Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface for hand-transmitted vibration — Part 1: Measurement and evaluation

This document 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, Annexes A, B, C, D and E 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 document 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 — Partie 1: Mesurage et évaluation

Le présent document 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 A, B, C, D et E 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. Le présent document ne traite pas des forces qui s’exercent tangentiellement à la main.

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Status
Published
Publication Date
12-Aug-2021
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
13-Aug-2021
Completion Date
13-Aug-2021
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ISO 15230-1:2021 - Mechanical vibration and shock -- Coupling forces at the man-machine interface for hand-transmitted vibration
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ISO 15230-1:2021 - Vibrations et chocs mécaniques -- Forces de couplage à l’interface homme-machine en cas de vibrations transmises par les mains
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15230-1
First edition
2021-08
Mechanical vibration and shock —
Coupling forces at the man-machine
interface for hand-transmitted
vibration —
Part 1:
Measurement and evaluation
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l’interface
homme-machine en cas de vibrations transmises par les mains —
Partie 1: Mesurage et évaluation
Reference number
ISO 15230-1:2021(E)
ISO 2021
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ISO 15230-1:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021

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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting

on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address

below or ISO’s member body in the country of the requester.
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 1

4.1 Symbols ......................................................................................................................................................................................................... 1

4.2 Subscripts .................................................................................................................................................................................................... 2

5 Parameters at man-machine interface .......................................................................................................................................... 2

5.1 Pressure exerted on skin ................................................................................................................................................................ 2

5.1.1 Area element of surface ............................................................................................................................................. 2

5.1.2 Local pressure .................................................................................................................................................................... 3

5.1.3 Mean pressure ...................................................................... .............................................................................................. 3

5.1.4 Maximum local pressure ........................................................................................................................................... 3

5.1.5 Elemental contact force ............................................................................................................................................. 3

5.2 Push/pull force ....................................................................................................................................................................................... 4

5.3 Guiding force ............................................................................................................................................................................................. 4

5.4 Lifting force ................................................................................................................................................................................................ 5

5.5 Gripping force .......................................................................................................................................................................................... 5

5.6 Feed force .................................................................................................................................................................................................... 6

5.7 Contact forces ........................................................................................................................................................................................... 7

5.8 Coupling force .......................................................................................................................................................................................... 8

5.9 Torque and friction force ................................................................................................................................................................ 8

Annex A (informative) Biodynamic effects on machine contact forces .........................................................................10

Annex B (informative) Calculation of gripping force and push/pull force from measurement

of pressure ...............................................................................................................................................................................................................12

Annex C (informative) Measuring procedure and processing of measurement results ..............................15

Annex D (informative) Recommended parameters for measuring instrumentation .....................................19

Annex E (informative) Calibration and reference method .........................................................................................................23

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................26

© ISO 2021 – All rights reserved iii
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ISO 15230-1:2021(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.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

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. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/

iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and

condition monitoring, Subcommittee SC 4, Human exposure to mechanical vibration and shock.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 15230:2007), of which it constitutes a

minor revision. The changes compared to the previous edition are as follows:
— The document number is now ISO 15230-1.

— The introduction has been changed to explain the publication of ISO 15230 as standards series, now

comprising two parts, ISO 15230-1 (the former ISO 15230) and new ISO/TR 15230-2.
A list of all parts in the ISO 15230 series can be found on the ISO website.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(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 document 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 document. 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:

a) 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.

b) 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 many basic physiological studies

investigating the effect of vibration on the human body which use pushing force and gripping force to

describe the coupling force between the hand and the machine handle.

This document can assist in the reporting of coupling data in epidemiological or laboratory research.

It is expected that in the future, measurements of the coupling forces will be made in addition to

measurements at the workplace for the determination and evaluation of human exposure to mechanical

vibration.
ISO 15230 consists of two parts:

— ISO 15230-1, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface for

hand-transmitted vibration — Part 1: Measurement and evaluation, has the status of an ISO standard,

defining measurement parameters and evaluation procedures.

— ISO/TR 15230-2, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface for

hand-transmitted vibration — Part 2: Guidelines for the evaluation of coupling forces, is a technical

report, aimed primarily at researchers. In ISO/TR 15230-2, the relationship between magnitude

of the coupling force and the transfer of damaging vibrational energy into the hand-arm system

is considered. This part provides a method for adjusting evaluations of exposures to hand-arm

vibration according to the measured coupling force.
© ISO 2021 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15230-1:2021(E)
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the
man-machine interface for hand-transmitted vibration —
Part 1:
Measurement and evaluation
1 Scope

This document 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, Annexes A, B, C, D and E 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 document does not deal with forces which act tangentially to the hand.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
F force
i integer for summation
n total number of elements to be summed
p local pressure at surface element i
S surface
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ISO 15230-1:2021(E)
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
4.2 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
5 Parameters at man-machine interface
5.1 Pressure exerted on skin
5.1.1 Area element of surface
The area element of the surface, S , is given using Formula (1):
SS=⋅S (1)
ii n,i

with the unit vector, S , in the normal direction to the area element. (See Figure 1.)

n,i
2 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(E)
Figure 1 — Direction of the area elements, S
5.1.2 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 5.1.5), applied in the

c,i

middle of this area element and the area of this surface, as given by Formula (2):

c,i
p = (2)

When reporting local pressure values, the area element surface should be reported.

