One-handed dynamic pulling strength with special application to lawn
mowers Department of Industrial and Systems Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee, Wisconsin , U.S.A. and S. FUNKE and D. JANI~CH Research and Development, Briggs and Stratton Corporation, Milwaukee,
Wisconsin , U.S.A. Keywords: Dynamic pulling strength; Static pulling strength; Rating of perceived exertion; Lawn mowers.
A laboratory study was conducted to determine one-handed dynamic and static pulling strengths of 50 males and 49 females from 14 to 71 years of age. The dynamic strength for a 1.1 m pull was measured to simulate the act of starting a lawn mower engine for four different starting-rope handle locations: on the engine, in the middle, on the right and on the left side of the frame. The last three were located at the back of the lawn mower at a vertical height of 63 cm from the floor and the handle on the engine was located at 42cm. Static strength was measured for the handle in the middle. Ratings of perceived exertion were recorded for different body parts.
Peak and average dynamic pulling strengths were 55% and 34% of static pulling strengths. Dynamic pulling strengths were highly correlated with peak velocity (r = 0.84). Men in the age group 21-34 years had the highest strength and women in the age group 5 1-7 1 years the least strength. Dynamic pulling strengths for women were 62% of strengths for men. Women took 10% longer to pull, had a lower peak velocity (1 6%), reached peak force faster (I 7%) and took a longer time (6%) to reach peak velocity than men.
The starting handle located on the engine resulted in the maximum pulling strength and on the left side in the minimum strength. However, two out of three . subjects preferred the handle either on the right side or in the middle. Fifty-five percent of the subjects indicated they would prefer a height higher than 63 cm.
Maximum stresses were perceived on the shoulder and upper arm with a mean rating between fairly light and somewhat hard. Graphs of cumulative frequency distributions of average and peak dynamic pulling strengths are presented to aid in the determining forces required to start a lawn mower engine in order to satisfy a desired percentage of the population.
- Introduction
Gasoline powered equipment such as walk-behind lawn mowers, snow blowers, small outboard engines, cultivators, trenchers, chain-saws, small power generating units, etc. require pulling a rope with one hand to start the engine.
A .Garg et al.
To reduce the risk of injury by contact with the blades of power lawn mowers, the U.S. Consumer Product Safety Commission (1 985) passed a safety standard for walk- behind power lawn mowers manufactured after June 1982. A11 mowers must have a safety control lever (dead-man control) on the mower handle and the mower blade must stop within 3 s of the operator releasing the safety control lever or leaving the operator zone. The most popular alternative is that the engine and the blade both stop as they are directly connected (engine-kill system). This requires that the operator must continuously hold the safety control lever while starting and operating the lawn mower.
Locating the starter-rope handle on the engine and requiring that a safety control lever at the rear of the mower be held in order to start the engine requires an awkward body posture resulting in lateral bending and flexion of the trunk along with extension of both arms (Garg and Pavelic 1987). Most manufacturers have moved the starter rope handle to the rear of the lawn mower near the lawn mower handle (in the middle, on the right side or on the left side of the frame (figure 1)). This arrangement
Figure 1. A schematic diagram of the set-up used to measure dynamic pulling strength. At the top is the body posture used for pulling in the middle at the back of the lawn mower and at the bottom body posture for pulling on the engine. (1 =pulling on the right side, 2 = pulling on the left side, 3 = load cell, 4 =distance transducer, 5 = safety control lever, 6 = Biokinetic ergometer, 7 = signal condition, 8 = A/D converter, and 9 = microcomputer).
One-handed dynamic pulling strength
primarily requires arm strength to start the mower, compared with the arm and back strength required when the starter rope handle is located on the engine. There is some concern that the force requirements to start a lawn mower may exceed the strength capabilities of some of the user population, as large numbers of elderly people, women and minors are using lawn mowers (Garg and Pavelic 1987).
The objective of this study was to determine the one-handed dynamic pulling strength of lawn mower users. It is believed that this research can provide a data base which can be used in designing manual-start gasoline-powered engines for which the starting force requirements do not exceed the strength capability of the user population.
In the past, several different methods have been used to measure static strength (Chaffin er al. 1976), psychophysically determined strength (Snook 1978), isoinertial strength (Kroemer 1983) and isokinetic strength (Pytel and Kamon 1981, Smith et al. 1985, Kumar and Chaffin 1985, Kumar 1987). In the present study, a Biokinetic ergometer (Isokinetics Inc., 1981) was used to allow for the acceleration pattern encountered in a normal human motion as opposed to a isokinetic device where the speed of motion is held constant.
