Étude et conception de la commande de mannequins virtuels dynamiques pour l'évaluation ergonomique des postes de travail

Dynamic digital human model control design for the assessment of the workstation ergonomy

• Auteur / Autrice : Giovanni De Magistris
• Direction : Alain Micaelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ergonomie

Biomécanique

Réalité virtuelle

Résumé

Cette thèse est centrée sur l'évaluation des facteurs de risque biomécanique des postes de travail dès les premières phases de conception. Les mannequins numériques actuellement proposés dans des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) reposent principalement sur des caractéristiques moyennes et des modèles statiques, qui peuvent dans certains cas induire une sous-estimation des contraintes subies par l'opérateur. Un objectif ambitieux consiste à développer un modèle d'humain virtuel dynamique capable de calculer automatiquement, à partir d'une description simple de la tâche, des mouvements réalistes en ce qui concerne les positions, vitesses, accélérations et couples appliqués, ceci afin d'effectuer une évaluation ergonomique fiable d'une situation de travail. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé un mannequin numérique dynamique contrôlé en force et en accélération, inspiré par le contrôle moteur humain. Notre contrôleur effectue plusieurs tâches simultanément et en temps réel. Les algorithmes de contrôle sont basés sur la capacité humaine à s’adapter et interagir avec des environnements différents en réglant la force et l'impédance. Le contrôleur combine un problème d'optimisation multi-objectifs avec un modèle de l'apprentissage humain (l'homme apprendrait de nouvelles dynamiques grâce à la minimisation de l'instabilité, de l'erreur et de l'effort). L'intérêt de la méthode de contrôle proposée a été mis en évidence grâce à différentes simulations. La validation de notre modèle est basée sur la comparaison des données biomécaniques mesurées expérimentalement avec celles calculées avec notre modèle dynamique de mannequin.

The present thesis is focused on the evaluation of the biomechanical risk factors of a work-station or work-situation at the design stage. Digital human models (DHM) currently available in computer-aided design (CAD) software present average characteristics and rely on static models, which induce in certain cases an underestimation of the operator's constraints. An ambitious objective consists in developing a virtual human able to automatically calculate, from a simple description of the task, realistic motion in terms of position, speed, acceleration and applied couples, in order to obtain reliable ergonomic evaluation of a workstation. To reach this objective, we have developed a dynamic digital human model controlled by force and acceleration, inspired by human motor control. Our controller executes several tasks simultaneously in real time. Control algorithms are based upon the human ability to adapt and interact with different environments by adjusting force and impedance. The controller combines a multi-objective optimization problem with a human learning model (humans would learn new dynamics because of a minimization of instability, error and effort). The interest of this method has been underlined through different simulations. This validation is based upon comparison of experimentally-measured biomechanical data with those from our dynamic digital human model simulations.