NOTE Depending on the operator, hand location, tool and task, local pressure p usually ranges between zero

and 0,8 N/mm . Values above this pressure range can be perceived as painful.
5.1.3 Mean pressure

The mean pressure, p , exerted on the surface of the hand in contact with the machine or a part of the

machine is calculated as average pressure using Formula (3):
pS⋅
i=1
p = (3)
i=1
5.1.4 Maximum local pressure

The maximum local pressure, p , is the highest pressure value measured on the hand surface in

max
contact with the machine, calculated using Formula (4):
pp=max{} (4)
max i
5.1.5 Elemental contact force
The elemental contact force, F , is given by Formula (5):
c,i
Fp=⋅S (5)
c,ii i
where
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ISO 15230-1:2021(E)
p is the pressure over the i surface element;
S is the elemental surface area of the hand skin.
The direction of F is normal to the vibrating surface.
c,i
5.2 Push/pull force

The push force, F , is the force exerted by the operator away from his shoulder on the vibrating surface

via each hand and not compensated within the coupling surface of the hand. The pull force, F , is the

force exerted by the operator towards his shoulder via each hand. (See Figure 2.)

a) Push force b) Pull force
Figure 2 — Example of F as push force and pull force

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 .

NOTE 2 Push force F can be a very significant force, such as the required pushing of a drill, and needs always

to be considered.
5.3 Guiding force

The guiding force, F , is the force exerted by the operator on the vibrating surface via either hand in a

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.)
4 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(E)
Figure 3 — Example of guiding force, F , with indication of push force, F
g pu

NOTE F has the potential to be a low magnitude force when the surface is horizontal.

5.4 Lifting force

The lifting force, F , is the force which is necessary to counteract the machine mass. (See Figure 4.)

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
5.5 Gripping force

The gripping force, F , is half the sum of the force components acting towards an axis inside the handle

without push, pull or lifting forces. Simplified, the gripping force is the clamp-like force exerted by the

© ISO 2021 – All rights reserved 5
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ISO 15230-1:2021(E)

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

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.
5.6 Feed force
The feed force, F , is the external force acting on the machine. (See Figure 6.)
6 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(E)
Figure 6 — Example of feed force, 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),

f pu1 pu2
the feed force, F , is equal to the push force, F .
f pu
5.7 Contact forces

In general, the contact forces, F , are those forces which act between the hand and the vibrating surface.

They are the elemental forces integrated over the contact area (see 5.1.5). 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 5.9).

The moments or torques can be calculated when the pressure distribution is available.

This document concentrates on the perpendicular component of these contact forces, F , which, for

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, Formula (6):

gr pu
FF=+δγ F (6)
cgrpu

where δ and γ are proportionality coefficients and the gripping force F is that in the forearm-based

Z axis shown 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.
© ISO 2021 – All rights reserved 7
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ISO 15230-1:2021(E)
Figure 7 — Example of contact forces, F
5.8 Coupling force

The compressive coupling force, F , is the sum of the gripping force and the push/pull force as given

coup
by Formula (7):
FF=+ F (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 document, 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.
5.9 Torque and friction force

This document 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.
8 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(E)
a) b)
Key
1 moment
2 push or pull force
3 friction
4 torque
Figure 8 — Examples of torque and friction against the hand
© ISO 2021 – All rights reserved 9
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ISO 15230-1:2021(E)
Annex A
(informative)
Biodynamic effects on machine contact forces
A.1 Biodynamic force

The biodynamic force, F , acting at the interface between the human hand-arm system and a vibrating

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 (x , y , and z ). It can be directly measured using instrumented handles or gloves, or flexible

h h h

transducers 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 Formula (A.1) or

(A.2), as appropriate:
FM()ωω≈⋅() a()ω (A.1)
BD iJ i i
J J
FZ()ωω≈ () ⋅a()ωω/ (A.2)
BD i i i i
J J J
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 i spectral component.

The r.m.s. value of the biodynamic force in each direction can thus be estimated using its corresponding

component at each frequency using Formula (A.3):
FF= ω (A.3)
BD,BJ D i
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

(≤40 Hz) than those that produce high frequencies (≥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 the forearm direction) is generally the highest among those in the three orthogonal axes, the

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ISO 15230-1:2021(E)

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 force components distributed at these two

parts of the hand are comparable.
© ISO 2021 – All rights reserved 11
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ISO 15230-1:2021(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 Formula (B.1) (see Figure B.1):
FF== Fpcoscαα=⋅S os (B.1)
pu pu,,i c ii ii i
∑∑ ∑
i i i

When the feed force is not in the direction of the push or pull force, it can be useful to calculate also the

resultant forces in this direction. In this case, the following definition of real push force, F should be

used:
ˆ ˆ
Fp=⋅ Si cosαα+ j sin
RP ii i i
ˆ ˆ
where i and j are the coordinate axis definitions for the vector.

NOTE F is a vector quantity which can be measured in the plane orthogonal to the handle axis and would

provide 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
12 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO 15230-1:2021(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 Formula (B.2):
 
Fp =− F  (B.2)
grα ∑ ix,,pu x
 
 
where
x is the projected direction;
is the force applied on the i transducer, projected along x ;
ix,
is the push force projected along x .
pu,x
Based on this quantity, then:

a) The push-oriented gripping force, F , is defined as gripping force F , calculated along the

gr,pu grα

direction of the push vector F , which can vary during the test, depending on operator posture

(see B.2). Its definition is given by Formula (B.3):
 
Fp=− F  (B.3)
gr,pup∑ ix, u,x
αα,pup, u
 
 
where x is fixed as the direction of push vector F .
α,pu RP
b) the maximum gripping force is defined by Formula (B.4):
FF=max (B.4)
gr gr,α
NOTE F and F are positive quantities.
pu,x pu,x
α α ,pu
B.4 Coupling force
The coupling force,
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 15230-1
Première édition
2021-08
Vibrations et chocs mécaniques —
Forces de couplage à l’interface
homme-machine en cas de vibrations
transmises par les mains —
Partie 1:
Mesurage et évaluation
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-
machine interface for hand-transmitted vibration —
Part 1: Measurement and evaluation
Numéro de référence
ISO 15230-1:2021(F)
ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 15230-1:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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ISO 15230-1:2021(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 1

4.1 Symboles ...................................................................................................................................................................................................... 1

4.2 Indices ............................................................................................................................................................................................................ 2

5 Paramètres à l’interface homme-machine ................................................................................................................................ 2

5.1 Pression exercée sur la peau ....................................................................................................................................................... 2

5.1.1 Élément d’aire de la surface ................................................................................................................................... 2

5.1.2 Pression locale ................................................................................................................................................................... 3

5.1.3 Pression moyenne .................. .................................................... ..................................................................................... 3

5.1.4 Pression locale maximale ......................................................................................................................................... 3

5.1.5 Force de contact sur l’élément d’aire de surface .................................................................................. 3

5.2 Force de poussée ou de traction .............................................................................................................................................. 4

5.3 Force de guidage .................................................................................................................................................................................... 4

5.4 Force de levage ........................................................................................................................................................................................ 5

5.5 Force de préhension ........................................................................................................................................................................... 6

5.6 Force d’avance ......................................................................................................................................................................................... 6

5.7 Forces de contact ................................................................................................................................................................................... 7

5.8 Force de couplage ................................................................................................................................................................................. 8

5.9 Couple et force de frottement .................................................................................................................................................... 8

Annexe A (informative) Effets biodynamiques sur les forces de contact de la machine .............................10

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 ......................................................................................................................12

Annexe C (informative) Mode opératoire de mesure et traitement des résultats de mesure ................15

Annexe D (informative) Paramètres recommandés pour les appareils de mesure..........................................19

Annexe E (informative) Étalonnage et méthode de référence ................................................................................................23

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................26

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ISO 15230-1:2021(F)
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 (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée 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. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.

Le présent document a été élaboré 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.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 15230:2007), dont elle constitue

une révision mineure. Les modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:

— le numéro de document est désormais ISO 15230-1;

— l’Introduction a été modifiée pour expliquer la publication de l’ISO 15230 sous la forme d’une

série de normes constituée de deux parties: l’ISO 15230-1 (l’ancienne ISO 15230) et le nouveau

ISO/TR 15230-2.

Une liste de toutes les parties de la série ISO 15230 se trouve sur le site web de l’ISO.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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ISO 15230-1:2021(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, le présent document 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 du présent

document. 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:

a) 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;

b) 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.

Le présent document peut favoriser la prise en compte des données de couplage dans le cadre des études

épidémiologiques ou des recherches en laboratoire. Il est prévu qu’à l’avenir, des mesurages des forces

de couplage soient réalisés en complément des mesurages sur le lieu de travail afin de déterminer et

d’évaluer l’exposition des individus aux vibrations et chocs mécaniques.
L’ISO 15230 est constituée de deux parties:

— l’ISO 15230-1, Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l’interface homme-machine en

cas de vibrations transmises par les mains — Partie 1: Mesurage et évaluation, qui a le statut d’une

norme ISO et définit des paramètres de mesure et des méthodes d’évaluation;

— l’ISO/TR 15230-2, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface

for hand-transmitted vibration — Part 2: Guidelines for the evaluation of coupling forces (disponible

en anglais seulement), qui est un rapport technique principalement destiné aux chercheurs.