- Method
2.1. Subjects
Fifty male and 49 female paid volunteers ranging in age from 14 to 71 years participated as subjects. All subjects had used a lawn mower in the past. Subjects age, . height, body weight, am length, standing resting heart rate, and static arm, back and leg strengths are summarized in table 1. The static strengths were measured using the procedure employed by
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单手动态拉伸强度对草坪的特殊应用
美国，威斯康星州，密尔沃基大学，密尔沃基分校，工业与系统工程系S. FUNKE
美国，密尔沃基，布里格斯和斯垂顿公司,D. JANICH
关键词：美国威斯康星州，动态拉伸强度；静态拉伸强度；主观体力感觉；割草机。
实验室研究的是对14岁到71岁的50名男性和49名女性进行单手动态拉伸强度和静态拉伸强度的测量。该测量模拟启动一个1.1MPa的拉伸强度行为，其中，动态拉伸强度有四个测量位置，这四个位置分别是割草机引擎起动绳手柄上、中间、右边，和机架的左侧。静态强度测量的三个位置分别是：割草机后面从下往上63厘米处、发动机上方垂直高度为42cm的手柄上和手柄中间。按评分记录不同身体部位的知觉用力。
平均动态拉伸强度和平均静态拉伸强度分别为最大值的55%和34%。动态拉伸强度与峰值速度高度相关(r = 0.84)。21-34岁年龄组的男人的最低强度和5 1-7 1岁年龄组的女人的最高强度相比较，女性的动态拉伸强度为男性的62%。女性多花了10%的时间去拉了一个较低的峰值速度即最大值的16%，如果要达到更高的峰值速度即最大值的17%，会比男性多花6%的时间才能达到最大值17%的峰值速度。
发动机上的启动手柄位于最大的拉伸强度和最小拉伸强度的左侧。然而,三分之二的实验对象优优先选择手柄的右边或中间。百分之五十五的受试者表示他们宁愿手柄高度高于63厘米。
最大应力被认为在肩膀和上臂之间，平均评价是在相当轻和有些困难之间。图表显示累积频率分布的平均值和峰值的动态拉应力强度有助于决定需要启动割草机引擎以满足所需的人口百分比。
- 介绍
汽油动力设备如手扶割草机、扫雪机、舷外发动机、中耕机、挖沟机、链锯、小型发电机组等需要用一只手拉绳启动发动机。美国消费者产品安全委员会（1985）通过了一项安全标准——在1982年6月后生产的动力割草机通过接触动力割草机的刀片时要减少受伤的风险。A11割草机必须有一个安全控制杆（安全操控装置）能够操作割草机，即使用了安全控制杆后割草机刀片必须在3s内停止或者刀片离开发动机（离合器）。最好的选择是，发动机和叶片都停止，因为它们是直接连接的（发动机熄火系统）。这就要求生产厂家生产的割草机在启动状态时必须保持有安全控制杆控制安全。
定位起动绳手柄上的发动机，启动发动机时需要用一个笨拙的身体姿势导致横向弯曲和躯干屈曲和扩展（Garg and Pavelic 1987）来启动割草机后方安全控制杆。大多数制造商已经把起动绳手柄放在割草机的手柄后（中间，右边或车架左侧（图1））。这是一个用于测量动态拉力强度的装置的示意图。上下图是用来拉动割草机在中间的引擎的身体姿势。（1 、拉右边2、拉左侧3、负载电池4、安全距离传感器5、控制杆6、生物动力学测力计7、信号条件下8、A / D转换器9、微机）。
图1
单手动态拉伸强度主要是需要手臂力量发动割草机，启动时所需的手臂和背部的力量绳手柄位于引擎上。有一些担心启动割草机的力的要求可能会超过一些用户群体的力量，比如大量的老年人、妇女和未成年人（Garg and Pavelic 1987）。
本研究的目的是确定单手割草机用户的动态拉伸强度。相信这项研究可以提供一个数据库，用于设计手动启动汽油动力发动机的起动力不超过用户群体的力量。
此前,几个不同的方法被用来测量静静态强度(Chaffin er al. 1976),心理物理强度(Snook 1978)决定,异惯性强度(Kroemer 1983)和等速力量(Pytel and Kamon 1981, Smith et al. 1985, Kumar and Chaffin 1985, Kumar 1987)。在目前的研究中,一个生物动力学测力计(Isokinetics Inc., 1981)是允许用于加速度运动模式中遇到一个正常的人类,而不是等速设备,运动是保持恒定的速度。
