手臂姿态和握力对手臂系统机械阻抗影响的实验研究

摘要

为了研究手臂姿态、握力、推力和振动激励强度对人手手臂系统机械阻抗的影响，研制了一种自行研制的振动手柄测试系统。在此基础上，对7名中国成年男性手臂系统在频率为10 - 1000hz的随机振动激励下的机械阻抗进行了测试和计算。结果表明，当频率较低(<40 Hz)时，手臂系统肘部角为180^O.产生更高的机械阻抗;当频率从40 Hz到100 Hz时，手臂系统具有90的肘部^O.产生较高的机械阻抗;而当频率较高(>100 Hz)时，手臂姿势对机械阻抗的影响不明显。较高的抓地力或推力会增加与机械阻抗峰值相对应的频率，通常在特定频率范围(30 - 200hz)对应较高的机械阻抗。当频率较低(<140 Hz)时，振动强度对手臂系统的机械阻抗有一定的影响。综上所述，振动强度并不直接影响机械阻抗，但握持力或推力的增加往往导致机械阻抗增加，机械阻抗峰值对应的频率更高。

1.介绍

当农业机械和设备在该领域工作时，由于农田的较低程度，工作装置的大运动范围，传动系统的高速速度以及其自身的结构特征以及振动，强烈地生产强大的振动。将通过座椅，方向盘，扶手和踏板传递到操作员身体。根据由透射振动影响的不同体部件，振动可以分为全身振动和局部振动。全身振动主要是指通过支撑表面传递到主体的振动，例如座椅。局部振动，也称为手传动的振动，是机械振动或冲击作用于手臂或传递到手臂系统，通过手工或手指从方向盘和操作扶手操作[1那2］．一些振动工具和机器，如破碎机、凿岩机和磨床，广泛应用于许多工业场合。长期操作这类工具或机器的工人可能会感到手刺痛、麻木，其严重程度通常随着工具振动强度的增大而增加。在严重的情况下，它可能会导致身体不适和失去对工具的控制[3.］．在停止使用工具后，这些急性效果通常很快就会消失。然而，延长暴露于这种高强度的手传动的振动可能导致血管中的一系列疾病，感官神经和人手臂系统的肌肉骨骼部位。这些疾病被统称为“手臂振动综合征”，也称为雷诺氏病。对于法律职业病，主要症状是振动白色手指[4.那5.］．数字1显示振动白色手指的症状和迹象。根据之前的报道，振动白色手指难以治疗并需要长期恢复期。即使在停止振动操作之后，一些患者的症状也在继续恶化。例如，一项研究表明，即使在20多年之后，一些raynaud疾病的患者也无法从振动暴露中恢复[6.］．

手传动的振动将对振动机械运营商的健康造成一些损害，特别是在高振动强度和长时间暴露于振动下。因此，通过手动振动引起的伤害是一个特别突出的问题。目前，对保护振动工具运营商的健康需求越来越大。因此，有效地控制手动振动至关重要，以最小化对人手臂系统的伤害。

到目前为止，相关研究主要集中在工具本身的振动源上，旨在优化工具的结构，降低手传动的振动强度，并减轻振动对人手臂系统的不利影响．然而，在手动振动下对人手臂系统进行了很少的研究，例如手臂系统中的振动能量的吸收和传输特性，系统对手传动的振动的响应，及其与振动激励的关系。为了最大限度地减少手传动振动对人体健康的影响，研究人手臂系统中的振动传输特性也是非常必要的，以及诸如手臂姿势，振动频率的振动的一些物理因素和幅度和抓住力。手臂系统中振动能量转移规律的探索不仅可以有助于改善和优化振动机械的结构，而且还为监测工人的职业健康和早期诊断和预防手臂振动疾病提供​​重要参考。