L’ISO/TR 15230-2 étudie la relation entre l’amplitude de la force de couplage et le transfert

de l’énergie vibratoire préjudiciable au système main-bras. Cette partie fournit une méthode

permettant d’ajuster les évaluations des expositions aux vibrations main-bras en fonction de la

force de couplage mesurée.
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NORME INTERNATIONALE ISO 15230-1:2021(F)
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage
à l’interface homme-machine en cas de vibrations
transmises par les mains —
Partie 1:
Mesurage et évaluation
1 Domaine d’application

Le présent document 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 A, B, C, D et E 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.

Le présent document ne traite pas des forces qui s’exercent tangentiellement à la main.

2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ .
4 Symboles et abréviations
4.1 Symboles
F force
i nombre entier pour la sommation
n nombre total d’éléments à additionner
p pression locale sur l’élément de surface i
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S surface
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 proportionnalité pour la force de préhension
γ coefficient de proportionnalité pour la force de poussée
4.2 Indices
BD force biodynamique
c contact
coup couplage
f avance
g guidage
gr préhension
l levage
m moyenne
max maximum
n normal
pu poussée ou traction
x, y, z coordonnées cartésiennes
5 Paramètres à l’interface homme-machine
5.1 Pression exercée sur la peau
5.1.1 Élément d’aire de la surface
L’élément d’aire de la surface, S , est obtenu à l’aide de la Formule (1):
SS=⋅S (1)
ii n,i

le vecteur unitaire, S , étant perpendiculaire à l’élément d’aire. (Voir Figure 1.)

n,i
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Figure 1 — Direction de l’élément d’aire, S
5.1.2 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 5.1.5), appliquée

c,i

au centre de l’élément de surface et l’aire de cette surface, comme montré par la Formule (2):

c,i
p = (2)

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

2 2

généralement comprise entre 0 N/mm et 0,8 N/mm . Les valeurs de pression supérieures peuvent entraîner une

sensation de douleur.
5.1.3 Pression moyenne

La pression moyenne, p , exercée sur la surface de la main en contact avec la machine ou une partie de

la machine est calculée à l’aide de la Formule (3):
pS⋅
i=1
p = (3)
i=1
5.1.4 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 la Formule (4):
pp=max{} (4)
max i
5.1.5 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 la Formule (5):

c,i
Fp=⋅S (5)
c,ii i
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p est la pression exercée sur le i élément d’aire;
S est l’aire de la surface élémentaire de la peau de la main.
La direction de F est perpendiculaire à la surface vibrante.
c,i
5.2 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

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 mains. (Voir Figure 2.)
a) Force de poussée b) Force de traction
Figure 2 — Exemple de F comme force de poussée et force de traction

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 .

NOTE 2 La force de poussée, F , peut être une force très importante, comme dans le cas d’une perceuse, et

doit toujours être prise en compte.
5.3 Force de guidage

La force de guidage, F , est la force exercée par l’opérateur sur la surface vibrante par l’intermédiaire

d’une 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.)
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Figure 3 — Exemple de force de guidage, F , avec indication d’une force de poussée, F

g pu

NOTE La force de guidage, F , peut être de faible amplitude lorsque la surface est horizontale.

5.4 Force de levage

La force de levage, F , est la force nécessaire pour compenser la masse de la machine (voir Figure 4).

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

l pu
[voir Figure 4 a)].
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5.5 Force de préhension

La force de préhension, F , est égale à la moitié de la somme des composantes de force s’exerçant

dans la 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).
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 se situe le long de l’avant-bras.
Figure 5 — Exemple de force de préhension, F , comme force de serrage

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.

5.6 Force d’avance

La force d’avance, F , est la force externe exercée sur la machine (voir Figure 6).

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Figure 6 — Exemple de force d’avance, F

NOTE À la Figure 6, la force d’avance, F , est égale à la somme des forces de poussée, F et F . À la

f pu1 pu2
Figure 2 a), la force d’avance, F , est égale à la force de poussée, F .
f pu
5.7 Forces de contact

D’une manière générale, les forces de contact, F , sont les forces qui s’exercent entre la main et la surface

vibrante. Ce sont les forces élémentaires intégrées sur la surface de contact (voir 5.1.5). 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 mesure. 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 5.9). Les moments ou les couples peuvent

être calculés si l’on connaît la répartition de la pression.

Le présent document 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 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, Formule (6):

gr pu
FF=+δγ F (6)
cgrpu

où δ et γ sont des coefficients de proportionnalité et où la force de préhension, F , est celle de l’axe z

de 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.
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Figure 7 — Exemple de forces de contact, F
5.8 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 la Formule (7):
FF=+ F (7)
coup gr pu

NOTE 1 Dans le présent document, la force de couplage du système main-bras par rapport à la machine ou au

levier de commande est exprimée sous une forme simplifiée selon deux forces, la force de poussée ou de traction

et la force de préhension, mais elle inclut théoriquement les forces biodynamiques décrites dans l'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.
5.9 Couple et force de frottement

Le présent document 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 sont donnés pour expliquer ces forces.

