ISO 15230:2007
(Main)Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man—machine interface for hand-transmitted vibration
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man—machine interface for hand-transmitted vibration
ISO 15230:2007 describes the coupling parameters between the hands of a machine operator and a vibrating surface of the machine. The coupling between the hand and the vibrating surface can be described using different parameters and component parts of these parameters: force parameters, such as push, pull and grip; parameters such as pressure exerted on skin. In addition, informative annexes provide guidelines for measuring procedures, the measurement of the force and pressure parameters, and information on the requirements for measuring instrumentation, as well as a calibration method. ISO 15230:2007 does not deal with forces which act tangentially to the hand.
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l'interface homme-machine en cas de vibrations transmises par les mains
L'ISO 15230:2007 décrit les paramètres de couplage intervenant entre les mains d'un opérateur de machine et une surface vibrante de la machine. Le couplage entre la main et la surface vibrante peut être décrit à l'aide de différents paramètres et composantes de ces paramètres: les paramètres de force, tels que poussée, traction et préhension, et les paramètres tels que la pression exercée sur la peau. En outre, les annexes informatives fournissent des lignes directrices concernant les méthodes de mesure, le mesurage de la force et les paramètres de pression, des informations sur les exigences s'appliquant aux instruments de mesure, ainsi qu'une méthode d'étalonnage. L'ISO 15230:2007 ne traite pas des forces qui s'exercent tangentiellement à la main.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15230
First edition
2007-07-01
Mechanical vibration and shock —
Coupling forces at the man-machine
interface for hand-transmitted vibration
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l'interface
homme-machine en cas de vibrations transmises par les mains
Reference number
ISO 15230:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO 15230:2007(E)
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ISO 15230:2007(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Symbols and abbreviated terms . 1
2.1 Symbols . 1
2.2 Subscripts . 2
3 Parameters at man-machine interface. 2
3.1 Pressure exerted on skin . 2
3.2 Push/pull force . 3
3.3 Guiding force. 4
3.4 Lifting force . 5
3.5 Gripping force . 5
3.6 Feed force. 6
3.7 Contact forces. 6
3.8 Coupling force. 7
3.9 Torque and friction force . 8
Annex A (informative) Biodynamic effects on machine contact forces . 9
Annex B (informative) Calculation of gripping force and push/pull force from measurement of
pressure. 11
Annex C (informative) Measuring procedure and processing of measurement results. 14
Annex D (informative) Recommended parameters for measuring instrumentation . 18
Annex E (informative) Calibration and reference method. 22
Bibliography . 25
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ISO 15230:2007(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 15230 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 4, Human exposure to mechanical vibration and shock.
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ISO 15230:2007(E)
Introduction
The coupling forces between the hand-arm system and a hand-held or hand-guided machine during its use are
very important factors. Although these forces are of interest for both vibrating and non-vibrating machines, the
primary focus of this International Standard is to provide a set of descriptions of the forces at the man-machine
interface that are primarily for the hand-arm system in contact with a vibrating surface of a machine.
The coupling forces involved in the operation of a vibrating machine generally consist of two different
components. The first component is the force applied by the hand-arm system, which is used to provide
necessary control and guidance of the machine and to achieve desired productivity. This quasi-static force
(frequency below 5 Hz) is the focus of this International Standard. The second component is the biodynamic
force which results from the biodynamic response of the hand-arm system to a vibration.
Different couplings of the hand to a vibrating surface can affect the human body in two different ways.
⎯ The relationship between the measured handle vibration and the resultant transmission of vibration to the
hand-arm system might be altered. This alteration modifies the exposure and the vibration effect to the
hand-arm system.
⎯ The coupling can result in a synergistic effect with vibration exposure which affects anatomical structures,
such as the vascular system, nerves, joints, tendons.
Currently, many machine situations have been modelled by numerous basic physiological studies
investigating the effect of vibration on the human body, which use push force and gripping force to describe
the coupling force between the hand and the machine handle.
This International Standard can assist in the reporting of coupling data in epidemiological or laboratory research.
In the future, the measurements taken at the workplace for the determination and evaluation of mechanical
vibration affecting human beings could need to take into account the influence of the contact of the hand-arm
system in the vibrating surface. The measurements of relevant coupling forces and the vibration acceleration will
need to be taken simultaneously to account for the potential interactions.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15230:2007(E)
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at
the man-machine interface for hand-transmitted vibration
1 Scope
This International Standard describes the coupling parameters between the hands of a machine operator and a
vibrating surface of the machine.
The coupling between the hand and the vibrating surface can be described using different parameters and
component parts of these parameters:
⎯ force parameters, such as push, pull and grip;
⎯ parameters such as pressure exerted on skin.
In addition, informative annexes provide guidelines for measuring procedures, the measurement of the force and
pressure parameters, and information on the requirements for measuring instrumentation, as well as a
calibration method.
This International Standard does not deal with forces which act tangentially to the hand.