对人手臂系统的生物动力反应的调查可以有助于更好地了解振动造成的损坏的机制，以及有助于制定用于评估振动暴露引起的风险的频率加权因子。此外，它还可以促进用于从振动隔离手臂系统的方法或装置的开发。已经对手臂系统的生物动力学反应进行了一些研究，包括表观物质，表观刚度和机械阻抗，并且大多数研究集中在机械阻抗上。主要的研究结果如下。Lundström等。测量手臂系统在20-1500Hz的频率范围内的机械阻抗，发现机械阻抗强烈取决于振动的频率[7.］．Burström在不同的实验条件下研究了随机振动的人手臂系统的机械阻抗，并在统计上分析了条件是否对机械阻抗的幅度和相位有影响。与使用正弦激发的其他研究的结果进一步比较了结果。结果表明，振动水平和振动刺激频率对手臂系统的机械阻抗具有非常显着的影响。抓地力或推力的增加将导致阻抗增加[8.］．Hempstock和O’connor评估了人手手臂系统机械阻抗的测量精度，发现当频率低于25 Hz时，测量的阻抗值之间存在一定的差异[9.］．Gurram等人利用驱动点阻抗测试技术研究了人体手臂系统在正弦和随机激励下的生物动力响应，发现在一定的频率范围内，正弦激励和随机激励引起的手部系统响应特性有显著差异，说明手部系统的非线性特性[10.］．董等人。提出了一种测量手指和手掌的机械阻抗的方法，并研究了机械阻抗的分布特性。结果表明，在较低频率（≤40Hz）下，手掌的机械阻抗显着高于手指的阻抗;当频率增加到100Hz时，大多数机械阻抗仍然分布在手掌中;当频率高于160Hz时，手指的机械阻抗接近或略高于手掌。他们还在三个正交方向上讨论了手指和手掌中机械阻抗的基本分布特征[11.那12.］．基于对人臂三维自由度和四维自由度生物力学模型的理论分析，李研究了振动频率，振动强度，手臂姿势和夹持力水平的影响手臂系统的机械阻抗，发现这些因素之间的关系非常重要[13.］．Dai等。从振动力学和生物力学的角度描述了机械阻抗，并为帕金森病的肌肉刚性症状设计了定量检测系统[14.］．

从上述文献中，可以看出，近年来，在手臂系统的振动传动的研究中取得了巨大进展。然而，在许多研究中，欧洲和美国的成年男性被视为受试者，其物理特征与中国成年男性的身体特征截然不同。因此，仍然尚不清楚先前报道的手臂系统的生物动力学特性和振动传输特性也可以应用于中国成年男性，并且关于相关结果和结论是否可以直接用于指导优化设计，这一点几乎都知道用于中国机器的振动减少。

人体手臂系统的机械阻抗与手臂肌肉等软组织的张力密切相关。在机床操作过程中，手的姿势和手的力量是影响肌肉张力的主要因素，应该是测试手的机械阻抗的两个关键因素。因此，本研究旨在测试不同振动强度下，手臂姿态和手力对手臂系统机械阻抗的影响。

2。材料和方法

２.１.研究对象

本实验的对象为7名无振动暴露史的右利手健康成年男性的右臂。人体测量参数按GB/T 5703-2010 [15.]如表所示1．

通过Archimedes排水法测量手的体积，手腕浸入水中。当拇指的指尖触摸中间指尖时，最大抓握直径是指中指点（pHII）和拇指转向节的最突出部分之间的线性距离。表中的人体测量参数的测试结果1表明，手动振动相关测试中的手相关参数值显着低于西方对象。同时，在该实验中，不同对象中的人类测量参数也存在一些差异，这些参数在不同的受试者中可能用于研究手尺寸在后面的手动振动上的影响。

２.２.手臂系统机械阻抗的定义

机械阻抗是指机械结构对振动传递的阻碍，可通过计算力的比值得到F在系统上表现为速度V.由作用点的力产生。人的手臂是由肌肉和骨骼组成的肌肉骨骼系统。骨头有很大的惯性，肌肉有刚性、粘性和惯性。这些机械特性统称为臂阻抗或臂机械阻抗[16.］．根据标准GB / T 19740-2005 [17.]，自由机械阻抗Z.（ ）将手臂系统的驱动点定义为激励力的复比F（ ）应用于频率和振动速度V.（ ）以相同的频率引起是振动角频率。对于所有其他连接点，系统是空闲的，这意味着应用的外力为零，即，

需要注意的是，手臂系统的机械阻抗值一般为复数，即有实部和虚部。因此，它也可以用模态和相位表示，实部是反映振动能量吸收和耗散的机械阻力。在本研究中，我们将手和手臂视为一个系统，在生物动力坐标系下，其三轴振动是独立的(见图)2），如ISO 5349-1-2001中规定的[18.］．在该试验中，沿着沿线测量机械阻抗Z._H人体生物动力坐标系中规定的方向（沿前臂），其在操作期间是许多手持式电动工具的主要振动曝光方向。此外，在这个方向上，整个臂的机械阻抗值也是最高的[11.］．

2.3。手臂系统的机械阻抗计算

在实验中，首先在非接触状态下对振动手柄进行测试。利用手指侧的传感器信号表征振动手柄的振动特性。因此，在受试者未握住手柄时，测量手指侧的力信号和加速度信号。手柄的机械阻抗(Z._处理)由加速度值、力值和速度值在时域的积分和公式(1）。类似地，当受试者保持手柄时，分别在手指侧和手掌上的力信号和加速信号。手指的机械阻抗（Z._手指)和手掌(Z._棕榈）以与计算相同的方式计算Z._处理．最后，通过减去获得整个手臂系统的机械阻抗值Z._处理从Z._手指+Z._棕榈．

假设由主题的手指侧上的两个力传感器测量的力值是F₁和F₂并且通过手掌侧的两个力传感器测量的力值是P.₁和P.₂，分别是手指力量（F_手指）和掌力（F_棕榈)可以表示为:

在手指侧和手掌侧测量的加速度值被整合一次，以获得手指侧的速度值（V._手指)及手掌侧(V._棕榈）， 分别。然后，力量值F（T.）和速度值V.（T.)转换为力值F（ω）和速度值V.（ω)在频域的傅里叶变换。在方程(3.） 和 （4.），手指侧的机械阻抗值（Z._手指)及手掌侧(Z._棕榈）可以如下取得：

最后，机械阻抗(Z.）手臂系统可以通过以下公式表示：

2.4。手臂系统的机械阻抗测试

2.4.1。测试设备

本研究采用自行研制的振动手柄。测试手柄的手柄部分直径为40毫米，长度为120毫米，厚度为2毫米。数字3.展示了振动手柄的结构示意图和物理示意图。为了保证其力学性能，避免在分析范围内发生共振，振动手柄采用铝合金材质，具有重量轻、刚度高的特点。手柄在中线上均匀分成上下两部分，用螺栓连接。各部分中间安装三维加速度传感器，上半部分用于测量手掌的振动响应，下半部分用于测量手指的振动响应。这种安装方法可提供振动响应试验的可靠性[19.］．值得注意的是，振动手柄手柄部分为圆柱形，内部为曲面，不利于加速度传感器的安装。因此，在其内表面焊接一个小矩形块体，使加速度传感器可以固定在块体表面。矩形块表面平整，焊接过程中应与振动手柄的中间支架平行，并靠近振动手柄的中心。每个部分的两端分别用两个三维力传感器固定在一个铝合金条支架上，力传感器用螺栓固定，振动手柄内的加速度传感器用强力胶固定。所有传感器都按照说明安装。此外，还设计了一个连接振动手柄和振动台的夹具。本研究开发的振动手柄不仅可以同时测量手指侧和手掌侧的振动响应，还可以直接测量手臂系统施加的握力和推力。因此，不需要测量推力的力板装置。

三维力传感器用于同时测量手掌侧和手指侧的驱动点处的静态和动态力。通过适当的信号处理，可以获得由每个力传感器测量的力信号中的静态和动态分数。数字4.是手掌的接触力，握力和推力的示意图，假设通过手掌侧的两个力传感器测量的静力是P.₁和P.₂手指边的是F₁和F₂．根据ISO 10819-2013 [20.]，静态抓地力( ）和推力(F_P.)可以定义为

在测试期间，通过将振动缸旋转90°，振动台可以垂直于水平平面，使得振动筛产生的振动激励的方向可以满足Z._H测试的方向（沿前臂）。数字5.为机械阻抗测试过程示意图(以受试者手臂90°姿态为例)。

2.4.2。测试设计

根据文献，手臂系统的姿势，抓握力，推力，振动强度和个体差异都对人手臂系统的机械阻抗产生了一定的影响。由于个体差异非常复杂，研究主要集中在手臂姿势，抓地力，推力和振动强度对人手臂系统的机械阻抗的影响。为了研究手臂姿势对机械阻抗的影响，我们测试并计算了手臂的肘角90°和180°时的受试者的机械阻抗。为了研究抓握力对机械阻抗的影响，我们测试并计算当抓握力为10,30和50n时的受试者的机械阻抗。类似地，为了评估推力对机械阻抗的影响，我们确定并计算当推力为10和30n时的受试者的机械阻抗。最后，因为振动强度的通常研究范围是3.5-10米/秒²，测试计算了5 m/s和10 m/s振动强度下受试者的机械阻抗²,分别。试验设计如表所示2．

数字6.显示在手臂系统的机械阻抗测试中使用的两个手臂姿势。

2.4.3。实验的程序

首先，设置了振动表和数据采集卡的参数。激励模式设定为宽带随机振动为10-1000Hz，振动强度为5米/秒²．为了使采集到的信号在研究的频率范围内尽可能接近真实信号，采样频率设置为5000 Hz。参数设定好后，将振动手柄固定在振动台上。应注意的是振动手柄和振动台表面不能松动。然后，测试空手柄的振动特性，以消除振动手柄本身的机械阻抗对测试结果的影响，计算手臂系统的机械阻抗。同时，对手柄振动特性的分析表明，在研究的频率范围内，手柄没有明显的共振现象。因此，振动手柄可以满足试验要求。所有受试者都被要求穿着轻盈，不穿外套，不戴戒指和手表，以尽量减少衣服对测试结果的影响，并按随机顺序对受试者进行测试。随后，要求受试者按照测试要求采取姿势，并以适当的力度握住振动手柄。保持正确的姿势和所需的抓地力和推力后，开始振动暴露。 During the test, the subjects needed to observe the display screen of the force signal to maintain the grip and push force at levels required by the test (fluctuations within 3 N were allowed). If the subject could keep the grip and push force within the range required by the test, the vibration signal frequency of the hand-arm system would not change significantly in 20 s of vibration exposure. Furthermore, at higher hand force levels (grip force 50 N and push force 30 N), it would be difficult for the subjects to maintain hand force at this level for a long period of time. Therefore, the test of each combination of different test factors lasted for approximately 30 s. Each subject performed 12 trials under one vibration intensity. To avoid the possible impact of hand fatigue on the test results, after the end of each test, the subject would be allowed to take a three-minute rest before taking the next test. Then, the vibration excitation intensity of the vibration table was adjusted to 10 m/s²此外，其他参数设置保持不变以重复上述测试。

3.结果与讨论

MATLAB软件用于计算人手臂系统的机械阻抗幅度，结果在10-1000Hz的频率范围内以1/3八度音频的中心频率点表示。

３.１.被试个体差异对机械阻抗的影响

手臂姿势是影响机械阻抗的主要因素[21.］．因此，我们主要讨论了两个不同的手臂姿势下的个体差异对机械阻抗的影响。此外，我们将其他测试条件设置为低强度状态（振动强度为5米/秒）²，推力为10 n，抓握力为30n）以确保结果的准确性。通过加速值，力值和时域中的速度值的傅里叶变换和等式的计算来计算七个受试者的机械阻抗幅度。1）。结果如图所示7.．

观察发现，在两种不同的手臂姿态下，只有在低频率(<100 Hz)时，手臂系统的机械阻抗幅值在个体间存在差异，而当频率高于100 Hz时，个体间差异对机械阻抗幅值无明显影响。数字7（a）表明，当肘角为90°并且频率低于14Hz时，手臂系统的机械阻抗的幅度随着手持量，手长，手宽和臂长而增加。大量的手装置是手臂系统的相对较大的表观质量，这将导致与振动手柄更强烈的耦合效果。另外，观察到，在30-100Hz的频率范围内，通常对应于更高的机械阻抗幅度的较小手持量，峰值大约40 Hz，可能是因为在手臂系统中发生共振在这个频率。数字7 (b)结果表明，当肘角为180°时，受试者个体差异对机械阻抗没有明显影响，而4号受试者机械阻抗振幅出现两个峰值，分别在16 Hz和30 Hz左右。第二个峰值可能与在这个姿势和手的力量水平的手手臂系统的共振频率有关。虽然个体间的差异在一定的频率范围内对手臂系统的机械阻抗有一定的影响，但机械阻抗幅值随振动频率的变化趋势在所有被试中基本相同。根据GB 10000-88 [22.[4号受试者的人类计量值更接近中国成年男性的平均值，如表所示3.．因此，对4号课题的试验和计算结果进行了进一步的讨论。

3.2。手臂姿势对机械阻抗的影响

数字8.示出了在不同的手臂姿势下具有振动频率的人手臂系统的机械阻抗幅度的变化。其他测试条件如下：振动强度为5米/秒²，握力为30 n，推力是30 n。

数字8.明显地表明，当肘弯角度为180°时，手臂系统在较低频率(低于40 Hz)时产生较高的机械阻抗振幅，当频率极低时，手臂系统表现出与阻尼器相似的特性。在这种抓地力和推力水平的组合下，机械阻抗振幅的峰值出现在大约20 Hz的频率。弯头角度为90°时，机械阻抗振幅峰值出现在41 Hz左右。Aldien等人报道，机械阻抗振幅峰值所对应的频率通常与手臂系统的主共振频率有关[21.］．当肘部角度为90°时，对应于机械阻抗的峰值的频率与许多研究中报告的手臂系统的共振频率值的范围良好相一致[23.］．当频率范围为40 ~ 100 Hz，肘弯角度为90°时，手臂系统的机械阻抗幅值较高;当频率高于100 Hz时，手臂姿势对机械阻抗无明显影响。

当频率很低,肘角为180°,系统产生了机械阻抗幅值显著升高,表明相对较高的有效质量的手部和臂部系统的耦合振动手柄,这将导致低频振动能量的流动通过手部和臂部的整个身体系统。与肘角为90°的手臂系统的谐振频率相比，有效质量越大，谐振频率越低。

3.3。抓握力对机械阻抗的影响

数字9.当振动强度为5米/秒时，显示了握力对不同手臂姿势的手臂系统机械阻抗的影响²推力为30牛。

数字9.结果表明，在两种不同的手臂姿势中，握力的增加会增加手臂系统机械阻抗振幅峰值对应的频率。当肘角为90°且频率较低(<34 Hz)时，握力对手臂系统的机械阻抗无明显影响。当频率范围为34 ~ 400 Hz时，手臂系统的机械阻抗幅值随握力增大而增大;然而，当频率进一步增加时，抓地力的作用降低。对于肘角为180°的手臂姿态，当频率较低时，机械阻抗幅值显著较高，说明手臂系统与振动手柄耦合更强。在几乎整个研究的频率范围内，较高的握力通常对应较高的机械阻抗幅值，但随着频率的增加，握力对手臂系统机械阻抗的影响会逐渐减弱。这些发现与Aldien等人的发现非常一致[21.］．

3.4。推力对机械阻抗的影响

数字10.显示当振动强度为5米/秒时，在两条手臂姿势下，在两条手臂姿势下的机械阻抗变化的影响²握力为30 n。

可以看出，与握力的作用类似，在两种手臂姿态下，推力的增加也会增加手臂系统机械阻抗峰值振幅对应的频率。当肘角为90°和频率范围从30赫兹到200赫兹,增加推进力的机械阻抗幅值也增加了手部和臂部的系统,但是当频率低于30 Hz以上200 Hz,推动力量的影响手部和臂部的机械阻抗系统被削弱。当肘弯角度为180°时，推力的增加会在几乎整个频率范围内提高手臂系统的机械阻抗幅值，特别是在较低的频率(<100 Hz)。

3．5．振动强度对机械阻抗的影响

数字11.研究了握力和推力分别为30 N和30 N时，不同振动强度对手臂系统机械阻抗的影响。

对于不同的振动强度，手臂系统的机械阻抗幅度的变化基本上在两个手臂姿势下一致。当频率较低（<140Hz）时，振动强度对手臂姿势下的机械阻抗产生了更大的影响，其肘部角度为180°，这与Aldien等人的结果一致。[21.］．另外，在这种姿势下，机械阻抗幅度随着振动强度的增加而降低。Lundström等。另外发现当频率低于100Hz时，手臂系统的机械阻抗幅度随着振动强度的增加而降低，表明该研究中测量的可靠性[7.］．

4.结论

为了研究手臂姿势，握力，推力和振动激发强度对人手臂系统机械阻抗的影响，已经建立了具有自我开发的振动手柄的测试系统。在测试系统的基础上，测试和计算在不同的手臂姿势，振动强度，抓地力和推力下进行七个健康成年男性右手臂系统的机械阻抗。同时，讨论了4号受试者作为研究对象，讨论了不同测试因素对人手臂系统机械阻抗的影响。

总之，抓握或推力的增加有助于更高的机械阻抗幅度和对应于机械阻抗的峰值的频率。当肘部角度为180°时，振动强度大大影响了较低频率范围内的机械阻抗幅度。对手臂系统的机械阻抗的调查将有助于优化和开发人手臂系统的生物力学模型。此外，由于在某个频率范围内分析了不同因素对手臂系统的机械阻抗的影响，人臂的损伤可以更准确地瞄准，这有利于振动隔离器的开发。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（授予No.51875230和51405178）。

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