Un moment ou un couple tels que représentés aux Figures 8 a) et 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 mesure de la distribution des pressions ne permettent pas d’obtenir cette

information.
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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 Force biodynamique

La force biodynamique, F , s’exerçant à l’interface entre le système main-bras et une machine ou une

pièce 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 mesure et d’estimation

Techniquement, la force biodynamique, F , s’exerçant sur la main peut être décomposée en

trois directions orthogonales (x , y et z ). Elle peut être directement mesurée à l’aide de gants ou de

h h h

poignées comportant 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’amplitude

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 Formules (A.1) et (A.2),

selon le cas:
FM()ωω≈⋅() a()ω (A.1)
BD iJ i i
J J
FZωω≈ ⋅a ωω/ (A.2)
() () ()
BD i i i i
J J J

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 composante spectrale.

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 la Formule (A.3):
FF= ω (A.3)
BD,BJ D 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 (≤40 Hz) qu’avec une machine qui génère des fréquences élevées (≥100 Hz).

La force biodynamique en basse fréquence peut être comparable aux forces appliquées sur certaines

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machines. La masse apparente dans la direction, z (dans l’axe de l’avant-bras), est généralement la plus

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 s’exerçant sur ces deux parties de la main sont comparables.

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ISO 15230-1:2021(F)
Annexe B
(informative)
Cal
...

FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 15230-1
ISO/TC 108/SC 4
Mechanical vibration and shock —
Secretariat: DIN
Coupling forces at the man-machine
Voting begins on:
2021-04-28 interface for hand-transmitted
vibration —
Voting terminates on:
2021-06-23
Part 1:
Measurement and evaluation
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l’interface
homme-machine en cas de vibrations transmises par les mains —
Partie 1: Mesurage et évaluation
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2021
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021

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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 1

4.1 Symbols ......................................................................................................................................................................................................... 1

4.2 Subscripts .................................................................................................................................................................................................... 2

5 Parameters at man-machine interface .......................................................................................................................................... 2

5.1 Pressure exerted on skin ................................................................................................................................................................ 2

5.1.1 Area element of surface ............................................................................................................................................. 2

5.1.2 Local pressure .................................................................................................................................................................... 3

5.1.3 Mean pressure ...................................................................... .............................................................................................. 3

5.1.4 Maximum local pressure ........................................................................................................................................... 3

5.1.5 Elemental contact force ............................................................................................................................................. 3

5.2 Push/pull force ....................................................................................................................................................................................... 4

5.3 Guiding force ............................................................................................................................................................................................. 4

5.4 Lifting force ................................................................................................................................................................................................ 5

5.5 Gripping force .......................................................................................................................................................................................... 5

5.6 Feed force .................................................................................................................................................................................................... 6

5.7 Contact forces ........................................................................................................................................................................................... 7

5.8 Coupling force .......................................................................................................................................................................................... 8

5.9 Torque and friction force ................................................................................................................................................................ 8

Annex A (informative) Biodynamic effects on machine contact forces .........................................................................10

Annex B (informative) Calculation of gripping force and push/pull force from measurement

of pressure ...............................................................................................................................................................................................................12

Annex C (informative) Measuring procedure and processing of measurement results ..............................15

Annex D (informative) Recommended parameters for measuring instrumentation .....................................19

Annex E (informative) Calibration and reference method .........................................................................................................23

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................26

© ISO 2021 – All rights reserved iii
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ISO/FDIS 15230-1:2021(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.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

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. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/

iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and

condition monitoring, Subcommittee SC 4, Human exposure to mechanical vibration and shock.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 15230:2007), of which it constitutes a

minor revision. The changes compared to the previous edition are as follows:
— The document number is now ISO 15230-1.

— The introduction has been changed to explain the publication of ISO 15230 as standards series, now

comprising two parts, ISO 15230-1 (the former ISO 15230) and new ISO/TR 15230-2.
A list of all parts in the ISO 15230 series can be found on the ISO website.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 15230-1:2021(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 document 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 document. 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:

a) 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.

b) 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 many basic physiological studies

investigating the effect of vibration on the human body which use pushing force and gripping force to

describe the coupling force between the hand and the machine handle.

This document can assist in the reporting of coupling data in epidemiological or laboratory research.

It is expected that in the future, measurements of the coupling forces will be made in addition to

measurements at the workplace for the determination and evaluation of human exposure to mechanical

vibration.
ISO 15230 consists of two parts:

— ISO 15230-1, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface for

hand-transmitted vibration — Part 1: Measurement and evaluation, has the status of an ISO standard,

defining measurement parameters and evaluation procedures.

— ISO/TR 15230-2, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man—machine interface

for hand-transmitted vibration — Part 2: Guidelines for the evaluation of coupling forces, is a technical

report, aimed primarily at researchers. In ISO/TR 15230-2, the relationship between magnitude

of the coupling force and the transfer of damaging vibrational energy into the hand-arm system

is considered. This part provides a method for adjusting evaluations of exposures to hand-arm

vibration according to the measured coupling force.
© ISO 2021 – All rights reserved v
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the
man-machine interface for hand-transmitted vibration —
Part 1:
Measurement and evaluation
1 Scope

This document 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, Annexes A, B, C, D and E 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 document does not deal with forces which act tangentially to the hand.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
F force
i integer for summation
n total number of elements to be summed
p local pressure at surface element i
S surface
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
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
4.2 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
5 Parameters at man-machine interface
5.1 Pressure exerted on skin
5.1.1 Area element of surface
The area element of the surface, S , is given using Formula (1):
SS=⋅S (1)
ii n,i

with the unit vector, S , in the normal direction to the area element. (See Figure 1.)

n,i
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Figure 1 — Direction of the area elements, S
5.1.2 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 5.1.5), applied in the

c,i

middle of this area element and the area of this surface, as given by Formula (2):

c,i
p = (2)

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 0,8 N/mm . Values above this pressure range can be perceived as painful.
5.1.3 Mean pressure

The mean pressure, p , exerted on the surface of the hand in contact with the machine or a part of the

machine is calculated as average pressure using Formula (3):
pS⋅
i=1
p = (3)
i=1
5.1.4 Maximum local pressure

The maximum local pressure, p , is the highest pressure value measured on the hand surface in

max
contact with the machine, calculated using Formula (4):
pp=max{} (4)
max i
5.1.5 Elemental contact force
The elemental contact force, F , is given by Formula (5):
c,i
Fp=⋅S (5)
c,ii i
where
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
p is the pressure over the i surface element;
S is the elemental surface area of the hand skin.
The direction of F is normal to the vibrating surface.
c,i
5.2 Push/pull force

The push force, F , is the force exerted by the operator away from his shoulder on the vibrating surface

via each hand and not compensated within the coupling surface of the hand. The pull force, F , is the

force exerted by the operator towards his shoulder via each hand. (See Figure 2.)

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 .

NOTE 2 Push force F can be a very significant force, such as the required pushing of a drill, and needs always

to be considered.
5.3 Guiding force

The guiding force, F , is the force exerted by the operator on the vibrating surface via either hand in a

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.)
4 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Figure 3 — Example of guiding force, F , with indication of push force, F
g pu

NOTE F has the potential to be a low magnitude force when the surface is horizontal.

5.4 Lifting force

The lifting force, F , is the force which is necessary to counteract the machine mass. (See Figure 4.)

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
5.5 Gripping force

The gripping force, F , is half the sum of the force components acting towards an axis inside the handle

without push, pull or lifting forces. Simplified, the gripping force is the clamp-like force exerted by the

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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)

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

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.
5.6 Feed force
The feed force, F , is the external force acting on the machine. (See Figure 6.)
6 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Figure 6 — Example of feed force, 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),

f pu1 pu2
the feed force, F , is equal to the push force, F .
f pu
5.7 Contact forces

In general, the contact forces, F , are those forces which act between the hand and the vibrating surface.

They are the elemental forces integrated over the contact area (see 5.1.5). 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 5.9).

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 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, Formula (6):

gr pu
FF=+δγ F (6)
cgrpu

where δ and γ are proportionality coefficients and the gripping force F is that in the forearm-based

Z axis shown 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.
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
Figure 7 — Example of contact forces, F
5.8 Coupling force

The compressive coupling force, F , is the sum of the gripping force and the push/pull force as given

coup
by Formula (7):
FF=+ F (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.
5.9 Torque and friction force

This document 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.
8 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)
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/FDIS 15230-1:2021(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

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 (x , y , and z ). It can be directly measured using instrumented handles or gloves, or flexible

h h h

transducers 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 Formula (A.1) or

(A.2), as appropriate:
FM()ωω≈⋅() a()ω (A.1)
BD iJ i i
J J
FZ()ωω≈ () ⋅a()ωω/ (A.2)
BD i i i i
J J J
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.

The r.m.s. value of the biodynamic force in each direction can thus be estimated using its corresponding

component at each frequency using Formula (A.3):
FF= ω (A.3)
BD,BJ D i
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

(≤40 Hz) than those that produce high frequencies (≥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 the forearm direction) is generally the highest among those in the three orthogonal axes, the

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ISO/FDIS 15230-1:2021(E)

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 force components distributed at these two

parts of the hand are comparable.
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ISO/FDIS 15230-1:2021(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 Formula (B.1) (see Figure B.1):
FF== Fpcoscαα=⋅S os (B.1)
pu pu,,i c ii ii i
∑∑ ∑
i i i

When the feed force is not in the direction of the push or pull force, it can be useful to calculate also

the resultant forces in this direction. In this case, the following definition of real push force, F should

be used:
ˆ ˆ
Fp=⋅ Si cosαα+ j sin
RP ii i i
ˆ ˆ
where i and j are the coordinate axis definitions for the vector.

