Entwicklung einer Versuchseinrichtung Druckalgometer für Forschungsvorhaben im Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstelle

Status:

abgeschlossen 07/2011

Zielsetzung:

Zur Beurteilung von zulässigen Belastungsgrenzen bei mechanischen Belastungen in der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist ein Schmerzschwellenkataster erforderlich. Einen wichtigen Anwendungsbereich stellen Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern dar, bei denen bestimmte Restrisiken für Kollisionsvorgänge vorhanden sind. Zur Ermittlung eines Schmerzschwellenkatasters des Menschen aufgrund mechanischer Exposition diverser Körperbereiche wird eine Versuchseinrichtung auf der Basis der Druckalgometrie entwickelt. Die Versuchseinrichtung muss eine flexible und äußerst variable Positionierung eines Probanden mit vollständiger Ruhigstellung einzelner Körperpunkte erlauben. Die mechanische Exposition wird mit einem vollautomatischen Druckalgometer auf den Körperpunkt aufgebracht. Zur Parametrisierung des Algometers, der Messabläufe und einer strukturierten Erfassung und Archivierung aller relevanten Daten ist geeignete Software zu erstellen. Bei der Schmerzschwellenbestimmung wird die Gesamtkraft und die Druckverteilung in der Kontaktfläche zwischen Stößel und Körperoberfläche gemessen.

Aktivitäten/Methoden:

Zur Erfassung der Schmerzschwellen von Probanden wurde eine großvolumige Einrichtung entwickelt, in der alle notwendigen Körperhaltungen mit Ruhigstellung der zu belastenden Körperpunkte eingenommen werden können. Zur genauen Aufbringung der Kraftbelastungen wurde ein Linearmotor mit speziellem Stößel eingesetzt. Mit der Versuchseinrichtung können Belastungsversuche mit Schmerzschwellen bis zu 500 N durchgeführt werden. Mit der Steuerung werden lineare Kraftanstiege im Bereich fünf bis 20 N/s während der Belastung ausgeregelt. Der Linearmotor ermöglicht über eine Schubachse einen Penetrationsweg am Körperpunkt von etwa 120 mm. Die Messgenauigkeit der Kraft beträgt +- 1 N, die des Weges +- 0,01 mm. Die Versuchseinrichtung wurde so entwickelt, dass die Einstellung/Positionierung der Körperstellen flexibel ist und die Belastung bis zur Schmerzschwelle mit festgelegtem Anstiegsverhalten aufgebracht werden kann. Bei den einzelnen Versuchen werden die Kraft und die Druckverteilung am Stößel bis zur Schmerzschwelle gemessen. Zur Steuerung, Messdatenerfassung, Überwachung der Sicherheit, Archivierung und Dokumentation wurde die entsprechende Software entwickelt.

Ergebnisse:

Es wurde eine Versuchseinrichtung zur Messung von Schmerzschwellen des Menschen entwickelt und für die Nutzung im Laborbetrieb gefertigt. Die Versuchseinrichtung umfasst eine großvolumige Aufnahmekammer für den Probanden, in der beliebige Körperpunkte positioniert und fixiert werden können. Zur Ruhigstellung wurden zwei Vakuummatratzen mit Pumpaggregat beschafft, die auf der hinteren Anlagefläche der Kammer fixiert und betrieben werden können. Zur Aufbringung der Belastung wurde ein vollautomatisches Druckalgometer entwickelt, mit dem linearisiert ausgeregelte Kraftanstiege am Körperpunkt bis 500 N generiert werden können. Bei Erreichen der Schmerzschwelle schaltet der Proband den Belastungsanstieg ab und das Druckalgometer reversiert schnell in eine sichere Grundposition. Bei der Belastung wird das Kraft-Weg-Zeit-Signal aufgezeichnet und kann anschließend ausgewertet werden. Weiterhin wurde eine Sicherheitseinrichtung entwickelt, die den gesamten Betrieb des Druckalgometers auf der Basis einer vom Anwender einzustellenden Grenzkraft, die am Probanden nicht überschritten werden darf, sicher überwacht. Es wurde ein Bedienpult mit PC-Station entwickelt und gefertigt, in das alle Steuer-, Mess- und Sicherheitsgeräte integriert sind. Zur Durchführung der einzelnen Schmerzschwellenmessungen wurde ein Versuchsleitprogramm entwickelt, mit dem ein systematisches kontrolliertes Abarbeiten der umfangreichen Einstell-, Steuer- und Messschritte erfolgt und die Messdaten automatisch abgespeichert und archiviert werden. Mit der Versuchseinrichtung ist das systematische Messen von Schmerzschwellen bei sehr hoher Reproduzierbarkeit des Messvorganges gegeben. Die Anwendung der Versuchseinrichtung in einem darauf aufbauenden zukünftigen DGUV-Forschungsvorhaben gestattet damit die Erstellung eines umfangreichen Schmerzschwellenkatasters zur Validierung der Belastungsgrenzwerte in den UVT/IFA-Empfehlungen zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern oder weiterführende Beurteilungen mit biomechanischen Fragestellungen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle. Für die Versuchseinrichtung wird eine Konformitätserklärung zur Übereinstimmung mit den sicherheitstechnischen Anforderungen der Maschinenrichtlinie erstellt und das CE-Zeichen vergeben.

Stand: