Università di Tecnologia di Chongqing e ogni materia ha fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione a questo studio. 1. Preparazione del trattore a mano Assicurarsi che il trattore a mano sia sottoposto a condizioni di prova adeguate con un serbatoio pieno di carburante, senza allentamento dei bulloni e senza altri difetti meccanici che comporterebbero vibrazioni anomale.NOTA: Le specifiche del …

Representative Results

L’esperimento è stato effettuato in laboratorio (temperatura dell’aria 22,0 °C ± 1,5 °C) su dieci soggetti sani(tabella 2)durante il funzionamento di un trattore a mano in condizioni stazionarie. Seguendo il protocollo, i dati di accelerazione delle vibrazioni sono stati raccolti dalla maniglia del trattore a mano, così come la parte posteriore della mano, il polso, il braccio e la spalla di ogni soggetto. È stato ottenuto lo spettro dell’accelerazione delle vibrazioni c…

Discussion

Il protocollo presentato in questo studio è stato stabilito sulla base degli standard HTV^4,5,24, ed è stato sviluppato come passaggi standard per la misurazione dell’HTV del sistema uomo mano-braccio durante il funzionamento di un trattore a mano in condizioni stazionarie. Questa condizione è lo stato più stabile del trattore a mano per contribuire a garantire la misurazione affidabile della vibrazione effettivamente trasmes…

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.