2 Symbols and abbreviated terms
2.1 Symbols
F force
i integer for summation
n total number of elements to be summed
p local pressure at surface element i
i
S surface
t time
T duration of operation
α hand-oriented angle of the dividing plane
β machine-oriented angle of the dividing plane
δ coefficient of the proportionality for the gripping force
γ coefficient of the proportionality for the push force
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ISO 15230:2007(E)
2.2 Subscripts
BD biodynamic force
c contact
coup coupling
f feed
g guiding
gr gripping
l lifting
m mean value
max maximum
n normal
pu push or pull
x, y, z Cartesian coordinates
3 Parameters at man-machine interface
3.1 Pressure exerted on skin
3.1.1 Area element of surface
The area element of the surface, S , is given using Equation (1):
i
GG
SS=⋅S (1)
ii n,i
G
with the unit vector, S , in the normal direction to the area element. (See Figure 1.)
n,i
Figure 1 — Direction of the area elements, S
i
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ISO 15230:2007(E)
3.1.2 Local pressure
The local pressure, p, exerted on an area element of the surface, S , of the hand skin is given as the ratio
i i
between the perpendicular component of the area element contact force, F (see 3.1.5), applied in the middle
c,i
of this area element and the area of this surface, as given by Equation (2):
F
c,i
p = (2)
i
S
i
When reporting local pressure values, the area element surface area should be reported.
NOTE Depending on the operator, hand location, tool and task, local pressure p usually ranges between zero and
i
2
0,8 N/mm . Values above this pressure range can be perceived as painful.
3.1.3 Mean pressure
The mean pressure, p , exerted on the surface of the hand in contact with the machine or a part of the machine
m
is calculated as average pressure using Equation (3):
n
p ⋅ S
∑ii
i=1
p = (3)
m
n
S
i
∑
i=1
3.1.4 Maximum local pressure
The maximum local pressure, p , is the highest pressure value measured on the hand surface in contact with
max
the machine, calculated using Equation (4):
p = max p (4)
{}
max i
3.1.5 Elemental contact force
The elemental contact force, F , is given by Equation (5):
c,i
F =⋅pS (5)
c,ii i
where
p is the pressure over the ith surface element;
i
S is the elemental surface area of the hand skin.
i
The direction of F is normal to the vibrating surface.
c,i
3.2 Push/pull force
The push force, F , is the force exerted by the operator away from his shoulder on the vibrating surface via
pu
each hand and not compensated within the coupling surface of the hand. The pull force, F , is the force exerted
pu
by the operator towards his shoulder via each hand. (See Figure 2.)
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a) Push force b) Pull force
Figure 2 — Example of push force, F , and pull force, F
pu pu
NOTE 1 In some cases, the operation involves both push and pull forces. The push and pull forces can act at different
positions on the hand. However, both forces are denoted by F .
pu
NOTE 2 Push force F can be a very significant force, such as the required pushing of a drill, and needs always to be
pu
considered.
3.3 Guiding force
The guiding force, F , is the force exerted by the operator on the vibrating surface via either hand in a
g
horizontal or nearly horizontal plane tangentially to the push and/or pull force and not compensated within the
coupling surface of the hand. This force is mostly necessary to hold or to move the machine, workpiece or
control lever. (See Figure 3.)
Figure 3 — Example of guiding force, F , with indication of push force, F
g pu
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NOTE F has the potential to be a low magnitude force when the surface is horizontal.
g
3.4 Lifting force
The lifting force, F , is the force which is necessary to counteract the machine weight. (See Figure 4.)
l
a) b) c)
Figure 4 — Example of lifting force, F , with indication of push force, F
l pu
NOTE In some cases, it is possible for lifting force, F , to equal push/pull force, F [see Figure 4 a)].
l pu
3.5 Gripping force
The gripping force, F , is half the sum of the force components acting towards an axis inside the handle without
gr
push, pull or lifting forces. Simplified, the gripping force is the clamp-like force exerted by the hand of the
operator when enclosing the handle. The force is compensated within the hand by a gripping force acting in
the opposite direction towards a dividing plane. (See Figure 5.)
a) Pressure field, p b) Clamp-like force
Key
α hand-oriented angle of the dividing plane
β machine-oriented angle of the dividing plane
NOTE The z axis is along the forearm.
Figure 5 — Example of gripping force, F , as clamp-like force
gr
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NOTE 1 When the operator is gripping a cylindrical handle, the direction of the main gripping force is generally parallel
to the z axis as defined in ISO 8727.
NOTE 2 Because the grip contact pressure is usually unevenly distributed around the handle, the magnitude of the
gripping force is generally a function of the reference axis or dividing plane. The orientation of the maximum or minimum
gripping force generally depends on handle dimensions, hand sizes and hand-grip posture. For simplicity’s sake, the
gripping force in the forearm-based z axis shown in Figure 5 b) is conventionally used in the measurement and/or control
of the gripping force in laboratory studies.
3.6 Feed force
The feed force, F , is the external force acting on the machine. (See Figure 6.)
f
Figure 6 — Example of feed force, F
f
NOTE In Figure 6, the feed force, F , is equal to the sum of the push force, F , F . Whereas, in Figure 2 a), the
f pu1 pu2
feed force, F , is equal to the push force, F .
f pu
3.7 Contact forces
In general, the contact forces, F , are those forces which act between the hand and the vibrating surface. They
c
are the elemental forces integrated over the contact area (see 3.1.5). These are vector forces which act both
perpendicularly and tangentially to the vibrating surface. The tangential force is not considered at this time
because of the difficulty of measurement. The contact force can represent the average values of pressures but
might not provide information on distributions resulting in moments that can balance external moments, which
can be described as torques around specific axes (see 3.9). The moments or torques can be calculated when
the pressure distribution is available.
This International Standard concentrates on the perpendicular component of these contact forces, F , which, for
c
many vibrating surfaces, are those which primarily effect the transmission of vibration into the hand (see
Figure 7).
