Modelling the dynamic behaviour of 3D shakers for testing the human response to vibration

The identification of the response of the human body to multiaxial vibration is of great interest for a deeper understanding of the mechanisms that lead to lower back and the spinal system injuries. For the current purposes, this work presents a comparative analysis between the dynamic behavior of different configurations of a 3D shaker that can be used for the study of human response to whole-body vibration. We present the designed robots that are based on the linear delta kinematics and compare two main configurations; three-link and six-link deltas. The shaker should have a range of displacement of 6 cm in the vertical direction and 4 cm in the two horizontal axes and should ensure a bandwidth of 20 Hz. The dynamic performances of the two configurations were studied varying different parameters, for example: symmetric and asymmetric configurations for the three-link configuration, as well as the effect of the mass of the platform and of the spacing between the links in the six-link configuration. The 3-link configuration, suitable low-frequency applications such as the ones used to study motion sickness, have the first natural frequency close to 10.6 Hz. The 6-link configuration allow obtaining a frequency pass-band of 50 Hz. The design of the mechanical components of the machine and the Finite Element analyses performed to ensure these frequency pass-bands are therefore discussed in detail. Finally, experimental modal analysis test is done on the 3-link shaker to validate the vibration modes obtained using the finite element model, where the modes of vibration predicted by the FEM model were evidenced in the experimental results

L'identificazione della risposta del corpo umano alla vibrazione multiassiale è di grande interesse per una più profonda comprensione dei meccanismi che portano alla parte bassa della schiena e alle lesioni del sistema spinale. Ai fini attuali, questo lavoro presenta un'analisi comparativa tra il comportamento dinamico di diverse configurazioni di un agitatore 3D che può essere utilizzato per lo studio della risposta umana alla vibrazione di tutto il corpo. Presentiamo i robot progettati che si basano sulla cinematica delta lineare e confrontano due configurazioni principali; delta a tre e sei collegamenti. Lo shaker dovrebbe avere un intervallo di spostamento di 6 cm nella direzione verticale e 4 cm nei due assi orizzontali e dovrebbe garantire una larghezza di banda di 20 Hz. Le prestazioni dinamiche delle due configurazioni sono state studiate variando diversi parametri, ad esempio: configurazioni simmetriche e asimmetriche per la configurazione a tre collegamenti, nonché l'effetto della massa della piattaforma e della spaziatura tra i collegamenti nel sei-link configurazione. La configurazione a 3-link, applicazioni a bassa frequenza adatte come quelle utilizzate per studiare la cinetosi, hanno la prima frequenza naturale vicina a 10,6 Hz. La configurazione a 6 collegamenti consente di ottenere una banda passante di frequenza di 50 Hz. La progettazione dei componenti meccanici della macchina e le analisi degli elementi finiti eseguite per garantire queste bande passate di frequenza sono quindi discusse in dettaglio. Infine, il test di analisi modale sperimentale viene eseguito sullo shaker 3-link per convalidare le modalità di vibrazione ottenute utilizzando il modello ad elementi finiti, in cui i modi di vibrazione previsti dal modello FEM sono stati evidenziati nei risultati sperimentali