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Pour répondre aux questions posées par la simulation ergonomique et aux défauts de mannequins numériques disponibles, j’ ai mené surtout des recherches dans l’ acquisition des données biomécaniques, l’ analyse et la simulation de mouvement ainsi que l’ évaluation biomécanique de l’ inconfort. Dans ce qui suit, j’ exposerai mes contributions dans chacun de ces domaines.
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Outre les données anthropométriques (masse, centre de masse, longueurs segmentaires, largeurs, circonférences, etc.), des données fonctionnelles, telles que les limites articulaires, les capacités d’ atteinte, les capacités de production d’ effort, sont nécessaires pour garantir le réalisme de la simulation. Ces données sont aussi indispensables pour définir des indicateurs objectifs de la gêne qu’ un opérateur est susceptible de ressentir lors de l’ exécution d’ une tâche.
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L’ excursion articulaire est définie comme étant l'amplitude maximale de mouvement d'une articulation. Elle varie selon les individus et est influencée par de nombreux facteurs tels que l’ âge et le sexe, mais aussi par le type de mouvement, passif ou actif (volontaire), réalisé. Les limites du mouvement maximum volontaire sont dues soit à un blocage «fonctionnel» occasionné par la mise en tension d’ éléments péri-articulaires (capsule, ligaments, muscles…), soit tout simplement à la collision entre deux ou plusieurs segments du corps.
6\QWKqVH L’ une des conditions qui garantissent le réalisme de la simulation du mouvement, c’ est le respect de la contrainte physiologique de limitation du mouvement. Mais, les données de la littérature relatives aux butées articulaires sont, en règle générale, très incomplètes et, de plus, souvent incompatibles avec les modèles cinématiques des mannequins. Ces valeurs sont souvent exprimées dans les plans de référence physiologiques comme par exemple abduction-adduction, flexion-extension, rotation interne-externe (voir Kapandji, 1980, Norkin et White, 1995). Il existe peu de données qui prennent en compte l'effet de couplage des axes articulaires qu’ il soit relatif à une même articulation ou qu’ il relève de l'interdépendance éventuelle entre articulations. Ceci représente une grosse lacune pour la simulation en trois dimensions (3D) du mouvement humain. La dépendance entre la mobilité de la hanche et l’ angle du genou illustre bien le couplage entre les axes de mobilité. Ainsi la tension des muscles ischio-jambiers limitent le mouvement de flexion de la hanche : l’ amplitude du mouvement de flexion sera d’ autant plus importante que le genou sera en flexion.
La Figure 4 montre le modèle cinématique du mannequin MAN3D développé par l’ INRETS. Le squelette est représenté par des chaînons rigides reliés par des articulations disposant de 1, 2 ou 3 axes de mobilité (degrés de liberté) comme tous les modèles numériques de l’ homme visant une application en ergonomie. En raison du manque de données, la plupart des modèles numériques définissent l’ amplitude maximale de chaque degré de liberté (DDL) avec deux constantes, bornes supérieure et inférieure. Pour des articulations avec 3 DDL, comme l’ épaule et la hanche, cette approche simpliste est insuffisante pour garantir le réalisme de la simulation. Seuls les travaux d’ Engin et de ses collègues (Engin et al., 1986, 1988, 1989) ont tenté de modéliser le couplage entre axes de mobilité d’ une articulation sous forme de cône de circumduction.
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D’ après la revue par Laubach (1978), peu de travaux avec la prise en compte du couplage des axes de mobilité dans la définition de la butée articulaire, sont disponibles dans la littérature. Ceci demeure toujours vrai à ce jour. Engin et ses collègues (Engin et Chen, 1986, 1988 ; Engin et Tümer, 1989) ont mesuré et modélisé le mouvement de la circumduction de l’ articulation de l’ épaule et de la hanche. Nous avons entrepris une étude pour la quantification de l’ amplitude de rotation axiale du bras en fonction de sa position dans l’ espace (Wang et al., 1998). Dans cette étude, nous avons proposé une méthode originale d’ ajustement d’ une surface par des fonctions polynomiales homogènes orthogonales. L’ observation expérimentale à partir de sept sujets montre que l’ amplitude de rotation axiale dépend fortement de la position du bras. Elle est de 157 degrés en moyenne quand le bras est au repos le long du corps. Elle se réduit à 94 degrés quand le bras est en position d’ élévation maximale. La Figure 5 montre la variation de l’ amplitude de rotation axiale.
6\QWKqVH Mininum = 95 degrés Moyenne = 131 degrés Maximum = 157 degrés )LJXUH9DULDWLRQPR\HQQHGHO¶DPSOLWXGHGHURWDWLRQD[LDOHGXEUDVGURLWHQIRQFWLRQGH VDSRVLWLRQGDQVO¶HVSDFH :DQJHWDO /¶RULJLQHGHODJOREDOJUDSKLTXHHVW SRVLWLRQQpDXFHQWUHPR\HQGHURWDWLRQGHO¶pSDXOHDYHF;GLULJpYHUVODGURLWH<YHUV O¶DYDQWHW=YHUVOHKDXW3OXVODFRXOHXUHVWIRQFpHSOXVO¶DPSOLWXGHGHYDULDWLRQHVW LPSRUWDQWH &LUFXPGXFWLRQGXSRLJQHW
Nous avons aussi mené une expérimentation pour quantifier le cône de circumduction du complexe articulaire du poignet. Un recueil de données a été effectué, cette fois sur dix sujets, à l'aide du système de mesure opto-électronique VICON. A partir de ces résultats expérimentaux, on a défini une ellipse pour approximer la relation entre angle de flexion-extension et angle d'abduction-adduction par une méthode d'ajustement aux moindres carrés (Wang, 1998).
