Type de document

Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2016

Langue

Français

Résumé

L'évaluation de l'exposition aux vibrations transmises au système main-bras et des lésions qui peuvent en résulter lors de l'utilisation d'outils portatifs motorisés repose actuellement sur les principes directeurs de la norme ISO 5349-1. Les dispositions de la norme ne tiennent pas compte, cependant, de l'effet des forces de couplage à l'interface main-poignée, alors que de nombreuses études ont démontré l'importance de ces forces dans la transmission des vibrations au système main-bras. Cela s'explique en partie par l'absence de méthodes pratiques pour mesurer ces forces sur le terrain, et en partie par le manque de données liant les risques de blessures aux forces en présence. Cette étude visait à évaluer la capacité d'un système à faible coût à mesurer les forces qui s'exercent entre la main et la poignée d'un outil portatif motorisé.

L'étude s'est déroulée en trois phases séquentielles. La première phase consistait à développer un système de mesure à partir de capteurs résistifs en pellicule mince et flexible à faible coût (FlexiForce®) et à étudier les propriétés des capteurs au moyen de mesures systématiques en laboratoire. Les capteurs pouvaient être taillés de manière à être adaptés à différentes poignées d'outils. Les propriétés des capteurs appliqués sur des surfaces planes et courbes ont été étudiées en termes d'hystérésis, de linéarité et de répétabilité. Des mesures répétées ont révélé que les capteurs présentaient une hystérésis négligeable et une très bonne linéarité avec la force appliquée. Par contre, elles ont aussi révélé une forte dépendance à la zone de chargement, à la position de la charge sur le capteur, à la longueur du capteur et à la flexibilité du support de chargement (élastomère). En outre, d'importants écarts ont été observés entre les signaux de sortie de différents capteurs, et les signaux de sortie de tous les capteurs faiblissaient avec le temps et l'usage. Des mesures subséquentes effectuées avec cinq poignées cylindriques et elliptiques instrumentées ont par ailleurs révélé une très bonne linéarité des capteurs, mais une forte dépendance à la taille de la main et à la taille de la poignée. Les auteurs en ont conclu que les capteurs pouvaient fournir une estimation raisonnable des forces exercées par la main pourvu que chaque capteur soit étalonné en fonction de la taille de la main et de la poignée.

L'emplacement optimal de chaque capteur d'une largeur de 40 mm à la surface de la poignée a été déterminé en mesurant la position des mains sur des poignées de différentes tailles, de même qu'en fonction des valeurs de distribution des forces de couplage à l'interface main-poignée issues d'une étude antérieure portant sur différentes tailles de poignées cylindriques. Les auteurs ont conclu que deux capteurs symétriquement opposés de part et d'autre de la poignée, dans l'axe de l'avant-bras, pouvaient fournir une très bonne estimation des forces de contact du côté paume et du côté doigts. Les forces de poussée et de préhension de la main ont ensuite été calculées à partir des forces mesurées au niveau de la paume et des doigts. La validité du système de mesure à faible coût a été évaluée au moyen de mesures répétées avec 7 sujets et 5 poignées différentes, soit trois cylindriques (32, 38 et 43 mm de diamètre) et deux elliptiques (32 mm x 38 mm et 38 mm x 44 mm). Une application LabView a été développée pour enregistrer les valeurs de force fournies par les capteurs FlexiForce® de paume et de doigts ainsi que les forces de préhension et de poussée de référence des poignées instrumentées, les valeurs ainsi obtenues étant affichées à la vue des sujets. Aux fins des essais, chaque sujet saisissait la poignée instrumentée selon 12 combinaisons de forces de préhension (10, 30 et 50 N) et de poussée (25, 50 et 75 N). Les mesures ont en outre été reprises sous deux niveaux de vibration à large bande dans la plage de fréquences de 4 à 1000 Hz (accélération efficace pondérée en fréquence de 1,5 et 3 m/s2). Les résultats ont révélé que les capteurs présentaient une bonne linéarité et une bonne répétabilité avec tous les sujets et toutes les poignées dans les conditions aussi bien statiques que vibratoires, si ce n'est que les signaux de sortie des capteurs différaient pour chaque poignée et chaque sujet, ce qui confirmait que les capteurs devaient être étalonnés en fonction de chaque sujet et de chaque poignée.