NOTE F is a vector quantity which can be measured in the plane orthogonal to the handle axis and would

provide 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/FDIS 15230-1:2021(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 Formula (B.2):
 
Fp =− F  (B.2)
grα ∑ ix,,pu x
 
 
where
x is the projected direction;
...

PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 15230-1
ISO/TC 108/SC 4
Vibrations et chocs mécaniques —
Secrétariat: DIN
Forces de couplage à l’interface
Début de vote:
2021-04-28 homme-machine en cas de vibrations
transmises par les mains —
Vote clos le:
2021-06-23
Partie 1:
Mesurage et évaluation
Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-
machine interface for hand-transmitted vibration —
Part 1: Measurement and evaluation
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 15230-1:2021(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
TION NATIONALE. ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/FDIS 15230-1:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021

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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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CH-1214 Vernier, Genève
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Publié en Suisse
ii © ISO 2021 – Tous droits réservés
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Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 1

4.1 Symboles ...................................................................................................................................................................................................... 1

4.2 Indices ............................................................................................................................................................................................................ 2

5 Paramètres à l’interface homme-machine ................................................................................................................................ 2

5.1 Pression exercée sur la peau ....................................................................................................................................................... 2

5.1.1 Élément d’aire de la surface ................................................................................................................................... 2

5.1.2 Pression locale ................................................................................................................................................................... 3

5.1.3 Pression moyenne .................. .................................................... ..................................................................................... 3

5.1.4 Pression locale maximale ......................................................................................................................................... 3

5.1.5 Force de contact sur l’élément d’aire de surface .................................................................................. 3

5.2 Force de poussée ou de traction .............................................................................................................................................. 4

5.3 Force de guidage .................................................................................................................................................................................... 4

5.4 Force de levage ........................................................................................................................................................................................ 5

5.5 Force de préhension ........................................................................................................................................................................... 6

5.6 Force d’avance ......................................................................................................................................................................................... 6

5.7 Forces de contact ................................................................................................................................................................................... 7

5.8 Force de couplage ................................................................................................................................................................................. 8

5.9 Couple et force de frottement .................................................................................................................................................... 8

Annexe A (informative) Effets biodynamiques sur les forces de contact de la machine .............................10

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 ......................................................................................................................12

Annexe C (informative) Mode opératoire de mesurage et traitement des résultats de mesure .........15

Annexe D (informative) Paramètres recommandés pour les appareils de mesure..........................................19

Annexe E (informative) Étalonnage et méthode de référence ................................................................................................23

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................26

© ISO 2021 – Tous droits réservés iii
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ISO/FDIS 15230-1:2021(F)
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 (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée 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. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.

Le présent document a été élaboré 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.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 15230:2007), dont elle constitue

une révision mineure. Les modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:

— le numéro de document est désormais ISO 15230-1;

— l’Introduction a été modifiée pour expliquer la publication de l’ISO 15230 sous la forme d’une

série de normes constituée de deux parties: l’ISO 15230-1 (l’ancienne ISO 15230) et le nouveau

ISO/TR 15230-2.

Une liste de toutes les parties de la série ISO 15230 se trouve sur le site web de l’ISO.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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ISO/FDIS 15230-1:2021(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, le présent document 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 du présent

document. 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:

a) 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;

b) 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.

Le présent document peut favoriser la prise en compte des données de couplage dans le cadre des études

épidémiologiques ou des recherches en laboratoire. Il est prévu qu’à l’avenir, des mesurages des forces

de couplage soient réalisés en complément des mesurages sur le lieu de travail afin de déterminer et

d’évaluer l’exposition des individus aux vibrations et chocs mécaniques.
L’ISO 15230 est constituée de deux parties:

— l’ISO 15230-1, Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage à l’interface homme-machine en

cas de vibrations transmises par les mains — Partie 1: Mesurage et évaluation, qui a le statut d’une

norme ISO et définit des paramètres de mesure et des méthodes d’évaluation;

— l’ISO/TR 15230-2, Mechanical vibration and shock — Coupling forces at the man-machine interface

for hand-transmitted vibration — Part 2: Guidelines for the evaluation of coupling forces (disponible

en anglais seulement), qui est un rapport technique principalement destiné aux chercheurs.

L’ISO/TR 15230-2 étudie la relation entre l’amplitude de la force de couplage et le transfert

de l’énergie vibratoire préjudiciable au système main-bras. Cette partie fournit une méthode

permettant d’ajuster les évaluations des expositions aux vibrations main-bras en fonction de la

force de couplage mesurée.
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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 15230-1:2021(F)
Vibrations et chocs mécaniques — Forces de couplage
à l’interface homme-machine en cas de vibrations
transmises par les mains —
Partie 1:
Mesurage et évaluation
1 Domaine d’application

Le présent document 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 A, B, C, D et E 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.

Le présent document ne traite pas des forces qui s’exercent tangentiellement à la main.

