DEVELOPMENT OF A VIRTUAL HUMAN HAND MODEL FOR ERGONOMIC PRODUCT DESIGN

Velik del ročnih opravil je še vedno opravljen s pomočjo ročnih orodij. Pravilna zasnova ročaja orodja je tako lahko ključnega pomena za preprečevanje obolenj. Obstoječe metode načrtovanja upoštevajo valjaste ročaje in podajajo smernice za določitev optimalnih premerov za povečanje zmogljivosti in zviševanje udobja ob zmanjševanju možnosti za nastanek akutnih in kumulativnih travmatičnih obolenj. Oblika ročaja in materiali ročaja doslej niso bili podrobneje raziskani, kar bi imelo vpliv na izboljšanje ergonomije izdelka. Za premostitev omejitev glede določitve oblike ročaja, smo razvili anatomsko natančen statični virtualni model človeške roke v optimalnem krepkem oprijemu za neposredno oblikovanje ročaja orodja, ki temelji na interdisciplinarnem pristopu na osnovi medicinskega slikanja. Da bi odpravili omejitve glede pravilne določitve materiala ročaja orodja, smo uporabili metodo končnih elementov za simulacijo človeškega prsta ob oprijemu ročaja iz različnih materialov. Rezultati so pokazali, da ročaj orodja, ki temelji na razvitem virtualnem modelu človeške roke, zagotavlja bistveno večjo kontaktno površino in udobje v primerjavi s cilindričnim ročajem. Z večjo kontaktno površino in anatomsko obliko ročaja je mogoče preprečiti prekomerne deformacije mehkega tkiva in s tem prekomerne obremenitve na roko. Numerični izračuni so pokazali, da običajni materiali ročajev orodij ne zmanjšujejo kontaktnega tlaka ob oprijemu, predlagane hiper-elastične pene, ki upoštevajo nelinearno mehansko obnašanje mehkega tkiva pa lahko znatno zmanjšajo kontaktni tlak in hkrati ohranijo zadostno stopnjo stabilnosti. Rezultati tako potrjujejo domnevo, da lahko pravilna oblika in material ročaja orodja povečata učinkovitost in udobje in s tem zmanjšata tveganje za nastanek akutnih in kumulativnih travmatičnih obolenj.A significant part of manual work is still done using hand-tools. Therefore, an ergonomic design of a tool-handle might be crucial for preventing upper-extremity musculoskeletal disorders. Current design methods consider cylindrical handles and provide guidelines for determining optimal diameters to increase performance, comfort and thus minimizing the risk of acute and cumulative traumatic disorders. However, the shape of the handle and the handle’s materials have not been investigated in detail yet, which could additionally improve the handles’ ergonomics. In order to overcome the limitations of correct shape determination, we have developed an anatomically accurate static virtual human-hand model in its optimal power grasp posture for direct tool-handle modelling based on interdisciplinary methods using medical imaging. To overcome the limitations regarding the correct tool-handle material determination, we have utilized a finite-element method for simulating human fingertip whilst grasping different tool-handle materials. The results have shown that the tool-handle based on the developed virtual human-hand model provides significantly higher contact area and comfort rating compared to the cylindrical handles. With higher contact area and anatomical shape of the handle, extensive deformation of the soft tissue can be avoided, thus preventing excessive load on the hand. Numerical tests have shown that conventional tool-handle materials do not lower the contact pressure. The proposed hyper-elastic foam materials, which take into account the non-linear mechanical behavior of fingertip, can lower the contact pressure significantly whilst maintaining sufficient rate of stability. Results thus support the thesis that correct shape and material determination of a tool-handle can increase the performance and comfort and thus lower the risk of acute and cumulative trauma disorders