La deuxième phase de l'étude consistait à évaluer la capacité des capteurs à mesurer la réponse biodynamique du système main-bras. À cette fin, 6 sujets ont été appelés à saisir la poignée instrumentée de 38 mm selon 9 combinaisons de forces de préhension et de poussée, et deux niveaux de vibration à large bande. La poignée a en outre été équipée de deux capteurs FlexiForce® afin de mesurer les forces dynamiques aux interfaces paume-poignée et doigts-poignée. Les données obtenues au niveau de la poignée instrumentée ont été analysées de manière à établir les réponses en impédance mécanique au point d'application du côté paume et du côté doigts en guise de valeurs de référence. Les réponses en impédance au point d'application ont par ailleurs été mesurées à partir des capteurs FlexiForce® de la paume et des doigts, et comparées aux valeurs de référence afin d'évaluer la faisabilité du système de mesure. Les comparaisons ont révélé des tendances très similaires, bien que l'amplitude des réponses en impédance au niveau des capteurs FlexiForce® ait été nettement plus faible dans toute la plage de fréquences, sauf aux très basses fréquences. Ce résultat a été attribué à la faible réponse en fréquence du système de mesure FlexiForce®. Les caractéristiques de la réponse en fréquence des capteurs ont ensuite été déterminées à partir des réponses mesurées, et il en est ressorti une forte dépendance aux forces de couplage à l'interface main-poignée, à la taille de la poignée et au niveau de vibration. L'application d'une fonction de compensation fondée sur les caractéristiques des réponses en fréquence mesurées a permis d'obtenir des réponses en impédance des capteurs FlexiForce® comparables aux valeurs de référence, et ce, pour toutes les conditions expérimentales retenues dans cette étude. Les auteurs en ont conclu que le système de mesure à faible coût proposé pouvait être utilisé pour mesurer les réponses biodynamiques et les forces exercées par la main avec de réelles poignées d'outils sur le terrain. La détermination de la fonction de réponse en fréquence des capteurs serait toutefois passablement difficile compte tenu de sa dépendance non linéaire à la taille de la main, aux forces exercées par la main et à la taille de la poignée. Par ailleurs, le système proposé évite d'avoir à soumettre les réponses biodynamiques mesurées à une correction inertielle, une source d'erreur connue dans le cas des réponses biodynamiques du système main-bras chez les humains exposés à des vibrations de poignée d'outil.

Enfin, la troisième phase de l'étude consistait à évaluer la validité du système de mesure lorsque la main saisit une poignée d'outil stationnaire ou vibrant selon différentes combinaisons de forces de poussée et de préhension. Les essais ont été effectués en laboratoire avec un marteau burineur opéré dans un dissipateur d'énergie. Deux capteurs FlexiForce® ont été fixés à la poignée principale de l'outil afin de mesurer les forces du côté paume et du côté doigts. Une méthodologie a de plus été élaborée pour étalonner les deux capteurs. La validité du système de mesure a été évaluée avec trois sujets saisissant une poignée d'outil stationnaire ou vibrant selon différentes combinaisons de forces de poussée et de préhension. Les mesures obtenues ont révélé une très bonne corrélation entre les forces exercées par la main estimées au moyen des capteurs FlexiForce® et les valeurs de référence, et ce, avec l'outil stationnaire comme avec l'outil vibrant. Le rapport à la force de couplage de la force exercée par la paume selon le système de mesure FlexiForce® variait entre 0,96 et 1,05 lorsque les sujets saisissaient la poignée de l’outil vibrant. Dans le cas de la poignée de l’outil stationnaire, ce rapport variait entre 0,96 et 1,06.

Abstract

The assessment of hand-transmitted vibration exposure and of potential injuries to the hand-arm system when using hand-held power tools is currently based on the ISO 5349-1 guidelines. The recommended guidelines, however, do not account for the effects of the coupling forces exerted at the hand-handle interface, although many studies have shown the importance of these forces in the transmission of vibration to the hand-arm system. This is partly attributed to the lack of practical methods for mesuring hand-tool interface forces in field applications and in-part to the lack of sufficient data relating injury risks to the applied forces. This study explored a low-cost system for measuring hand-handle interface forces and its feasibility when applied to a hand-held power tool handle.

The study was conducted in three sequential phases. In the first phase, a measurement system based upon low-cost thin-film and flexible resistive sensors (FlexiForce®) was developed and the properties of the sensors were explored through systematic laboratory measurements. The sensors could also be trimmed to be adapted to different handles. The properties included the hysteresis, linearity and repeatability of the sensor applied to flat as well as curved surfaces. From repeated measurements, it was observed that the sensors exhibit negligible hysteresis and very good linearity with the applied force. The measurements, however, revealed strong dependence on the loading area, position of the load on the sensor, length of the sensor and flexibility of the loading media (elastomer). Furthermore, considerable differences were observed in the outputs of different sensors, and the sensors showed degradation of the output signal with time and usage. Subsequent measurements performed with 5 different instrumented cylindrical and elliptical handles also showed very good linearity of the sensors but strong dependence on the hand size and the handle size. It was concluded that the sensors could provide reasonably good estimates of the hand forces provided that each sensor was calibrated for the specific handle and hand size.