- 方法
2.1 主题
五十名男性和四十九名女性志愿者中，年龄从14岁至71岁不等。所有受试者在过去都使用过割草机。受试者年龄，身高，体重，站立休息的心跳频率，和静态的手臂，背部和腿部的优点归纳总结在表1中，静态优势测定使用过程采用Chaffin et al. (1976)的方法。女性的平均强度是男性力量的55%至60%。手臂的长度被定义为从肩峰顶到中指尖的距离。全手抓时，这个长度会减少10.5厘米到12.7厘米（NASA 1978, Garg and Saxena 1981）。心率测量使用Exersentry心率计。实验的受试者穿着正常的服装，如裤子、衬衫和鞋子。
表1
2.2. 静态拉力强度
手柄位于从地面往上垂直高度63厘米位置处，Staticic强度是衡量与惯用手拉的静强度测量装置在一个角上26“的方向上。测试协议指示的主题，以证明一个最大持续（3至4秒）的自愿行使的静态手柄上。牵引的方向是通过将手柄连接到负载电池，这是固定在横向26“的静态强度固定装置。手柄是舒适的，,允许一个完整的,全方位的手指控制。试验过程符合Chaffin (1975)的建议的静强度测试。
2.3. 动态拉力强度
利用生物动力学测力计是电磁测功机在准速度调节TED模式操作动态拉伸强度的测定。它提供的是一个容纳电阻，即电阻与所用的力量的强度成正比。在对比等速装置，以增加的测力计以上选择调节速度与所施加的力的大小成比例的操作速度，根据-发电机调节常数（sokinetics Inc. 1981）。机械，它由一个灵活的张力线绕在卷筒上，它是通过一个单向离合器和同步带驱动永磁直流发电机连接。当发电机的旋转速度超过选定的速度、一个无功动态制动力在发电机轴产生等于所施加的机械力。距离传感器（PT-50 Genisco模型）被安装在附近的拉柄割草机框架上。从换能器的电缆连接到牵引手柄。延长电缆旋转轴的精密电位计（accuracy = $- 0.1 % full scale）。恒张力弹簧保持在电缆中延伸的张力，并提供在收卷电缆中的扭矩等。电缆的张力是7.2N。
一个负载电池和一个距离传感器连接到启动绳手柄测量力，距离和速度。从2传感器的输出进行了调整，数字化，使用一个援助转换器，并存储在采样率为1000 /s的微机上。
图1显示了用于测量动态拉力强度的装置。生物动力学测力计在割草机四个车轮的甲板上。通过滑轮可调节引导绳拉的方向和高度，拉高方向是通过1-9厘米长的管状导轨0-9厘米内径（图一）拉没有测量的方向不同的主题和一些偏差可能。然而,任何重大偏离预定方向都容易引起的绳子对管内表面的摩擦。动态拉伸强度测定在四个不同的位置上：在割草机甲板上(引擎)的,中间,左边和右边,最后三个位于割草机的后面。从地上拉手柄的高度是42厘米，在甲板上63厘米处手柄中间,左边和右边。在甲板上的起动手柄约为垂直向上，约为26“从横向拉，中间，左右。上面的位置,高度,方向和长度是用来模拟典型的不同的草坪。图2和3的显示典型的男性和女性的力和速度与时间的曲线。
四个手柄位置随机选择。受试者被告知，启动一个典型的割草机，目的是确定他们的最大随意动态强度。他们被告知尽可能快的近距离使用一只手放在手柄上，另外一只手放在安全控杆上。连续拉动起动绳后休息至少两分钟（或更长的时间）以避免局部肌肉疲劳。所有测量重复三次。用不同的方法拉动手柄（例如，面对割草机，面向一侧，推着割草机拉等）都符合要求。对于每一个位置，subjekts努力尝试一些试验（通常拉三到五次）直到他们选择感觉舒服的姿势为止。
图2
图3
2.4. 过程
受试者每进行一次测试，记录他们的性别、年龄、身高、体重、手臂长度和静息心率。然后，进行动态拉力强度测量。每个位置受试者都被要求感觉Borg量表（1962）下列部位：手、手腕、下臂，上是，肩，背，腰部和上身。受试者被要求显示自己的喜好的手柄高度（高或者是低），并把偏好处理位置(甲板中间,右侧卧,左侧卧)进行排名。最后，测量了受试者的一个手的静态牵拉，手臂，腿部和背部的力量测量。十五个观测（4个动态和1个静态的拉动力times;3观察每个受试者）的主题。把所有强度相关的数据进行了分析如性别和年龄组。受试者被分为四个年龄组：14-20，21-34，35-50，51-71。所有的数据进行方差分析，以确定四个年龄组，男性和女性之间的五个强度（一个静态和四个动态）是否有显著差异。
- 结果
所有强度相关数据见表2。在表3和4中给出了不同动态强度变量间方差分析和相关系数的分析。
表2
表3
3.1. 静态和动态拉力的比较
显著差异(p lt; 0 - 0 1)之间的静态和动态优势。最大动态拉伸强度的四个起动手柄位置(范围= 52 - 58%)静态强度(范围= 55 - 63%)55%男性和58%女性(图4)。静态和动态之间的差异优势是平均强度更大。平均动态优势(范围= 33 - 36%)34%的男性和39%的女性平均静态拉伸强度(范围= 3 7 - 40%)为例(图4)。
3.2.起动手柄位置的动态拉伸强度的影响
起动手柄的位置对峰值和平均动态拉力强度有显著影响（pt0-05）。在四个手柄位置，最大的动态拉力强度为发动机手柄和（表2）手柄上左边的最小值。峰值强度的最大差异分别为男性18.8%和女性14.9%，而平均强度是11.2%和10.7 %。手柄中间和右侧的峰值和平均的动态拉力强度约为5%，比左侧的手柄上的更强。平均上，受试者到达力峰值和峰值速度最小的时候，起动手柄位于发动机上。峰值速度分别为5%左右，在发动机上中间的手柄，对比那些在右侧和左侧的手柄，平均速度为发动机手柄的最大值，发动机手柄和左侧手柄上的最小值，所做的工作是最高的。拉的四个位置距离约为1.1米。
3.2起动手柄位置对动态拉伸强度的影响
起动手柄位置对峰值和平均动态拉力强度有显著影响（pt0-05）。在四个手柄位置中，最大动态拉强度是发动机上的手柄，左侧的手柄最小（表2）。峰值强度的最大差异分别为男性18.8%和女性14.9%，而平均强度是11.2%和10.7 %。中间和右侧的手柄的峰值和平均动态拉力强度约大于左侧的手柄5%的优势。平均上，受试者到达力峰值和峰值速度最小的时候，起动手柄位于发动机（pc0.01）上。引擎峰值速度大约为5%，比右边的把手在引擎中处理更大（P＜0.01）。平均速度是发动机上最大的处理引擎（P＜0.01）。所做的工作是对引擎处理左边最大的手柄和最低值（P＜0.01）。拉的四个点的距离约1.1米。
3.3性别
正如预期的那样，工作的峰值强度、平均强度女性比男性要小得多。女性的峰值和平均动态牵引强度分别为男性的61%和63%，工作进度分别为56%和100%完成。女性的峰值和平均速度分别为男性的84%和89%。女性达到的峰值力比男性快17%。另一方面，女性把6%的时间花在达到峰值速度上。就平均而言，女性比男性慢10%（周期时间= 男性0.79秒和女性0.87秒）。男性和女性之间的差异均有统计学意义（表3）。
3.4. 年龄分组的影响
年龄组对动态拉伸牵拉强度有显著影响（表3）。男性的平均和峰值动态拉强度为21-34岁年龄组最高，为14-20岁年龄组最低。之后有一个稳定的强度下降随着年龄组的增加。平均动拉强度21-34岁，35-50岁和51-71岁三个年龄组的男性，分别为12.4%、12%和10.1%，分别为14-20岁年龄组的强度；和峰值强度为11.5%和10.3%，12.5%，分别对于女性，平均和峰值动态强度为14-20岁年龄组最高峰值强度为12.5%，11.5%和10.3 %，分别随着年龄的增加，强度的下降。平均动态拉伸强度在21-34岁,34-50岁，51-71岁三个年龄组的女性为92%，90%和81%的强度；峰值强度分别为87%、82%和76.7%。最薄弱的人群是51到71岁的女性。工作随着年龄的变化都遵循同样的模式作为两性的强度。
表4
图4
3.5.主观用力评价
图5比较了不同身体部位的知觉消耗（从四个手柄位置的组合数据）。身体部位最为突出的是上臂和肩膀。这些身体部位的物理应力在相当轻和有点困难之间。手腕、下臂、上背、下背的用力程度都是很轻很轻的。性别对主观体力感觉无显著影响。四个年龄组之间有显著差异，除了14-20和51-71年龄组之间。手柄位置引擎或导致左侧稍高评级的感知运动。
图5
3.6. 手柄位置和高度的偏好
当要求受试者将四个位置排列优先顺序，右边的起始手柄是最优先的位置。这个排名最高，有35%的受试者将其排在第一，其次是在中间（31%），引擎上（26%）和引擎左边（8%）。然而，中间位置的手柄可能会更适合，因为它将容纳右手和左手操作。受试者没有被要求，也没有提供上述偏好的任何理由。当受试者被要求如果他们宁愿把手高度调节高，低，或很低，55%的人表示他们宁愿高度高于42和63厘米引擎上后端手柄处（右、中、左），分别用于本研究。只有约15%的受试者希望手柄比较低，约30%的人希望没有变化。
- 论述
动态和静态拉力强度的显着差异表明，动态拉力强度不应该从静态拉力强度估计，特别是对高速拉动任务。由于缺乏动态强度的数据，你可能不得不依靠静强度数据。然而，这将导致在一个相当大的高估（1.8至2.9倍）的人口的动态拉伸强度。看来，单手动态拉伸强度可以合理地从峰值和平均速度估计（表4）。此外，动态拉伸强度没有产生主要感知强调研究的任何的身体部位。这可能是由于是高速拉伸。
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