Analyse der Schwingungseigenschaften des menschlichen Hand-Arm-Systems in translatorischer Richtung und deren Abbildung in einem einstellbaren Hand-Arm-Modell = Analysis of the Vibration Characteristics of the Human Hand-Arm System in Translational Direction and their Modeling in an Adjustable Physical Hand-Arm Model

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mechanisches einstellbares Hand-Arm-Modell für
eine Auslenkung in translatorischer Richtung entwickelt und verifiziert. Das Modell dient
dazu, den Menschen in einer Mensch-Maschine-Interaktion im Kontext seiner Schwingungseigenschaften
des Hand-Arm-Systems mechanisch wirkungsäquivalent abzubilden.
Die zentrale Herausforderung besteht darin, dass die Schwingungseigenschaften
des menschlichen Hand-Arm-Systems von vielen Faktoren beeinflusst werden und somit
deutlich streuen. Ziel war es, ein einstellbares Hand-Arm-Modell zu entwickeln, das den
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relevanten Streubereich der Schwingungseigenschaften des menschlichen Hand-Arm-
Systems einstellbar abbildet. Durch das Hand-Arm-Modell soll es möglich sein, den eingestellten
Einfluss des Menschen reproduzierbar abzubilden.
Aufbauend auf dem Stand der Forschung werden in dieser Arbeit die Schwingungseigenschaften
des menschlichen Hand-Arm-Systems in Form der mechanischen Impedanz
analysiert. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der Erforschung der mechanischen Impedanz
für anwendungsrelevante Greif- und Andruckkräfte sowie zwei Armhaltungen des
menschlichen Hand-Arm-Systems. Die Ergebnisse zeigen, dass der Stand der Forschung
zur mechanischen Impedanz nicht ausreicht, um den Menschen für anwendungsnahe
Greif- und Andruckkräfte schwingungstechnisch zu beschreiben. Ausgehend von
einer Darstellung der mechanischen Impedanz wurde daher ein einstellbares Hand-Arm-
Modell auf Basis einstellbarer Impedanzelemente entwickelt. Einstellbare Impedanzelemente
sind Mechanismen mit getrennt einstellbarer Steifigkeit und Dämpfung.
Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Hand-Arm-Modell, bestehend aus vier zentralen Komponenten.
Mithilfe eines einstellbaren Steifigkeitselementes auf Basis nichtlinearer Konusfedern
und eines adaptierten einstellbaren Rotationsdämpfers wurde die grundlegende
Dynamik des menschlichen Hand-Arm-Systems nachgebildet. Eine einstellbare
Griffaufnahme, die als Schnittstelle zur Maschine dient, ermöglicht es, die Dynamik der
Hand abzubilden. Durch einen erstmals in ein Hand-Arm-Modell integrierten Konstantkraftmechanismus
auf Basis bistabiler Blattfedern können statische Kräfte aufgenommen
werden, ohne dabei die dynamische Auslegung des Hand-Arm-Modells grundlegend zu
beeinflussen. Das entwickelte Hand-Arm-Modell kann somit statische Kräfte bis 180 N
abstützen und den Menschen bis zu Anregungsfrequenzen von 200 Hz in seiner mechanischen
Impedanz abbilden.

In this thesis, a mechanical adjustable hand-arm model for a displacement in translational
direction was developed and verified. The model is used to represent the human in a
human-machine interaction with respect to its vibration characteristics of the hand-arm
system in an effect-equivalent way. The main challenge is that the vibration characteristics
of the human hand-arm system is influenced by many factors and therefore scatters
greatly. The aim of this work was to develop an adjustable hand-arm model which can
represent the scatter range of the human hand-arm vibration characteristics. ... mehrThe handarm
model is supposed to make it possible to reproduce the adjusted influence of the
human being in a reproducible way.
Based on the current state of research, the vibration characteristics of the human handarm
system are analyzed in the form of the mechanical impedance in this thesis. The
focus of the investigation is on the determination of the mechanical impedance for application-
relevant gripping and push forces as well as two arm postures of the human handarm
system. The results show that the on the current state of research on mechanical
impedance is not sufficient to describe humans in terms of vibration for application-relevant
gripping and push forces. Therefore, using the mechanical impedance, an adjustable
hand-arm model was developed based on adjustable impedance elements. Adjustable
impedance elements are mechanisms with separately adjustable stiffness and damping.
The result of this work is a hand-arm model consisting of four central components. An
adjustable stiffness element based on nonlinear conical springs and an adapted adjustable
rotational damper were used to reproduce the basic dynamics of the human handarm
system. An adjustable grip mount, which serves as an interface to the machine,
makes it possible to reproduce the dynamics of the hand. A constant force mechanism
based on bistable leaf springs, integrated into a hand-arm model for the first time, allows
static forces to be absorbed without fundamentally affecting the dynamic design of the
hand-arm model. The developed hand-arm model can thus support static forces of up to
180 N and represent the mechanical impedance of humans up to excitation frequencies
of 200 Hz.