Optimal locations of the 40 mm wide sensors on the handle surface were determined through the measurement of hand positions on different handle sizes, and from the hand-handle interface force distributions acquired in an earlier study for different sizes of cylindrical handles. It was concluded that two sensors located symmetrically on opposite sides of the handle, in the forearm axis, could provide very good estimates of the palm- and finger-side contact forces. The hand grip and push forces were subsequently derived from the measured palm and finger forces. The validity of the low-cost measurement system was investigated through repeated measurements with 7 subjects and 5 different handles, including three cylindrical handles (32, 38 and 43 mm diameter) and two elliptical handles (32 mm x 38 mm and 38 mm x 44 mm). A LabView program was developed to acquire the FlexiForce® palm and grip forces, and reference grip and push forces from the instrumented handles, which were displayed to the subject. The experiments were conducted with each subject grasping the stationary instrumented handle with 12 different combinations of hand grip (10, 30 and 50 N) and push (25, 50 and 75 N) forces. The measurements were also repeated under two different levels of broad band vibration in the 4 to 1000 Hz frequency range (frequency-weighted rms acceleration of 1.5 and 3 m/s2). The results showed good linearity and repeatability of the sensors for all the subjects and handles under static as well vibration conditions, but the sensor outputs differed for each handle and subject. This further confirmed the need for calibrating the sensors for each subject and handle.

In the second phase, the feasibility of the sensors for the measurement of the biodynamic response of the hand-arm system was explored. The study was conducted with 6 subjects grasping the 38 mm instrumented handle with nine different combinations of grip and push forces, and two levels of broadband vibration. The handle was also equipped with two FlexiForce® sensors for the measurements of the palm-handle and finger-handle interface dynamic forces. The data acquired from the instrumented handle were analyzed to determine the palm- and finger-side driving point mechanical impedance responses, which served as the reference values. The driving-point palm- and finger-impedance responses were also obtained from the FlexiForce® sensors and compared with the reference values to evaluate the feasibility of the measurement system. The comparisons revealed very similar trends, while the impedance magnitude responses of the FlexiForce® sensors were substantially lower in the entire frequency range, except at very low frequencies. This was attributed to poor frequency response of the FlexiForce® measurement system. The frequency response characteristics of the sensors were subsequently obtained from the measured responses, which revealed strong dependence on the hand-handle interface forces, handle size and vibration level. The application of a compensation function based upon the measured frequency response characteristics resulted in impedance responses of the FlexiForce® sensors comparable to the reference values for all the experimental conditions considered in the study. It was concluded that the proposed low-cost measurement system could be applied for measurements of the biodynamic responses and hand forces on real tool handles in the field. The determination of the frequency response functions of the sensors, however, would be quite challenging considering its nonlinear dependence on the hand size, hand forces and handle size. Furthermore, the proposed system eliminates the need for inertial compensation of the measured biodynamic responses, which is known to be a source of error in the reported biodynamic responses of the human hand-arm system exposed to handle vibration.

Finally, in the third phase, the validity of the measurement system was examined with hand grasping a static as well as a vibrating tool handle under different combinations of hand grip and push forces. The experiments were conducted with a chisel hammer operating in an energy dissipator in the laboratory. Two FlexiForce® sensors were applied to the primary handle of the tool to measure the palm- and finger-side forces. A methodology was developed to calibrate both sensors. The validity of the measurement system was evaluated with three subjects grasping the static as well as the vibrating tool handle under different combinations of hand grip, push and coupling forces. Measurements revealed very good correlations between the hand forces estimated from the FlexiForce® sensors and reference values for the static as well as for the vibrating tool. The ratio of the palm force obtained from the FlexiForce® measurement system to the coupling force ranged from 0.96 to 1.05, when the subjects grasped the vibrating tool handle. This ratio varied from 0.96 to 1.06 for the stationary tool handle.

ISBN

9782896318728

Mots-clés

Mesure des vibrations, Vibration measurement, Force de préhension, Grip strength, Force de poussée, Pushing strength, Instrument de mesure, Measuring instrument, Outillage mécanique portatif, Power-driven hand tool, Main, Hand, Étalonnage, Calibration, Québec, Capteurs Flexiforce

Numéro de projet IRSST

0099-6570

Numéro de publication IRSST

R-920

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