The contact forces can be determined through integration of the measured pressure distribution between the
hand and the handle. Studies have shown that the total static contact forces can be related to the gripping and
push forces, F and F , through a linear relationship, Equation (6):
gr pu
F=+δγFF (6)
cgr pu
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ISO 15230:2007(E)
where δ and γ are proportionality coefficients and the gripping force F is that in the forearm-based z axis shown
gr
in Figure 5 b).
NOTE 1 For cylindrical handles with a diameter ranging between 30 mm and 50 mm, the coefficient δ has been
reported to be close to 3 and γ close to 1. The gripping force coefficient tends to be larger for smaller diameter handles.
NOTE 2 The above relationship can differ for handles with different geometry and size and when overlap of the fingers
on the thumb occurs.
Figure 7 — Example of contact forces, F
c
3.8 Coupling force
The compressive coupling force, F , is the sum of the gripping force and the push/pull force as given by
coup
Equation (7):
F =+FF (7)
coup gr pu
NOTE 1 The coupling force of the hand-arm system to the machine or control lever is given in a simplified manner in
this International Standard, in terms of two forces, the push/pull force and the gripping force, but would theoretically
include also the biodynamic forces as described in Annex A.
NOTE 2 A few studies have found that the acute effects of the gripping and push/pull forces under exposure to
vibration are not distinguishable. Hence, the two components are incorporated with equal weighting into the coupling force.
NOTE 3 The contact force is much more complex than the coupling force.
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ISO 15230:2007(E)
3.9 Torque and friction force
This International Standard does not deal with forces which act tangentially to the hand, such as surface forces
that produce a moment due to torque from a friction force. However, two examples are given for explanation of
these forces.
A moment or a torque such as that shown in Figure 8 a) and b) is not possible without a gripping force, a
push/pull force or a lifting force.
A friction force such as that shown in Figure 8 b) is not possible without a gripping force, a push/pull force or a
lifting force.
NOTE The current measurement systems for the distributed pressure are not able to provide this information.
a) b)
Key
1 moment
2 push or pull force
3 friction
4 torque
Figure 8 — Examples of torque and friction against the hand
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ISO 15230:2007(E)
Annex A
(informative)
Biodynamic effects on machine contact forces
A.1 Biodynamic forces
The biodynamic force, F , acting at the interface between the human hand-arm system and a vibrating
BD
machine or workpiece, results from the dynamic response of the system to vibration. Hence, its magnitude
depends primarily on the apparent mass of the system and the magnitude of the machine or workpiece
vibration.
A.2 Measurement and estimation methods
Technically speaking, biodynamic force F acting on the hand can be resolved in three orthogonal directions
BD
(x , y , and z ). It can be directly measured using instrumented handles or gloves, or flexible transducers
h h h
mounted on machine handles or the hand contact surface. It can also be measured together with the applied
forces and then separated using a high-pass filter (> 5 Hz). In an alternative approach, the magnitude of the
biodynamic force in each direction can be estimated using the apparent mass or mechanical impedance of the
system and the machine acceleration in the corresponding direction. As the first degree of approximation, the
biodynamic force can be estimated using either Equation (A.1) or (A.2), as appropriate:
(A.1)
FM()ωω≈⋅()a()ω
BD iJ i i
JJ
(A.2)
FZ()ω≈⋅()ωωa( )ω
BDii i i
JJJ
where
a is the root-mean-square (r.m.s.) value of the machine acceleration;
J is the hand coordinate;
M is the apparent mass;
Z is the point mechanical impedance;
ω is the angular frequency of the ith spectral component.
i
The r.m.s. value of the biodynamic force in each direction can thus be estimated using its corresponding
component at each frequency using Equation (A.3):
2
FF= ω (A.3)
()
BD,Ji∑ BD
J
i
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ISO 15230:2007(E)
A.3 Fundamental characteristics of biodynamic force
Because the apparent mass generally decreases with the increase in frequency, the biodynamic force is
generally much higher when working with a machine that generates dominant low-frequency vibration
(u 40 Hz) than those that produce high frequencies (W 100 Hz). The low-frequency biodynamic force may be
comparable with the applied forces on some machines. Because the apparent mass in the z direction (along
h
the forearm direction) is generally the highest among those in the three orthogonal axes, the biodynamic force
in this direction is also generally the highest one. The biodynamic force usually reaches its maximum value at
the dominant frequency of the machine vibration. The fundamental resonance frequency of the hand-arm
system is usually in the range of 10 Hz to 63 Hz. If the dominant frequency of a machine is in this range, the
biodynamic force could become especially significant. At frequencies less than 100 Hz, the biodynamic force
in a grip action or a combined grip and push action is primarily distributed on the palm of the hand. This is
especially true for the biodynamic force in the z direction. At higher frequencies, however, the biodynamic
h
force components distributed at these two parts of the hand are comparable.
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ISO 15230:2007(E)
Annex B
(informative)
Calculation of gripping force and push/pull force
from measurement of pressure
B.1 General
The push/pull, gripping and coupling forces can be calculated from the mapping of local pressure and the
geometry of the grip zone. It is essential to know, for each transducer, the relative angle between its surface
and the main gripping force axis. The state of the art allows mapping pressure without interpolation.
When the number of transducers is insufficient to cover the whole surface of the hand in contact with the grip
zone, it is necessary to make an interpolation between transducers.
B.2 Push/pull force
The push or pull force, F , is calculated using Equation (B.1) (see Figure B.1):
pu
FF==F cosα=p⋅S cosα (B.1)
pu∑∑pu,iic, i∑ii i
ii i
When the feed force is not in the direction of the push or pull force, it can be useful to calculate also the
G
resultant forces in this direction. In this case, the following definition of real push force, F should be used:
RP
G
ˆˆ
Fp=⋅Si cos α+j sin α
()
RP ∑ ii i i
i
ˆ ˆ
where i and j are the coordinate axis definitions for the vector.
