Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2022
Langue
Français
Résumé
L'efficacité des gants antivibrations pour réduire les vibrations transmises à la main est actuellement évaluée en laboratoire selon la méthodologie décrite dans la norme ISO 10819:2013. Cette norme évalue la transmission des vibrations à la paume de la main, mais ne tient pas compte de la transmission des vibrations aux doigts ni de l’effet du port de ces gants sur la dextérité manuelle et l’effort de préhension. Cette étude visait à développer une méthodologie afin d’améliorer l’évaluation de la transmission des vibrations par les gants antivibrations à la paume et aux doigts, tout en tenant compte de l’effet de ces gants sur la force de préhension et sur la dextérité manuelle. Pour ce faire, 10 types de gants provenant de différents fabricants ont été sélectionnés et leurs propriétés mécaniques ont été caractérisées. Les gants sélectionnés comprenaient cinq gants avec des matériaux viscoélastiques (Gel1,…, Gel5), deux gants avec des pochettes d'air (Air1 et Air2), un gant hybride, avec des pochettes d'air au niveau de la paume et un matériau viscoélastique au niveau des doigts (Hybride), un gant en caoutchouc (Caoutchouc) et un gant en tissu (Tissu).
Afin d’évaluer l’influence du port de gants antivibrations sur la force de contact s’exerçant à la surface de la main, un capteur de distribution de pression a été développé pour mesurer la force de contact à l'interface main-poignée ainsi qu’à l'interface main-gant. Par la suite, des essais avec cinq sujets appliquant neuf combinaisons de forces de préhension et de poussée sur une poignée cylindrique ont été réalisés avec le capteur fixé à la surface de la main pour mesurer la force de contact sous trois conditions différentes : main nue (MN), matériau viscoélastique enveloppant la poignée (MV) et main gantée avec un gant antivibrations (MG). Lors d’une comparaison entre ces différentes conditions, la contribution des forces de préhension et de poussée sur la force de contact était respectivement de 11 % et 22 % plus élevée pour la condition MV par rapport à la condition MN. Pour la condition MG, la contribution de ces mêmes forces était respectivement de 20 % et 32 % plus élevée par rapport à la condition MN. Ces contributions plus élevées ont été attribuées au fait que le sujet devait déformer plus de matériaux (matériau viscoélastique et enveloppe externe du gant pour la condition MG), et ce, avec une amplitude plus importante (flexion du gant nécessaire pour la condition MG afin de saisir la poignée cylindrique).
La transmissibilité des vibrations à la paume de la main des 10 gants sélectionnés a ensuite été évaluée à l’aide de 15 sujets selon les dispositions de la norme ISO 10819, ainsi qu’à l’index et au majeur. Cinq gants ont satisfait les critères d’atténuation des vibrations de la norme ISO 10819; il s’agit des gants Air1, Air2, Gel2, Gel5 et Hybride. Pour ces cinq gants, l’atténuation des vibrations à la paume se manifestait au-dessus de 30 Hz. Pour les doigts, ces mêmes gants atténuaient les vibrations transmises à l’index et au majeur à partir d’environ 200 Hz.
Par la suite, la dextérité manuelle moyenne et grossière offerte par les gants a été évaluée selon deux tests de dextérité (ASTM F2010 et « Two Hands Turning and Placing Minnesota »), pour 11 conditions (10 gants sélectionnés et main nue) et avec 15 sujets. Par rapport à la main nue, le port d’un gant a augmenté les temps d’exécution de 14 à 73 % pour le test ASTM et de 16 à 70 % pour le test Minnesota, selon le type de gant. Les résultats ont montré également des temps d’exécution généralement plus élevés avec le test Minnesota par rapport au test ASTM. Le test Minnesota a aussi présenté une variabilité plus élevée, en plus de présenter une sensibilité moins élevée pour discriminer entre les 10 gants de l’étude (42 % versus 51 % pour le test ASTM). Par ailleurs, parmi les cinq gants satisfaisant les critères d’atténuation des vibrations de la norme ISO 10819, deux groupes distincts ont été observés pour le test ASTM. Il s’agit du gant Air1 pour le groupe offrant la moins bonne dextérité et des gants Gel2, Gel5, Air2 et Hybride pour le groupe offrant la meilleure dextérité. Pour le test Minnesota, on note également l’existence de deux groupes distincts, constitués du gant Air1 pour le groupe offrant la moins bonne dextérité et des gants Gel2 et Air2 pour le groupe offrant la meilleure dextérité. Les gants Gel5 et Hybride constituaient un groupe intermédiaire, chevauchant les deux groupes distincts.
