Simulation de la variabilité du mouvement induite par la fatigue musculaire pour la conception ergonomique de postes de travail

Simulation of movement variability induced by muscle fatigue for ergonomic workstations design

• Auteur / Autrice : Jonathan Savin
• Direction : Philippe Bidaud, Jacques Marsot, Vincent Padois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche et de sécurité (France)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Roby-Brami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Charland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Chèze, Philippe Fraisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Robots -- Mouvements

Ergonomie

Muscles -- Fatigue

Prévention

Troubles musculo-squelettiques

Mots clés libres

Variabilité du mouvement

Humain virtuel

Fatigue musculaire

Ergonomie

Conception de poste de travail

Prévention des risques professionnels

Movement variability

Digital human model

Muscle fatigue

Ergonomics

Worstation design

Occupational risks prevention

Résumé

Tout mouvement humain présente une variabilité inter- et intra-individuelle. Cette variabilité du mouvement (VM) concerne les trajectoires, les coordinations, les forces motrices et les activations musculaires. Pourtant, à ce jour, la VM est quasiment ignorée en conception de postes de travail et il n’existe pas d’outil permettant de la simuler. L’objectif de ces travaux a donc été de développer unhumain virtuel (HV) permettant de simuler les effets d’une source de VM (la fatigue musculaire) sur une tâche de référence (mouvement répétitif de pointage). Un contrôleur d’HV a été développé. Basé sur le modèle de fatigue de Xia et Frey-Law, il implémente des commandes conçues pour simuler certains effets de la fatigue (limitation des efforts, transfert de l’activité motrice, réduction des performances de suivi de trajectoire). L’actionnement de l’HV est calculé par optimisation quadratique à l’aide d’un moteur physiquede simulation dynamique. Des données de mouvement ont été analysées pour identifier la VM induite par la fatigue lors de l’activité de pointage, et valider les commandes d’HV proposées. Une campagne de mesures a été menée en laboratoire. Une analyse en composantes principales (ACP) des données cinématiques a permis d’identifier les degrés de liberté impliqués dans la VM et détecter les transitions d’adaptation du mouvement à la fatigue. Le démonstrateur d’HV restitue certaines caractéristiques de la VM observée.Des améliorations de l’HV sont proposées, mais celui-ci permet déjà de sensibiliser les concepteurs à l’intégration de la VM dans la démarche de prévention dès les premières phases de conception de postes de travail.

Every human movement presents an inter- and intra-individual variability. This variability of movement (MV) affects trajectories, coordinations, motor forces as well as muscular activations. However, to date, MV is almost ignored in the workstations design and there is no means to simulate it. The objective of this work was therefore to develop a virtual human (VH) to simulate the effects of one source of VM (muscle fatigue) on a reference task (a repetitive pointing task). A VH controller has been developed. Based on Xia and Frey-Law muscle fatigue model by, it implements controls designed to simulate some effects of muscle fatigue (exertion limitation, transfer of motor activity, reduction of trajectory tracking performance). The actuation of the VH is calculated by quadratic optimization using a dynamic simulation physics engine. Movement data was analyzed to identify fatigue-induced MV during the pointing activity, and to validate the proposed VH controls. An laboratory experiment has been carried out. Principal component analysis (PCA) of kinematic data identified the degrees of freedom involved in the VM and detected transitions of movement patterns with fatigue. This VH demonstrator simulates some characteristics of the MV observed. Improvements of the HV are proposed, however it can already be used to make designers more aware of effects of the VM in occupational risks prevention from the first steps of workstations design.