G
NOTE F is a vector quantity which can be measured in the plane orthogonal to the handle axis and would provide
RP
information on the posture of the operator during the test. Its direction can be time-dependent.
a) Elliptic handle b) Circular handle
Figure B.1 — Angle between local normal force and push/pull force axes
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ISO 15230:2007(E)
B.3 Gripping force
See Figure B.2.
Figure B.2 — Grip orientation with information for calculation
The gripping force, F , is calculated as follows. At first, a grip action F , projected along all possible
gr grα
directions, x , around the handle is calculated using Equation (B.2):
α
⎛⎞
1 G
Fp=−⎜⎟F (B.2)
grα ∑ ix, pu,x
αα
⎜⎟
2
⎝⎠i
where
x is the projected direction;
α
G
p is the force applied on the ith transducer, projected along x ;
ix, α
α
F is the push force projected along x .
pu,x α
α
Based on this quantity, then:
a) The push-oriented gripping force, F , is defined as gripping force F , calculated along the direction of
G gr,pu grα
the push vector F , which can vary during the test, depending on operator posture (see B.2). Its
RP
definition is given by Equation (B.3):
⎛⎞
1 G
Fp=−⎜⎟F (B.3)
gr,pu ∑ ix, pu,x
αα,pu ,pu
⎜⎟
2
⎝⎠i
G
where x is fixed as the direction of push vector F .
α,pu RP
b) the maximum gripping force is defined by Equation (B.4):
FF= max
()
gr gr,α (B.4)
02uuα π
NOTE F and F are positive quantities.
pu,x
pu,x
α
α,pu
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ISO 15230:2007(E)
B.4 Coupling force
The coupling force, F , is calculated as follows (see Figure B.3):
coup
1
1
FF=+F=F +F = p⋅S⋅ cosα+ cosα (B.5)
() ()
coup pu gr c,pu pu ∑ ii i i
2
2
i
A possible scheme for measurement of the coupling force is shown in Figure B.3.
Key
1 transducer
Figure B.3 — Example for measurement of coupling force, F
coup
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ISO 15230:2007(E)
Annex C
(informative)
Measuring procedure and processing of measurement results
C.1 General
In practice, the contact force cannot be fully measured. Owing to measuring limitations, it is necessary to
determine the most important components, such as push/pull force, gripping force and pressure.
The measuring instrumentation should fulfil the requirement of minimal ergonomic impairment and should not
modify the dynamic response of the machine.
When assessing the vibration exposure, it is preferable to measure the vibration and the coupling parameters
simultaneously. Due to the complexity of the measurement of these parameters, it is acceptable to make the
two measurements at different times under the same conditions.
The measurement system should be calibrated (see Annex E).
The chain of measurement should be checked before and after the measurements are carried out.
Body posture, working conditions and operating conditions should, as far as possible, be recorded during the
measurement.
C.2 Procedure for measuring push/pull force
For many machines, the main direction of the push or pull force is along the finger–forearm axis as shown in
Figures 2 and 4.
There are two basic measurement techniques:
⎯ the direct method, which uses transducers mounted between the hand and the vibrating surface (see, for
example, Figure B.3);
⎯ the indirect method, which measures the resultant forces on the operator or the machine [e.g. using a
force platform, see Figure 2 a)].
The indirect method can only be used in cases where the operator is stationary and is either using one hand
only or is applying equal forces with two hands.
C.3 Procedure for measuring gripping force
There are two basic measurement techniques:
⎯ the direct method, which uses transducers mounted between the fingers and the vibrating surface;
⎯ the indirect method, which measures, firstly, the coupling force between the palm of the hand and the
vibrating surface and, secondly, the push or pull force, with the gripping force calculated as the resultant
of these two forces.
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ISO 15230:2007(E)
C.4 Procedure for measuring pressure exerted on skin
The pressure transducers can be either fixed directly on the gripping zone, using double-sided adhesive tape
or equivalent, or fixed on a surgical glove. In the latter case, it is essential to fix the transducers where peaks
of pressure are expected.
C.5 Processing the measurement results — Time history
Reporting of the force or pressure time history in the frequency range up to 5 Hz is recommended. These
forces or pressures are those imposed by the operator.
When dynamic forces and/or pressures are considered, the amplitude description of the force or pressure
measurement should be presented in the frequency range up to at least three times the dominant frequency of
the vibration.
C.6 Processing the measurement results — Averaging method
Where it is useful to report a time varying force or pressure as a single value, the mean value of the absolute
force or pressure measured during the operation should be used. The operation is any period during which a
machine is operating and the operator is exposed to hand-transmitted vibration
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15230
Première édition
2007-07-01
Vibrations et chocs mécaniques —
Forces de couplage à l'interface homme-
machine en cas de vibrations transmises
par les mains
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine
interface for hand-transmitted vibration
Numéro de référence
ISO 15230:2007(F)
©
ISO 2007
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Symboles et termes abrégés . 1
3 Paramètres à l’interface homme-machine.2
3.1 Pression exercée sur la peau . 2
3.2 Force de poussée ou de traction . 3
3.3 Force de guidage . 4
3.4 Force de levage. 5
3.5 Force de préhension. 5
3.6 Force d’avance. 6
3.7 Forces de contact . 7
3.8 Force de couplage . 8
3.9 Couple et force de frottement. 8
Annexe A (informative) Effets biodynamiques sur les forces de contact de la machine . 9
Annexe B (informative) Calcul de la force de préhension et de la force de poussée ou de traction
à partir de la mesure de la pression . 11
Annexe C (informative) Mode opératoire de mesurage et traitement des résultats de mesure. 14
Annexe D (informative) Paramètres recommandés pour les appareils de mesure. 18
Annexe E (informative) Étalonnage et méthode de référence . 22
Bibliographie . 25
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 15230 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et leur
surveillance, sous-comité SC 4, Exposition des individus aux vibrations et chocs mécaniques.