2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ .
4 Symboles et abréviations
4.1 Symboles
F force
i nombre entier pour la sommation
n nombre total d’éléments à additionner
p pression locale sur l’élément de surface i
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S surface
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 proportionnalité pour la force de préhension
γ coefficient de proportionnalité pour la force de poussée
4.2 Indices
BD force biodynamique
c contact
coup couplage
f avance
g guidage
gr préhension
l levage
m moyenne
max maximum
n normal
pu poussée ou traction
x, y, z coordonnées cartésiennes
5 Paramètres à l’interface homme-machine
5.1 Pression exercée sur la peau
5.1.1 Élément d’aire de la surface
L’élément d’aire de la surface, S , est obtenu à l’aide de la Formule (1):
SS=⋅S (1)
ii n,i

le vecteur unitaire, S , étant perpendiculaire à l’élément d’aire. (Voir Figure 1.)

n,i
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Figure 1 — Direction de l’élément d’aire, S
5.1.2 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 5.1.5), appliquée

c,i

au centre de l’élément de surface et l’aire de cette surface, comme montré par la Formule (2):

c,i
p = (2)

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

2 2

généralement comprise entre 0 N/mm et 0,8 N/mm . Les valeurs de pression supérieures peuvent entraîner une

sensation de douleur.
5.1.3 Pression moyenne

La pression moyenne, p , exercée sur la surface de la main en contact avec la machine ou une partie de

la machine est calculée à l’aide de la Formule (3):
pS⋅
i=1
p = (3)
i=1
5.1.4 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 la Formule (4):
pp=max{} (4)
max i
5.1.5 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 la Formule (5):

c,i
Fp=⋅S (5)
c,ii i
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p est la pression exercée sur le i élément d’aire;
S est l’aire de la surface élémentaire de la peau de la main.
La direction de F est perpendiculaire à la surface vibrante.
c,i
5.2 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

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 mains. (Voir Figure 2.)
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 .

NOTE 2 La force de poussée, F , peut être une force très importante, comme dans le cas d’une perceuse, et

doit toujours être prise en compte.
5.3 Force de guidage

La force de guidage, F , est la force exercée par l’opérateur sur la surface vibrante par l’intermédiaire

d’une 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.)
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Figure 3 — Exemple de force de guidage, F , avec indication d’une force de poussée, F

g pu

NOTE La force de guidage, F , peut être de faible amplitude lorsque la surface est horizontale.

5.4 Force de levage

La force de levage, F , est la force nécessaire pour compenser la masse de la machine (voir Figure 4).

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

l pu
[voir Figure 4 a)].
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5.5 Force de préhension

La force de préhension, F , est égale à la moitié de la somme des composantes de force s’exerçant

dans la 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).
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 se situe le long de l’avant-bras.
Figure 5 — Exemple de force de préhension, F , comme force de serrage

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.

5.6 Force d’avance

La force d’avance, F , est la force externe exercée sur la machine (voir Figure 6).

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ISO/FDIS 15230-1:2021(F)
Figure 6 — Exemple de force d’avance, F

NOTE À la Figure 6, la force d’avance, F , est égale à la somme des forces de poussée, F et F . À la

f pu1 pu2
Figure 2 a), la force d’avance, F , est égale à la force de poussée, F .
f pu
5.7 Forces de contact

D’une manière générale, les forces de contact, F , sont les forces qui s’exercent entre la main et la surface

vibrante. Ce sont les forces élémentaires intégrées sur la surface de contact (voir 5.1.5). 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 5.9). 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

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, Formule (6):

gr pu
FF=+δγ F (6)
cgrpu

où δ et γ sont des coefficients de proportionnalité et où la force de préhension, F , est celle de l’axe z

de 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.
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Figure 7 — Exemple de forces de contact, F
5.8 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 la Formule (7):
FF=+ F (7)
coup gr pu

NOTE 1 Dans la présente Norme internationale, la force de couplage du système main-bras par rapport à la

machine ou au levier de commande est exprimée sous une forme simplifiée selon 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.
5.9 Couple et force de frottement

Le présent document 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 sont donnés pour expliquer ces forces.

Un moment ou un couple tels que représentés aux Figures 8 a) et 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.
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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 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 orthogonales (x , y et z ). Elle peut être directement mesurée à l’aide de gants ou de

h h h

poignées comportant 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’amplitude

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 Formules (A.1) et (A.2),

selon le cas:
FM()ωω≈⋅() a()ω (A.1)
BD iJ i i
J J
FZωω≈ ⋅a ωω/ (A.2)
() () ()
BD i i i i
J J J

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 composante spectrale.

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 la Formule (A.3):
FF= ω (A.3)
BD,BJ D 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 (≤40 Hz) qu’avec une machine qui génère des fréquences élevées (≥100 Hz).

La force biodynamique en basse fréquence peut être comparable aux forces appliquées sur certaines

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machines. La masse apparente dans la direction, z (dans l’axe de l’avant-bras), est généralement la plus

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. L
...

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