In this thesis we analyse the nonlinearitis in the biodynamic response of hand-arm system to the single-axis vibration. The Frequency Response Function (FRF) is commonly expressed in terms of mechanical impedance, which is the ratio between the spectrum of the force and that of the velocity. The mechanical impedance is typically measured by imposing the vibration to an instrumented handle and by measuring the reaction forces of the hand-arm system. To date, the FRF linear estimators have always been used to analyse the hand-arm vibration response, although the behaviour exhibited nonlinearities with respect to the vibration amplitude. The stimulus is usually a band-limited white noise or a sine sweep. Given the increasing number of tools with severe transient vibration, we have verified the response to transient stimuli (shocks) and we have compared the response to that measured in presence of Gaussian noise of the same RMS amplitude. The response was analysed using the conditioned response technique, i.e. by modelling a nonlinear system as the parallel of linear systems with nonlinear inputs. The algorithms were validated on data acquired in a previous experimental session. The comparison between the responses to shock and stationary stimuli was performed by analysing the zh impedance. Results evidenced that the nonlinearities are generally small in comparison with the inter- and intra-subject variability.

Nel presente lavoro di tesi vengono analizzate le nonlinearità della Risposta biomeccanica del sistema mano-braccio a vibrazioni monoassiali. La funzione di trasferimento, in questo campo, è solitamente espressa in termini di impedenza meccanica, ossia dal rapporto tra forza e velocità della vibrazione. L’impedenza viene solitamente misurata imponendo la vibrazione a una maniglia strumentata e misurando le reazioni date dall’arto umano. Fino a oggi la funzione di trasferimento è stata sempre valutata tramite gli stimatori lineari, sebbene in alcuni casi siano state evidenziate nonlinearità nella risposta. Lo stimolo è solitamente rumore bianco limitato in banda o sweep sinusoidale. Dato l’aumento di utensili con vibrazioni transitorie impulsive (martelli sparachiodi o similari) abbiamo verificato la risposta del sistema mano braccio in presenza di sollecitazioni impulsive. La risposta è stata analizzata utilizzando le tecniche della risposta condizionata, che vengono utilizzate nell’analisi di sistemi non lineari. Gli algoritmi di analisi dati sono stati implementati in Matlab e dapprima verificati su dati esistenti. In una fase successiva sono stati effettuati test per valutare la differenza dell’impedenza in direzione z utilizzando stimoli stazionari (rumore bianco) e transitori (shock). I risultati hanno mostrato che le differenze tra le curve di impedenza sono generalmente trascurabili rispetto alla variabilità tipica del parametro tra soggetti diversi.

Nonlinearities in the biodynamic response of the hand-arm system to single-axis vibration

XIE, LAN
2014/2015

Abstract

In this thesis we analyse the nonlinearitis in the biodynamic response of hand-arm system to the single-axis vibration. The Frequency Response Function (FRF) is commonly expressed in terms of mechanical impedance, which is the ratio between the spectrum of the force and that of the velocity. The mechanical impedance is typically measured by imposing the vibration to an instrumented handle and by measuring the reaction forces of the hand-arm system. To date, the FRF linear estimators have always been used to analyse the hand-arm vibration response, although the behaviour exhibited nonlinearities with respect to the vibration amplitude. The stimulus is usually a band-limited white noise or a sine sweep. Given the increasing number of tools with severe transient vibration, we have verified the response to transient stimuli (shocks) and we have compared the response to that measured in presence of Gaussian noise of the same RMS amplitude. The response was analysed using the conditioned response technique, i.e. by modelling a nonlinear system as the parallel of linear systems with nonlinear inputs. The algorithms were validated on data acquired in a previous experimental session. The comparison between the responses to shock and stationary stimuli was performed by analysing the zh impedance. Results evidenced that the nonlinearities are generally small in comparison with the inter- and intra-subject variability.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2015
2014/2015
Nel presente lavoro di tesi vengono analizzate le nonlinearità della Risposta biomeccanica del sistema mano-braccio a vibrazioni monoassiali. La funzione di trasferimento, in questo campo, è solitamente espressa in termini di impedenza meccanica, ossia dal rapporto tra forza e velocità della vibrazione. L’impedenza viene solitamente misurata imponendo la vibrazione a una maniglia strumentata e misurando le reazioni date dall’arto umano. Fino a oggi la funzione di trasferimento è stata sempre valutata tramite gli stimatori lineari, sebbene in alcuni casi siano state evidenziate nonlinearità nella risposta. Lo stimolo è solitamente rumore bianco limitato in banda o sweep sinusoidale. Dato l’aumento di utensili con vibrazioni transitorie impulsive (martelli sparachiodi o similari) abbiamo verificato la risposta del sistema mano braccio in presenza di sollecitazioni impulsive. La risposta è stata analizzata utilizzando le tecniche della risposta condizionata, che vengono utilizzate nell’analisi di sistemi non lineari. Gli algoritmi di analisi dati sono stati implementati in Matlab e dapprima verificati su dati esistenti. In una fase successiva sono stati effettuati test per valutare la differenza dell’impedenza in direzione z utilizzando stimoli stazionari (rumore bianco) e transitori (shock). I risultati hanno mostrato che le differenze tra le curve di impedenza sono generalmente trascurabili rispetto alla variabilità tipica del parametro tra soggetti diversi.
Tesi di laurea Magistrale
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