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ISO 15230:2007(F)
Introduction
Les forces de couplage déployées entre le système main-bras et une machine tenue ou guidée à la main
pendant son utilisation sont des facteurs très importants. Bien que ces forces concernent les machines
vibrantes mais aussi non vibrantes, la présente Norme internationale a principalement pour objet de fournir
une série de descriptions des forces qui s’exercent à l’interface homme-machine, essentiellement au niveau
du système main-bras en contact avec une surface vibrante d’une machine.
Les forces de couplage impliquées dans le fonctionnement d’une machine vibrante ont généralement deux
composantes différentes. La première composante est la force appliquée par le système main-bras, qui sert à
assurer le contrôle et le guidage nécessaires de la machine et à obtenir la productivité souhaitée. La force
quasi-statique exercée (fréquence inférieure à 5 Hz) est le principal objet de la présente Norme internationale.
La seconde composante est la force biodynamique qui résulte de la réponse biodynamique du système
main-bras à une vibration.
Différents couplages de la main et d’une surface vibrante peuvent avoir deux effets différents sur le corps
humain.
⎯ La relation entre les vibrations mesurées au niveau des poignées et leur transmission au système main-
bras peut en être altérée. Cette altération modifie l’exposition et l’effet des vibrations pour le système
main-bras.
⎯ Le couplage peut entraîner un effet synergiste avec l’exposition aux vibrations, affectant les structures
anatomiques comme le système vasculaire, les nerfs, les articulations ou les tendons.
Actuellement, plusieurs scénarios de fonctionnement de machines ont été modélisés dans le cadre d’études
physiologiques fondamentales portant sur l’effet des vibrations sur le corps humain; ces études utilisent les
forces de préhension et de poussée pour décrire la force de couplage qui s’exerce entre la main et la poignée
de la machine.
La présente Norme internationale peut favoriser la prise en compte des données de couplage dans le cadre des
études épidémiologique ou des recherches en laboratoire.
À l’avenir, les mesures prises sur le lieu de travail afin de déterminer et d’évaluer l’ampleur des vibrations
mécaniques subies par l’homme devront parfois tenir compte de l’influence du contact entre le système
main-bras et la surface vibrante. Les forces de couplage et l’accélération des vibrations doivent être mesurées
simultanément pour tenir compte des interactions potentielles.
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NORME INTERNATIONALE ISO 15230:2007(F)
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à
l'interface homme-machine en cas de vibrations transmises par
les mains
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale décrit les paramètres de couplage intervenant entre les mains d’un
opérateur de machine et une surface vibrante de la machine.
Le couplage entre la main et la surface vibrante peut être décrit à l’aide de différents paramètres et
composantes de ces paramètres:
⎯ des paramètres de force, tels que poussée, traction et préhension,
⎯ des paramètres tels que la pression exercée sur la peau.
En outre, les annexes informatives fournissent des lignes directrices concernant les méthodes de mesure, le
mesurage de la force et les paramètres de pression, des informations sur les exigences s’appliquant aux
instruments de mesure, ainsi qu’une méthode d’étalonnage.
La présente Norme internationale ne traite pas des forces qui s’exercent tangentiellement à la main.
2 Symboles et termes abrégés
2.1 Symboles
F force
i nombre entier d’une somme
n nombre total d’éléments à additionner
p pression locale sur l’élément de surface i
i
S aire
t temps
T durée de fonctionnement
α angle du plan de séparation par rapport à la main
β angle du plan de séparation par rapport à la machine
δ coefficient de proportionalité pour la force de préhension
γ coefficient de proportionalité pour la force de poussée et la force de traction
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2.2 Indices
BD force biodynamique
c contact
coup couplage
f poussée
g guidage
gr préhension
l levage
m moyenne
max maximum
n normal
pu poussée ou traction
x, y, z coordonnées cartésiennes
3 Paramètres à l’interface homme-machine
3.1 Pression exercée sur la peau
3.1.1 Élément d’aire de la surface
L’élément d’aire de la surface, S , est obtenu à l’aide de l’Équation (1):
i
GG
SS=⋅S (1)
ii n,i
G
le vecteur unitaire, S , étant perpendiculaire à l’élément d’aire (voir Figure 1).
n,i
Figure 1 — Direction de l’élément d’aire, S
i
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3.1.2 Pression locale
La pression locale, p , exercée sur un élément d’aire de la surface, S , de la peau de la main est le rapport
i i
entre la composante perpendiculaire de la force de contact de l’élément d’aire, F (voir 3.1.5), appliquée au
c,i
centre de l’élément de surface et l’aire de cette surface, comme montré par l’Équation (2):
F
c,i
p = (2)
i
S
i
Lors de l’enregistrement des valeurs de pression locale, il convient de consigner l’élément d’aire de la surface.
NOTE Selon l’opérateur, la position de la main, l’outil et la tâche effectuée, la pression locale, p , est généralement
i
2
comprise entre 0 et 0,8 N/mm . Les valeurs de pression supérieures peuvent entraîner une sensation de douleur.
