Modellierung und Simulation des Schwingungsverhaltens von Hand-Arm-Systemen für sechs Anregungsrichtungen im Kontext der nutzerzentrierten Produktentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sven Matthiesen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527244581

Der vorliegende Antrag ist als Fortsetzungsantrag des laufenden DFG-geförderten Forschungsprojekts Ermittlung des rotatorischen Schwingungsverhaltens von Hand-Arm Systemen im Kontext der nutzerzentrierten Produktentwicklung (Fördernummer: 408254169, nachfolgend DFG-Projekt 408254169 genannt) angelegt. Der Antrag fokussiert die Abbildung der Schwingungseigenschaften des menschlichen Hand-Arm-Systems, in Form der mechanischen Impedanz, durch virtuelle Modelle. Die im Stand der Forschung beschriebenen Hand-Arm-Modelle nach DIN 45677 und ISO 10068 beziehen sich ausschließlich auf translatorische Schwingungsanregungen. Für rotatorische Schwingungsanregungen existieren bisher keine entsprechenden Modelle. Ebenso ist es mit den bisherigen Hand-Arm-Modellen nicht möglich die Auswirkung unterschiedlicher Ankopplungskräfte auf die Impedanz abzubilden, da diese nur für einen bestimmten Kraftbereich ausgelegt sind. Diese beiden Lücken im Stand der Forschung sollen durch das beantragte Forschungsvorhaben geschlossen werden. Dementsprechend ist das Ziel des Forschungsvorhabens die bestehenden Hand-Arm-Modelle durch ein Modell für rotatorische Schwingungsanregungen zu erweitern und die Auswirkung der Ankopplungskräfte auf die Impedanz sowohl für die rotatorischen als auch für die translatorischen Modelle abzubilden. Zum Erreichen dieses Ziels wird in dem Forschungsvorhaben ein Gesamtmodell aus insgesamt sechs Einzelmodellen aufgebaut. Die Einzelmodelle basieren auf dem in der DIN 45677 beschriebenen Drei-Masse-Schwinger, aus welchem ein analoges rotatorisches Schwingungsmodel abgeleitet wird. Für die translatorische und rotatorische Schwingungsanregung ergibt sich hierbei pro Raumrichtung (x, y, z) jeweils ein Modell. Jedes dieser Einzelmodelle soll dazu in der Lage sein, die Impedanz in Abhängigkeit der Ankopplungskräfte im Bereich von 10-100 N zu simulieren. Die Steifigkeits-, Dämpfungs-, und Masseparameter der Einzelmodelle werden hierzu als Funktionale der Ankopplungskräfte ausgeführt. Die Bestimmung dieser Funktionale erfolgt durch numerische Interpolation von experimentell erhobenen Daten aus Probandenstudien. Die Ausgangsbasis hierfür bilden die im DFG-Projekt 408254169 bei verschiedenen Ankopplungskräfte ermittelten Impedanzkurven. Da für die numerische Interpolation der Funktionale eine umfangreiche Datenmenge erforderlich ist, werden in dem beantragten Projekt weitere Probandenstudien durchgeführt. Es entsteht somit ein Datenpool, welcher die Impedanzen mit den statischen Ankopplungskräften verknüpft und die weitere Optimierung der Steifigkeits-, Dämpfungs- und Massefunktionale durch numerische Interpolation ermöglicht. Abschließend wird das Simulationsmodell anhand von experimentellen Daten validiert. Für eine erfolgreiche Validierung wird hierbei angestrebt, dass die simulierte Impedanz in jeder Raumrichtung (x, y, z) und für jede Anregungsart (translatorisch, rotatorisch) innerhalb der Standartabweichung und experimentell bestimmten Impedanz liegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen