Dynamic Digital Human Model control design for the assessment of the workstation ergonomics
Étude et conception de la commande de mannequins virtuels dynamiques pour l'évaluation ergonomique des postes de travail
Résumé
The present thesis is focused on the evaluation of the biomechanical risk factors of a work-station or work-situation at the design stage. Generally, this evaluation is based upon experimental observations on comparable work stations or physical prototypes.
The processed data in this case are mainly obtained from questionnaires, video analysis and interviews. The collection of precise quantitative data about postures and eff orts requires complex and expensive technologies : electromyography, force sensors, motion capture system, etc. The use of those techniques can even hamper the execution of the analyzed task. An alternative solution consists in running simulations directly based on the future workstation digital design. Digital human models (DHM) with such features are currently available in computer-aided design (CAD) software.
However, those digital human models present average characteristics and rely on static models, which induce in certain cases an underestimation of the operator's constraints. Consequently, 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 di fferent environments by adjusting force and impedance. The controller combines a multi-objective optimization problem (managing balance and contacts, manipulation) with a human learning model (humans would learn new dynamics because of a minimization of instability, error and e ffort). The
interest of this method has been underlined through diff erent simulations.
This validation is based upon comparison of experimentally-measured biomechanical data with those from our dynamic digital human model simulations. For this purpose, an experimental task of inserts handling was adapted and carried out by researchers from the Biomechanics and Ergonomics Laboratory of the "Working Life" Department of the INRS. Eleven subjects handled ten inserts in two diff erent ways (bare-handed or using a tool), placing them on supports in front of them. We then simulated this task, parameterizing our digital human model according to the anthropometry of the eleven subjects. Trajectories and speed obtained through simulation, along with OCRA biomechanical evaluation, which assesses work-related musculoskeletal disorders risk during repetitive handling, are close to the results obtained through experiments. Furthermore, through a collaboration with a team from the Imperial College of London, we studied an insertion task in order to observe how humans realize it, and to what extent the applied force evolves through the repetitions of the task. The three degree of freedom planar robot of the Imperial College allowed us to study variation of impedance and insertion force upon data collected with six subjects who executed the protocol explained above.
Cette thèse est centrée sur l'évaluation des facteurs de risque biomécanique de postes de travail dès les premières phases de conception. Habituellement, ce type d'évaluation s'appuie sur la mise en situation d'opérateurs humains sur des postes de travail comparables ou des prototypes physiques. Les données traitées sont principalement issues de questionnaires, d'analyses vidéo et d'entretiens. Le recueil de données quantitatives précises sur les postures et les efforts nécessite une instrumentation complexe et coûteuse : électromyographie, capteurs de forces, goniomètre, système de capture de mouvement, etc. Par ailleurs, la mise en œuvre de ces techniques peut entraver l'exécution de la tâche que l'on souhaite analyser. Une solution alternative consiste à faire ces mises en situation directement à partir des modèles numériques du futur poste de travail, sans même devoir recourir à un poste similaire ou un prototype physique. Des mannequins numériques offrant de telles fonctionnalités sont actuellement proposés dans des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO).
Cependant, ces mannequins 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 donc à développer un modèle d'humain virtuel dynamique capable de calculer automatiquement, à partir d'une description simple de la future tâche, des mouvements réalistes en ce qui concerne les positions, vitesses, accélérations et couples appliqués par l'opérateur futur, ceci afin d'effectuer une évaluation ergonomique fiable de la future 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 (gestion de l’équilibre et des contacts, manipulation) 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 par notre modèle dynamique de mannequin. Pour cela, une tâche expérimentale de pose d'inserts a été adaptée et mise en œuvre par les membres de l'équipe du laboratoire de Biomécanique et d'Ergonomie du département Homme au Travail de l'INRS. Onze sujets ont posé de deux façons différentes (à main nue et à l'aide d'un outil) dix inserts sur des supports placés devant eux.
Nous avons ensuite simulé cette tâche en paramétrant notre modèle de mannequin selon l'anthropométrie des onze sujets. Les trajectoires et les vitesses obtenues en simulation, ainsi que le calcul de l'évaluateur biomécanique OCRA, qui permet d'apprécier le risque de troubles musculo-squelettique lors de manutention répétitive, sont proches des résultats mesurés lors des essais.
En outre, dans le cadre d'une collaboration avec une équipe de l'Imperial College de Londres, nous avons étudié une tâche d’insertion pour observer comment l'humain la réalise et dans quelle mesure la force appliquée évolue lors de multiples répétitions de la tâche. Grâce au robot planaire à trois degrés de liberté de l'Imperial College, nous avons ainsi étudié comment l'activité musculaire et la force d'insertion varient, à partir des données enregistrées sur six sujets soumis à ce protocole.
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