Etude multimodale pour la modélisation de la performance motrice humaine et de la santé dans une activité collaborative humain-robot

A multimodal study for modelling human motor performance and health in a Human – Robotics collaborative activity

• Auteur / Autrice : Kévin Bouillet
• Direction : Gérome Gauchard, Sophie Lemonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Développement, adaptation et handicap - Régulations cardio-respiratoires et de la motricité (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Iung
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Lemonnier, Frédérique Hintzy-Cloutier, William Bertucci, Liên Wioland, Alain Belli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Hintzy-Cloutier, William Bertucci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prévention

Troubles musculo-squelettiques

Interaction humain-machine

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Interface humain-Machine

Performance et prévention des troubles musculosquelettiques

Facteurs biomécaniques et psychologiques

Cobotique

Human-Machine interface

Performance and injuries and musculoskeletal disorders prevention

Biomechanical and psychological factors

Cobotic

Résumé

Dans la transition vers l’Industrie 4.0, les cobots sont des robots conçus pour travailler dans le même environnement que des opérateurs humains. Ainsi, l’introduction de cobots change l’environnement de travail de l’opérateur et va nécessairement modifier le rapport entre l’opérateur et sa tâche. Ces modifications interrogent les répercussions sur la santé des opérateurs, et notamment en termes de troubles musculosquelettiques. Pour autant, ce n’est que dernièrement que certains auteurs se sont intéressés à ces répercussions, mais uniquement pour la transition d’une tâche individuelle à une tâche collaborative, avec des améliorations ergonomiques effectuées sur le poste de travail. Dans tous ces cas, l’introduction du cobot semble bénéfique pour la production et pour la santé des opérateurs. Cependant, il existe un manque dans la littérature sur l’influence de la présence du cobot dans un poste de travail collaboratif nouvellement hybride entre humain et cobot.Ainsi, l’objectif central de ce travail de thèse est d’évaluer les répercussions de l’introduction d’un cobot sur les performances de production et sur les facteurs humains. Dans une première étude, nous avons comparé un système humain (deux humains) et un système hybride (un humain et un cobot) réalisant une même situation de travail collaborative, en évaluant les performances de production, les interactions entre les deux travailleurs, la posture du travailleur humain ainsi que sa charge cognitive. Les résultats ont montré que le système hybride était moins performant que le système humain en raison d’une baisse d’interactions et une augmentation de la charge cognitive du travailleur humain. En revanche, la posture semblait moins à risque face au co-travailleur cobot que face au co-travailleur humain. Ces résultats ont posé la question des raisons de cette amélioration de la posture : était-elle liée à la cadence de production moins importante ou à la présence du cobot lui-même ? Ainsi, dans une seconde étude, nous avons analysé les répercussions des modifications de deux paramètres de la cadence (vitesse et meneur) sur les mêmes paramètres de performance et de facteurs humains que dans la première étude. Les résultats ont indiqué que le fait de mener la cadence ou de la suivre ne semblait pas influencer les paramètres de performance et de santé lorsque la cadence imposée correspondait aux capacités du travailleur humain. En revanche, la cadence à suivre devait être ajustée aux capacités du travailleur : si celle-ci était trop importante une dégradation de ces paramètres étaient observés, réduisant ainsi l’efficience de production en augmentant parallèlement les risques pour la santé du travailleur.Par conséquent, ce présent travail de thèse a permis d’observer certains bénéfices et inconvénients de l’introduction d’un cobot dans une situation de travail. Cependant, chaque situation de travail est différente : effectif, tâches, cadence, durée... Ainsi, avant d’introduire un cobot sur un poste de travail, il est nécessaire de faire une analyse fine de la situation de travail et de prendre en considération les modifications de la tâche (e.g., répartition des sous-tâches, cadence de production) et les capacités de l’opérateur dans le but d’au minimum maintenir les performances de production sans dégrader le capital santé de l’opérateur, et idéalement d’améliorer les deux.

In the transition to Industry 4.0, cobots are robots designed to work in the same environment as human operators. Thus, the introduction of cobots changes the work environment of the operator and inevitably modifies the relationship between the operator and their task. These modifications raise questions about the impact on the health of operators, particularly in terms of musculoskeletal disorders (MSDs). However, it is only recently that some authors have focused on these repercussions, but only for the transition from an individual task to a collaborative task, with ergonomic improvements made to the workstation. In all these cases, the introduction of cobots appears to be beneficial for both production and the health of operators. However, there is a lack of literature on the influence of cobot presence in a newly hybridized collaborative workplace between humans and cobots.In that respect, the central objective of this thesis work is to evaluate the repercussions of introducing a cobot on production performance and human factors. In a first study, we compared a human system (two humans) and a hybrid system (one human and one cobot) performing the same collaborative work situation, evaluating production performance, interactions between the two workers, the posture of the human worker, and their cognitive load. The results showed that the hybrid system was less efficient than the human system due to a decrease in interactions and an increase in the cognitive load on the human worker. However, the posture seemed to be less at risk when working with the cobot compared to working with another human. These results raised the question of the reasons behind this improvement in posture: was it related to the lower production pace or to the presence of the cobot itself? Thus, in a second study, we analyzed the repercussions of modifying two parameters of the production pace (speed and leader) on the same performance parameters and human factors as in the first study. The results indicated that leading the pace or following it did not seem to influence performance and health parameters when the imposed pace corresponded to the capabilities of the human worker. However, the pace to be followed should be adjusted to the worker's capabilities: if it was too high, a degradation of these parameters was observed, reducing production efficiency and increasing health risks for the worker.Therefore, this thesis work has allowed us to observe some benefits and drawbacks of introducing a cobot in a work situation. However, each work situation is different: workforce, tasks, pace, duration, etc. Thus, before introducing a cobot in a workstation, it is necessary to conduct a thorough analysis of the work situation and take into consideration task modifications (e.g., task allocation, production pace) and the capabilities of the operator in order to, at the very least, maintain production performance without compromising the operator's health, and ideally improve both aspects.