3.1.3 Pression moyenne
La pression moyenne, p , exercée sur la surface de la main en contact avec la machine ou une partie de la
m
machine est calculée à l’aide de l’Équation (3):
n
p ⋅ S
∑ ii
i=1
p = (3)
m
n
S
i
∑
i=1
3.1.4 Pression locale maximale
La pression locale maximale, p , est la pression la plus élevée mesurée sur la surface de la main en
max
contact avec la machine; elle est obtenue à l’aide de l’Équation (4):
p = max p (4)
{}
max i
3.1.5 Force de contact sur l’élément d’aire de surface
La force de contact sur l’élément d’aire de surface, F , est obtenue à l’aide de l’Équation (5):
c,i
F=⋅pS (5)
c,ii i
où
p est la pression exercée sur le i-ème élément d’aire;
i
S est l’aire de la surface élémentaire de la peau de la main.
i
La direction de F est perpendiculaire à la surface vibrante.
c,i
3.2 Force de poussée ou de traction
La force de poussée, F , est la force exercée par l’opérateur et dirigée de ses épaules vers la surface
pu
vibrante, à l’aide de ses mains et sans compensation sur la surface de couplage de la main. La force de
traction, F , est la force exercée par l’opérateur en direction de ses épaules par l’intermédiaire de ses deux
pu
mains. (Voir Figure 2.)
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a) Force de poussée b) Force de traction
Figure 2 — Exemple de force de poussée, F , et de force de traction, F
pu pu
NOTE 1 Dans certains cas, l’opération à effectuer fait appel à des forces de poussée et de traction. Les forces de
poussée et de traction peuvent agir en différents points de la main. Les deux forces sont cependant désignées par F .
pu
NOTE 2 La force de poussée, F , peut être une force très importante, comme dans le cas d’une perceuse, et doit
pu
toujours être prise en compte.
3.3 Force de guidage
La force de guidage, F , est la force exercée par l’opérateur sur la surface vibrante par l’intermédiaire d’une
g
ou de l’autre main, dans un plan horizontal ou quasi horizontal, tangentiellement à la force de poussée et/ou
de traction, sans compensation sur la surface de couplage de la main. Cette force est surtout nécessaire pour
maintenir ou déplacer la machine, la pièce travaillée ou le levier de commande. (Voir Figure 3.)
Figure 3 — Exemple de force de guidage, F , avec indication d’une force de poussée, F
g pu
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NOTE La force de guidage, F , peut être de faible amplitude lorsque la surface est horizontale.
g
3.4 Force de levage
La force de levage, F , est la force nécessaire pour compenser la masse de la machine. (Voir Figure 4.)
l
a) b) c)
Figure 4 — Exemple de force de levage, F , avec indication d’une force de poussée, F
l pu
NOTE Dans certains cas, la force de levage, F, peut être égale à la force de traction (ou de poussée), F [voir
l pu
Figure 4 a)].
3.5 Force de préhension
La force de préhension, F , est égale à la moitié de la somme des composantes de force s’exerçant dans la
gr
direction de l’axe de la poignée, en l’absence de forces de poussée, de traction ou de levage. Pour simplifier,
la force de préhension est la force de serrage exercée par la main de l’opérateur sur la poignée. Cette force
est compensée au niveau de la main par une force de préhension s’exerçant dans la direction opposée, par
rapport à un plan de séparation. (Voir Figure 5.)
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a) Champ de pression, p b) Force de serrage
Légende
α angle du plan de séparation par rapport à la main
β angle du plan de séparation par rapport à la machine
NOTE L’axe z est celui de l’avant-bras.
Figure 5 — Exemple de force de préhension, F , comme force de serrage
gr
NOTE 1 Lorsque l’opérateur saisit une poignée cylindrique, la direction de la principale force de préhension est
généralement parallèle à l’axe z défini dans l’ISO 8727.
NOTE 2 La pression de contact de préhension étant généralement inégalement répartie sur la poignée, l’amplitude de
la force de préhension est généralement fonction de l’axe de référence ou du plan de séparation. L’orientation de la force
de préhension maximale ou minimale dépend généralement des dimensions de la poignée, de la taille des mains et de la
position de préhension. Par souci de simplicité, la force de préhension dans l’axe z correspondant à l’avant-bras,
représentée à la Figure 5 b), est utilisée par convention pour le mesurage et/ou le contrôle de la force de préhension dans
le cadre des études de laboratoire.
3.6 Force d’avance
La force d’avance, F , est la force externe exercée sur la machine. (Voir Figure 6.)
f
Figure 6 — Exemple de force d’avance, F
f
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NOTE Dans la Figure 6, la force d’avance, F , est égale à la somme des forces de poussée, F , et F . Dans la
f pu1 pu2
Figure 2 a), la force d’avance, F , est égale à la force de poussée, F .
f pu
3.7 Forces de contact
D’une manière générale, les forces de contact, F , sont les forces qui s’exercent entre la main et la surface
c
vibrante. Ce sont les forces élémentaires intégrées sur la surface de contact (voir 3.1.5). Ce sont des forces
vectorielles à la fois perpendiculaires et tangentielles à la surface vibrante. La force tangentielle n’est pas
prise en considération pour le moment en raison de la difficulté de mesurage. La force de contact peut
représenter la moyenne des pressions, mais elle ne peut pas fournir d’informations sur les distributions
entraînant des moments susceptibles d’équilibrer les moments externes, qui peuvent être décrits comme des
couples autour d’axes spécifiques (voir 3.9). Les moments ou les couples peuvent être calculés si l’on connaît
la répartition de la pression.
