Investigation of the rotational vibration response of human hand-arm systems in the context of user-centered product development = Untersuchung des rotatorischen Schwingungsverhaltens des menschlichen Hand-Arm-Systems im Kontext der nutzerzentrierten Produktentwicklung

In der vorliegenden Arbeit wird die Biodynamik des menschlichen Hand-Arm-Systems bei rotatorischer Schwingungsanregung untersucht. Für translatorische Schwingungsanregungen kann die Biodynamik des menschlichen Hand-Arm-Systems im Stand der Forschung als umfassend untersucht angesehen werden, jedoch fehlt es an Wissen zur Biodynamik bei rotatorischer Anregung. In der Arbeit wird daher die rotatorische, mechanische Impedanz des Hand-Arm-Systems und der Einfluss von Greif- und Andruckkraft sowie Körperhaltung auf diese in mehreren Probandenstudien untersucht. Die Untersuchungen der Arbeit erfolgen im Kontext der Power-Tool-Entwicklung und bilden die Grundlage zur Modellierung schwingungstechnischer Hand-Arm-Ersatzmodellen, die eine höhere Anzahl reproduzierbarer Testzyklen ermöglichen als manuelle Tests. ... mehrDie Arbeit umfasst dabei drei vorveröffentlichte Probandenstudien, die entsprechend zitiert werden. Die erste Studie behandelt die datengetriebene Konstruktion eines knaufförmigen Messgriffs zur Greifkraftmessung. Die zweite Studie untersucht die Impedanz des Hand-Arm-Systems mit Hilfe des entwickelten Messgriffs. Die Studienergebnisse zeigen, dass bei der Anregung durch einen knaufförmigen Griff das Hand-Arm-System ein Feder-Dämpfer-Verhalten aufweist und die Impedanz von der Greifkraft, aber nicht von der Andruckkraft beeinflusst wird. Die dritte Studie der Arbeit untersucht die rotatorische Impedanz des Hand-Arm-Systems beim Greifen eines zylindrischen Messgriffs, der um seine Längsachse rotatorisch schwingt. Die Ergebnisse der dritten Studie zeigen, dass auch für diese Anregung das Hand-Arm-System ein Feder-Dämpfer-Verhalten aufweist. Die Impedanz wird hierbei ebenfalls von der Greifkraft beeinflusst und ist von der Andruckkraft und der Körperhaltung unabhängig. Aus den Ergebnissen der zweiten und dritten Studie wird der schwingungsdämpfende Effekt von primär reibschlüssigen Hand-Griff-Kontakten abgeleitet, der durch die höheren Normalkräfte im Hand-Griff-Kontakt bei stärkerer Greifkraft verringert wird. Der fehlende Einfluss der Andruckkraft auf die Impedanz ergibt sich dabei aus der parallelen Ausrichtung der Andruckkraftrichtung zur rotatorischen Anregungsachse. Die Ergebnisse der Arbeit erweitern im Stand der Forschung das Wissen zur rotatorischen Impedanz des Hand-Arm-Systems, die abgeleiteten Erkenntnisse zur Vibrationsdämpfung von reibschlüssigen Hand-Griff-Kontakten sind in der Power-Tool-Entwicklung als Grundlage vibrationsdämpfender Griffdesigns verwendbar. Die in der Arbeit entwickelte Methode zur datengetriebenen Konstruktion des knaufförmigen Messgriffs ist auf andere Griff-Geometrien übertragbar und kann ebenfalls für die Griffentwicklung genutzt werden. Der in diesem Zusammenhang entwickelte knaufförmige Messgriff, erweitert die Hand-Arm-Vibrationsforschung um ein zusätzliches Messmittel, in dem er die Greifkraftmessungen bei Vibrationsanregung in einer aufliegenden, umschließenden Handhaltung ermöglicht.

The present study investigates the biodynamics of the human hand-arm system during rotational vibration excitation. For translational vibration excitation, the biodynamics of the human hand-arm system can be regarded as widely investigated in the state of research, but there is a lack of knowledge about the biodynamics of rotational excitation. This thesis therefore conducts subject studies to investigate rotational mechanical impedance of the hand-arm system and the influences of gripping force, push force, and body posture. Obtained data can be used in research and power tool development for modeling simulative or physical, vibration-related hand-arm models, which allow for more reproducible test cycles than manual tests. ... mehrThe investigations of the thesis are carried out in the context of power tool development. The thesis comprises three pre-published subject studies, which are cited. The first study is concerned with the data-driven design of a knob-shaped measuring handle for gripping force measurement.
This measuring handle is used in the second study to investigate the impedance of the hand-arm system. Results of this study show that when excited by a knob-shaped handle, the hand-arm system indicates a spring-damper dynamic and its impedance is influenced by the gripping force while influences by the push force are negligible. The third study of the thesis investigates the rotational impedance of the hand-arm system when gripping a cylindrical measuring handle that vibrates rotationally around its lateral axis. This study’s results demonstrate that this kind of excitation also leads to a spring-damper dynamic in the hand-arm system. Under these circumstances impedance is influenced by the gripping force and is independent of the push force and body posture. From the results of the second and third study, the vibration damping effect of primarily frictional hand-handles contacts is derived. Higher normal forces in hand-handle contacts with stronger gripping force reduce this effect.
The missing influence of the push force on the impedance is a result of the parallel alignment of the rotational excitation axis and the direction of the push force. This work broadens the knowledge about rotational impedance of the hand-arm system in the state of research. Newly derived insights concerning vibration damping of frictional hand-handle contacts can be used in power tool development as a basis for vibration damping handle designs. The method used for the data-driven design of the knob-shaped measuring handle can be applied to other handle geometries and can also contribute to the development of ergonomic handle designs. The knob-shaped measuring handle developed in this context extends the research on hand-arm vibrations by providing an additional measuring device that allows gripping force measurements during vibration excitation in a mounted, enclosing hand position.