Development of tools and systems for the protection of workers from foot-transmitted whole-body vibration

Several workers are exposed to mechanical vibration and the harmful effect of the exposure is well documented in literature. The induced vibrations to the extremities of the limbs may cause neurovascular problems, namely, Raynaud syndrome, even resulting in disabilities. These problems have been linked to higher frequencies than the ones affecting the human body as a whole. Therefore, the first part of this dissertation describes the mechanical design and development of the actuators system able to generate the triaxial vibration needed to characterize the response of the standing human subject from 1 to 80 Hz. The machine is based on the architecture of the linear delta robot with vertical actuators. Once the machine was optimized for the defining dimensions, the appropriate actuators were selected, and custom components were drawn to be produced. The tests done on the machine after its realization confirm that it can generate pseudo-random noise up to 80 Hz across the three mutually perpendicular spatial axes simultaneously. The average root-mean squared error between the modulus of the spectrum of generated signal and the signal measured directly on the platform is 6,9 mm/s2 across the three axes, and it is 5,5 mm/s2 when a person is standing on the platform, i.e. lower than 1% of the imposed acceleration. A generalized mathematic method to directly link the design parameters of a linear delta robot with its kinematic performances was developed. The second part of this dissertation describes the development of a planar lumped parameters mechanical model of the foot-ankle system. Given that the data regarding the response of the human foot to multiaxial vibration are not available yet, the model was validated with the objective of reproducing the transmissibility of vertical vibration from the ground to five different positions on the foot. The model also reproduced the apparent mass of a standing person subjected to vertical whole-body vibrations. Results evidenced that the model reproduces the transmissibility with errors that are small in comparison with the inter- and intra-subject variability.

Diversi lavoratori sono esposti a vibrazioni meccaniche e l'effetto dannoso dell'esposizione è ben documentato in letteratura. Le vibrazioni indotte alle estremità degli arti possono causare problemi neurovascolari, in particolare la sindrome di Raynaud, risultando in alcuni casi and in disabilità permanenti. Questi problemi sono stati collegati a frequenze più elevate rispetto a quelle che interessano il corpo umano nel suo complesso. Pertanto, la prima parte di questa tesi descrive la progettazione meccanica e lo sviluppo del sistema di attuatori in grado di generare la vibrazione triassiale necessaria per caratterizzare la risposta del soggetto umano in posizione eretta nel campo di frequenze da 1 a 80 Hz. La macchina si basa sull'architettura del robot Delta lineare con attuatori verticali. Dopo aver ottimizzato le dimensioni della macchina, sono stati selezionati gli attuatori appropriati e sono stati disegnati i componenti da produrre. I test effettuati sulla macchina dopo la sua realizzazione confermano che essa può generare un rumore pseudo-random con componenti in frequenza fino ad 80 Hz, simultaneamente lungo i tre assi spaziali reciprocamente perpendicolari. L'errore quadratico medio tra il modulo dello spettro del segnale generato e il segnale misurato direttamente sulla piattaforma è di 6,9 mm/s2 lungo i tre assi, ed è di 5,5 mm/s2 quando una persona è in piedi sulla piattaforma, cioè inferiore all'1% dell'accelerazione imposta. È stato inoltre sviluppato un metodo matematico generalizzato per collegare direttamente i parametri di progettazione di questo tipo di robot con le sue prestazioni cinematiche. La seconda parte di questa dissertazione descrive lo sviluppo di un modello meccanico a parametri concentrati del sistema piede-caviglia. Dato che i dati relativi alla risposta del piede umano alla vibrazione multiassiale non sono ancora disponibili, il modello è stato validato con l'obiettivo di riprodurre la trasmissibilità della vibrazione verticale da terra a cinque diverse punti del piede. Il modello riproduce inoltre anche la massa apparente di una persona in piedi sottoposta a vibrazioni verticali del corpo intero. I risultati hanno evidenziato che il modello riproduce la trasmissibilità con errori che sono piccoli rispetto alla variabilità inter e intra soggetto.