La présente Norme internationale traite essentiellement de la composante perpendiculaire de ces forces de
contact, F , qui, pour beaucoup de surfaces vibrantes, sont les principales forces de transmission des
c
vibrations à la main (voir Figure 7).
Les forces de contact peuvent être déterminées par la mesure de la répartition de la pression entre la main et
la poignée. Des études ont montré que le total des forces de contact statiques peut être associé aux forces de
préhension et de poussée, F et F , à l’aide d’une relation linéaire, Équation (6):
gr pu
F=+δγFF (6)
cgr pu
où δ et γ sont des coefficients de proportionnalité et où la force de préhension, F , est celle de l’axe z de
gr
l’avant-bras, représentée à la Figure 5 b).
NOTE 1 Pour les poignées cylindriques de diamètre compris entre 30 mm et 50 mm, le coefficient δ est proche de 3 et
γ est proche de 1. Le coefficient de force de préhension tend à être plus important pour les poignées de moindre diamètre.
NOTE 2 La relation ci-dessus peut être modifiée pour les poignées de géométrie et de taille différentes, et en cas de
chevauchement des doigts sur le pouce.
Figure 7 — Exemple de forces de contact, F
c
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3.8 Force de couplage
La force de couplage de compression, F , est la somme de la force de préhension et de la force de
coup
poussée ou de traction, comme indiqué par l’Équation (7):
F =+FF (7)
coup gr pu
NOTE 1 La force de couplage du système main-bras par rapport à la machine ou au levier de commande est donnée
sous une forme simplifiée dans la présente Norme internationale en termes de deux forces: la force de poussée ou de
traction et la force de préhension, mais elle inclut théoriquement les forces biodynamiques décrites en Annexe A.
NOTE 2 Quelques études ont montré qu’en cas d’exposition aux vibrations il est impossible de distinguer les effets
spécifiques des forces de préhension et des forces de poussée ou de traction. Ces deux composantes sont donc
intégrées à la force de couplage avec la même pondération.
NOTE 3 La force de contact est beaucoup plus complexe que la force de couplage.
3.9 Couple et force de frottement
La présente Norme internationale ne traite pas des forces qui s’exercent tangentiellement à la main, comme
les forces superficielles produisant un moment lié au couple engendré par une force de frottement. Cependant,
deux exemples illustrent ces forces.
Un moment ou un couple tels que représentés dans les Figures 8 a) et 8 b) n’est pas possible en l’absence de
force de préhension, de force de poussée ou de traction, ou de force de levage.
Une force de frottement telle que représentée à la Figure 8 b) n’est pas possible en l’absence de force de
préhension, de force de poussée ou de traction, ou de force de levage.
NOTE Les systèmes actuels de mesurage de la distribution des pressions ne permettent pas d’obtenir cette
information.
a) b)
Légende
1 moment
2 force de poussée ou de traction
3 frottement
4 couple
Figure 8 — Exemples de couple et de frottement contre la main
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Annexe A
(informative)
Effets biodynamiques sur les forces de contact de la machine
A.1 Forces biodynamiques
La force biodynamique, F , s’exerçant à l’interface entre le système main-bras et une machine ou une pièce
BD
travaillée vibrante résulte de la réponse dynamique du système aux vibrations. Par conséquent, son
amplitude dépend essentiellement de la masse apparente du système et de la valeur des vibrations de la
machine ou de la pièce travaillée.
A.2 Méthodes de mesurage et d’estimation
Techniquement, la force biodynamique, F , s’exerçant sur la main peut être décomposée en trois directions
BD
orthogonales (x , y et z ). Elle peut être directement mesurée à l’aide de gants ou de poignées comportant
h h h
des instruments, ou de capteurs flexibles montés sur les poignées de la machine ou sur la surface en contact
avec la main. Elle peut également être mesurée avec les forces appliquées, puis séparée à l’aide d’un filtre
passe-haut (> 5 Hz). Une autre approche consiste à estimer l’ampleur de la force biodynamique dans chaque
direction à l’aide de la masse apparente ou de l’impédance mécanique du système et de l’accélération de la
machine dans la direction correspondante. En première approximation, la force biodynamique peut être
estimée à l’aide de l’une des Équations (A.1) et (A.2):
FM()ωω≈⋅()aω (A.1)
( )
BD iJ i i
J J
FZω≈⋅()ωωa ω (A.2)
() ( )
BDii i i
JJJ
où
a est la valeur efficace (valeur moyenne quadratique) de l’accélération de la machine
J représente les coordonnées de la main
M est la masse apparente
Z est l’impédance mécanique au point d’entrée
ω est la fréquence angulaire de la i-ème composante spectrale.
i
La valeur efficace de la force biodynamique dans chaque direction peut donc être estimée à l’aide de sa
composante à chaque fréquence, à l’aide de l’Équation (A.3):
2
FF= ω (A.3)
()
BD,Ji∑ BD
J
i
A.3 Caractéristiques fondamentales de la force biodynamique
La masse apparente décroît généralement lorsque la fréquence augmente, par conséquent la force
biodynamique est généralement beaucoup plus élevée avec une machine qui génère essentiellement des
vibrations à basse fréquence (u 40 Hz) qu’avec une machine qui génère des fréquences élevées (W 100 Hz).
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La force biodynamique en basse fréquence peut être comparable aux forces appliquées sur certaines
machines. La masse apparente dans la direction, z (dans l’axe de l’avant-bras), est généralement la plus
h
élevée des trois axes orthogonaux, par conséquent la force biodynamique s’exerçant dans cette direction est
aussi généralement la plus élevée. La force biodynamique atteint généralement sa valeur maximum à la
fréquence dominante des vibrations de la machine. La fréquence de résonance fondamentale du système
main-bras est généralement de l’ordre de 10 Hz à 63 Hz. Si la fréquence dominante d’une machine est de cet
ordre, la force biodynamique pourrait devenir très significative. Aux fréquences inférieures à 100 Hz, la force
biodynamique, lors d’une action de préhension ou d’une action combinée de préhension et de poussée,
s’applique principalement sur la paume de la main. C’est particulièrement vrai pour la force biodynamique
dans la direction z . À des fréquences plus élevées, cependant, les composantes de la force biodynamique
h
s’exerçant sur ces deux parties de la main sont comparables.
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Annexe B
(informative)
Calcul de la force de préhension et de la force de poussée
ou de traction à partir de la mesure de la pression
B.1 Généralités
Les forces de poussée ou de traction, de préhension et de couplage peuvent être calculées à partir du
quadrillage de la pression locale et de la géométrie de la zone de préhension. Il est essentiel de connaître,
pour chaque capteur, l’angle relatif entre sa surface et l’axe principal de la force de préhension. La technique
actuelle permet de quadriller la pression sans interpolation.
Lorsque le nombre de capteurs est insuffisant pour couvrir toute la surface de la main en contact avec la zone
de préhension, il est nécessaire d’effectuer une interpolation entre les capteurs.
B.2 Force de poussée ou de traction
La force de poussée ou de traction, F , est calculée à l’aide de l’Équation (B.1) (voir Figure B.1):
pu
FF==F cosα=p⋅S cosα (B.1)
pu∑∑pu,iic, i∑ii i
ii i
Lorsque la force d’avance n’est pas dans la direction de la force de poussée ou de traction, il peut être utile de
calculer également les forces résultantes dans cette direction. Dans ce cas, il convient d’utiliser la définition
G
suivante de la force de poussée réelle F :
RP
G
ˆˆ
Fp=⋅Si cos α+j sin α
()
RP ii i i
∑
i
ˆ ˆ
où i et j sont les coordonnées du vecteur.
G
NOTE F est une grandeur vectorielle qui peut être mesurée dans le plan orthogonal à l’axe de la poignée et qui
RP
fournit des informations sur la position de l’opérateur au cours de l’essai. Sa direction peut être dépendante du temps.
a) Poignée elliptique b) Poignée circulaire
Figure B.1 — Angle formé par les axes de la force normale locale
et de la force de poussée ou de traction
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B.3 Force de préhension
Voir Figure B.2.
Figure B.2 — Orientation de préhension avec des informations pour le calcul
La force de préhension, F , est calculée comme suit. Tout d’abord, une action de préhension, F , exercée
gr gr,α
dans toutes les directions possibles, x , sur la poignée, est calculée à l’aide de l’Équation (B.2):
α
⎛⎞
1 G
Fp=−⎜⎟F (B.2)
gr,α ∑ ix, pu,x
α α
⎜⎟
2
⎝⎠i
où
x est la direction projetée;
α
G
p est la force appliquée sur le i-ème capteur, projetée sur x ;
ix, α
α
F est la force de poussée dans la direction x .
pu,x α
α
D’après cette grandeur:
a) La force de préhension orientée vers la poussée, F , est définie comme la force de préhension,
gr,pu
G
F , calculée dans la direction du vecteur de poussée, F , qui peut varier au cours de l’essai, en
gr,α RP
fonction de la position de l’opérateur (voir B.2). Sa définition est indiquée par l’Équation (B.3):
⎛⎞
1 G
⎜⎟
Fp=−F (B.3)
gr,pu ∑ ix, pu,x
αα,pu ,pu
⎜⎟
2
⎝⎠i
G
où x représente la direction du vecteur de poussée, F .
α,pu RP
b) La force de préhension maximale est définie comme indiqué par l’Équation (B.4):
FF= max
()
gr gr,α (B.4)
02uuαπ
NOTE F et F sont des grandeurs positives.
pu,x pu,x
α
α,pu
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B.4 Force de couplage
La force de couplage, F , est calculée à l’aide de l’Équation (B.5) (voir Figure B.3):
coup
11
FF=+F=F +F = p⋅S⋅ cosα+ cosα (B.5)
() ()
coup pu gr c,pu pu ∑ ii i i
22
i
La Figure B.3 représente une technique possible de mesurage de la force de couplage.
Légende
1 capteur
Figure B.3 — Exemple de mesurage de la force de couplage, F
coup
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Annexe C
(informative)
Mode opératoire de mesurage et traitement des résultats de mesure
C.1 Généralités
Dans la pratique, la force de contact ne peut pas être pleinement mesurée. Compte tenu des limites de
mesurage, il est nécessaire de déterminer les composantes les plus importantes, comme la force de poussée
ou de traction, la force de préhension et la pression.
Il convient que les instruments de mesure modifient peu l’ergonomie et ne modifient pas la réponse
dynamique de la machine.
Pour évaluer l’exposition aux vibrations, il est préférable de mesurer simultanément les vibrations et les
paramètres de couplage. Compte tenu de la complexité du mesurage de ces paramètres, il est acceptable
d’effectuer les deux mesurages à des moments différents, dans les mêmes conditions.
Il convient que le système de mesurage s
...
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