Étude en laboratoire d’un système à faible coût permettant de mesurer les forces de couplage à l’interface main-poignée d’outils portatifs vibrants

Click here for the English version of this report 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 tim

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