Afin d’établir une méthodologie visant à évaluer l’effet du port de gants antivibrations sur la force de préhension, l'activation musculaire a été mesurée par électromyographie de surface pour quatre muscles de l'avant-bras, à savoir le grand palmaire (GP), le fléchisseur commun des doigts (FCD), le premier radial (PR) et l'extenseur commun des doigts (ECD). Ces mesures ont été effectuées pour 11 conditions de gant (main nue et les 10 gants sélectionnés) avec 15 sujets exerçant des forces de préhension de 25 et 50 N sur une poignée cylindrique de 40 mm de diamètre. Les valeurs efficaces moyennes (RMS) obtenues pour chaque muscle pour un gant et une force de préhension donnés ont été normalisées par rapport à celles obtenues pour la condition main nue sous la même force de préhension. La stratégie de mesure la plus sensible (préhension de 50 N – combinaison des muscles PR et GP) a permis d’identifier trois sous-groupes de gants qui s’avéraient être équivalents en matière d’exigence, comme mesurée avec l’activation musculaire. Le premier sous-groupe était constitué des gants Tissu (valeur efficace moyenne à 122 % de celle de la main nue) et Caoutchouc (134 %), soient les moins exigeants de tous les gants. Le deuxième sous-groupe était formé des gants Gel1, Gel2, Gel3, Gel4, Air2 et Hybride qui ont généré une activation musculaire variant entre 143 et 151 % de la main nue. Finalement, le troisième sous-groupe était constitué des gants Gel5 (157 %) et Air1 (173 %), soient les plus exigeants. Parmi les cinq gants qui satisfaisaient les critères d’atténuation des vibrations de la norme ISO 10819 (Gel2, Gel5, Air1, Air2 et Hybride), les gants Gel2, Air2 et Hybride étaient ceux qui étaient les moins exigeants.
Des corrélations significatives entre l’épaisseur du gant et la majorité des mesures de transmissibilité ont suggéré une meilleure atténuation des vibrations pour une épaisseur plus élevée du gant (donc plus faible rigidité en compression). Cette association a été confirmée par des corrélations positives entre certaines transmissibilités et la rigidité du matériau antivibrations, où une plus faible rigidité était associée à une plus faible transmissibilité des vibrations, en diminuant la fréquence de résonance du système main-gant. Par ailleurs, l’épaisseur du gant ainsi que l’utilisation de matériaux rigides pour la couverture et le dos des gants ont entraîné une augmentation des efforts de préhension en augmentant, entre autres, la rigidité en flexion du gant. Cette rigidité contribue également à augmenter les temps d’exécution des tests de dextérité manuelle ASTM et Minnesota.
Abstract
The effectiveness of antivibration gloves in reducing vibrations transmitted to the hand is currently being evaluated in the laboratory, using the methodology described in ISO 10819:2013. That standard evaluates the transmission of vibrations to the palm of the hand, but does not take into account vibration transmission to the fingers, or how wearing these gloves affects manual dexterity and grip effort. This study aimed to develop a methodology to improve the evaluation of vibration transmission by antivibration gloves to the palm and fingers, factoring in the effects of these gloves on grip strength and manual dexterity. To this end, ten types of gloves from different manufacturers were selected and their mechanical properties were characterized. The gloves selected included five gloves with viscoelastic material (Gel1to Gel5), two gloves with air bladders (Air1 and Air2), one hybrid glove with air bladders in the palm and viscoelastic material in the fingers (Hybrid), one rubber glove (Rubber) and one fabric glove (Fabric).
To assess the influence of antivibration gloves on the contact force exerted on the surface of the hand, a pressure distribution sensor was developed to measure contact force at the hand-handle interface as well as at the hand-glove interface. Next, tests with five subjects applying nine combinations of grip and push forces on a cylindrical handle were performed with the sensor attached to the surface of the hand to measure the contact force under three different conditions: bare hand (BH), viscoelastic material wrapping the handle (VM) and hand wearing an antivibration glove (GH). When comparing these different conditions, the contribution of grip and push forces on the contact force was, respectively, 11% and 22% higher for the VM condition compared to the BH condition. For the GH condition, the contribution of the same forces was 20% and 32% higher, respectively, compared to the BH condition. The higher contributions were ascribed to the fact that the subject had to bend more materials (viscoelastic material and outer glove shell for the GH condition) using a greater range of motion (for the GH condition, the amount of glove flexion required to grip the cylindrical handle).
With the help of 15 subjects, the transmissibility of vibrations to the palm of the hand for the ten gloves selected was then evaluated according to the provisions in ISO 10819. Vibration transmissibility to the index and middle fingers was also evaluated. Five gloves met the ISO 10819 vibration attenuation criteria: the Air1, Air2, Gel2, Gel5 and Hybrid gloves. For these five gloves, vibration to the palm was attenuated above 30 Hz. The same gloves attenuated vibrations transmitted to the index and middle finger starting at approximately 200 Hz.
Afterward, the medium and gross manual dexterity provided by the gloves was evaluated using two dexterity tests (ASTM F2010 and the Minnesota “Two-Hand Turning and Placing” manual dexterity test), for 11 conditions (the ten gloves selected and bare hand) and 15 subjects. Compared to the bare hand, for the ASTM test, wearing a glove increased completion time by 14% to 73% and for the Minnesota test, by 16% to 70%, depending on the type of glove. The results also showed that, in general, it took longer to complete the Minnesota test than the ASTM test. There was also greater variability with the Minnesota test, in addition to less sensitivity in differenciating between the ten gloves in the study (42% versus 51% for the ASTM test). Furthermore, among the five gloves that met the vibration attenuation criteria of the ISO 10819 standard, two distinct groups could be identified by the ASTM test: the Air1 glove demonstrated the poorest dexterity performance and the Gel2, Gel5, Air2 and Hybrid gloves demonstrated the best dexterity performance. In the Minnesota test, there were also two distinct groups, constituted by the Air1 glove, with the poorest dexterity performance, and the Gel2 and Air2 gloves with the best dexterity performance. The Gel5 and Hybrid gloves constituted an intermediary group overlapping the other two.
To establish a method to evaluate the effect of antivibration gloves on grip strength, muscle activation was measured using surface electromyography for four muscles in the forearm: the palmaris longus (PL), the flexor digitorum superficialis (FDS), the extensor carpi radialis longus (ECRL) and the extensor digitorum communis (EDC). These measurements were performed for 11 glove conditions (bare hand and the ten gloves selected) with 15 subjects exerting grip forces of 25 and 50 N on a 40-mm diameter cylindrical handle. The root mean square (RMS) values obtained for each muscle for a given glove and grip force were standardized with those obtained by the bare hand condition using the same grip force. The most sensitive measurement strategy (50 N grip: combination of the ECRL and PL muscles) made it possible to identify three glove subgroups that appeared to be equivalent in terms of effort, as measured through muscle activation. The first subgroup consisted of the fabric gloves (RMS value at 122% of that of the bare hand) and rubber gloves (134%), which required the least effort of all the gloves. The second subgroup was made up of Gel1, Gel2, Gel3, Gel4, Air2 and Hybrid gloves, which generated muscle activation ranging from 143% and 151% of that of the bare hand. Finally, the third subgroup was made up of the Gel5 (157%) and Air1 (173%) gloves, which required the most effort. Of the five gloves that met the vibration attenuation criteria of ISO 10819 (Gel2, Gel5, Air1, Air2 and Hybrid), the Gel2, Air2 and Hybrid gloves required the least effort.
Significant correlations between glove thickness and most of the transmissibility measurements suggested that the thicker the glove, the better the attenuation of vibration (thus less stiffness under compression). This association was confirmed by positive correlations between certain transmissibilities and the stiffness of the antivibration material, where less stiffness was associated with lower vibration transmissibility, through a decrease in the resonant frequency of the hand-glove system. The thickness of the glove and the use of stiff materials for the glove shell resulted in intensifying grip effort by increasing, among other things, the stiffness of the glove during flexion. This stiffness also contributed to lengthening the time it took to complete the ASTM and Minnesota manual dexterity tests.
ISBN
9782897972202
Mots-clés
Gant antivibratile, Vibration protective glove, Force de préhension, Grip strength, Dextérité manuelle, Manual dexterity, Lutte contre les vibrations, Vibration control, Électromyographie, Electromyography, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Détermination expérimentale, Experimental determination, Amortissement des vibrations, Vibration damping, Main, Hand
Numéro de projet IRSST
2013-0020
Numéro de publication IRSST
R-1147-fr
Citation recommandée
Marcotte, P., Rakheja, S., Larivière, C., Yao, Y., Gauvin, C., Hamouda, K. et Mecheri, H. (2022). Développement d’une méthodologie pour évaluer la performance des gants à isoler des vibrations en tenant compte de la dextérité ainsi que de la force de préhension (Rapport n° R-1147-fr). IRSST.