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On peut noter que les angles de flexion-extension et d’ abduction-adduction varient en moyenne de -70 à 50 et de -20 à 30 degrés (Figure 6). Par comparaison avec les valeurs rapportées dans la littérature, les limites de mouvement s’ avèrent ici inférieures d’ environ 10 à 20 degrés. Ceci pourrait être dû aux différences entre les méthodes utilisées. En particulier, le mouvement de circumduction considéré ici était volontaire sans être forcé, aussi les valeurs obtenues dans la présente étude pourraient elles sous-estimer l’ amplitude de mouvement du poignet.
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Dans la continuité de l’ effort de modélisation de l’ amplitude maximale de mouvement (AMM) des articulations, nous avons mené une étude comparative sur les effets de l’ âge et du sexe sur l’ AMM des articulations du membre supérieur incluant la colonne vertébrale (Doriot et Wang, 2006). Dans cette étude, 41 sujets (22 sujets jeunes masculins et féminins âgés de 25 à 35 ans, 19 sujets seniors masculins et féminins de 65 à 80 ans) ont participé à l’ expérimentation. Au total, chaque sujet a effectué 13 mouvements en position assise impliquant les articulations principales du membre supérieur et de la colonne. Bien que ces
6\QWKqVH mouvements soient définis dans des plans anatomiques, une analyse cinématique en 3D a été effectuée, alors que la plupart des travaux publiés sont limités en 2D (voir par exemple, le livre de Norkin et White, 1995).
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L’ observation la plus marquante de cette étude, c’ est que l’ âge n’ affecte pas l’ AMM des articulations uniformément. L’ effet de l’ âge varie en fonction de l’ articulation et du type de mouvement. La réduction de l’ AMM dû à l’ âge peut être différente selon le type de
6\QWKqVH mouvement pour une même articulation. Par exemple, pour la colonne cervicale, les sujets âgés affichent une perte relativement limitée de 15% en flexion par rapport aux jeunes, tandis que cette perte s’ élève à 41% pour l’ extension. La plus forte réduction en AMM se localise au niveau de la colonne cervicale (cou) et de la colonne lombaire (dos), plus particulièrement pour l’ extension, la flexion latérale et la rotation axiale du cou ainsi que pour la flexion latérale et la rotation axiale du tronc (Figure 7).
Cette étude montre la complexité de la prise en compte de l’ effet du vieillissement dans la modélisation des limites articulaires et la nécessité d’ une approche multidimensionnelle. Une importante réduction de l’ amplitude de mouvement au niveau du cou et du dos est observée chez les personnes âgées. Ceci suggère que l’ on doit être attentif à ce qu’ un poste de travail ou un espace de vie destiné aux personnes âgées ne requiert que de faibles mouvements du cou et du dos.
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Pouvoir prédire la capacité d’ atteinte d’ un opérateur est l’ une des fonctionnalités les plus demandées quand on utilise un mannequin numérique pour la conception ou l’ évaluation d’ un poste de travail (Reed et al, 2003). C’ est loin d’ être un simple problème géométrique qui consiste simplement à combiner les longueurs des segments et les amplitudes de mouvement des articulations. Bien que l’ enveloppe d’ atteinte soit fortement dépendante de l’ anthropométrie et de la mobilité articulaire, d’ autres facteurs comme le maintien d’ équilibre, l’ interaction de l’ homme avec son environnement (obstacle, propriétés mécaniques du siège) peuvent intervenir également. En outre, du fait de la représentation simplifiée des articulations dans le modèle numérique (i.e. les translations articulaires sont en général négligées) et de la connaissance insuffisante sur le couplage des axes de mobilité des articulations proximales (épaule, clavicule, colonne et bassin), la limite d’ atteinte prédite en appliquant simplement les amplitudes maximales de mobilité de chaque DDL par cinématique directe ne constitue qu’ une première approximation relativement grossière. Pourtant, faute d’ avoir des modèles plus appropriées, c’ est cette méthode qui est préconisée par plusieurs chercheurs pour prédire l’ enveloppe d’ atteinte (voir par exemple, Jung et at, 1995, Abdel-Malek et al., 2004).
Partant de ces lacunes, nous avons proposé une approche s’ appuyant sur des données réelles pour prédire l’ enveloppe d’ atteinte (Wang et al., 2007). Contrairement à la plupart
6\QWKqVH des méthodes expérimentales qui définissent directement l’ enveloppe d’ atteinte (Kennedy, 1978; Boydstun, and Kessel, 1980; Sengupta and Das, 2000), l’ idée consiste à calculer indirectement la limite d’ atteinte via l’ application des postures à un mannequin numérique. Cette approche est appliquée à la définition de différentes enveloppes d’ atteinte pour la conception de l’ habitacle automobile dans le cadre d’ un contrat d’ étude avec Renault (Figure 8). Comme les postures d’ atteinte sont directement issues des données expérimentales, les enveloppes prédites tiennent en compte de certains défauts du modèle cinématique et du couplage des axes de mobilité. Elle présente également deux autres avantages intéressants : 1) La même posture peut être appliquée aux mannequins de différentes dimensions anthropométriques, ce qui permet de simuler potentiellement un nombre d’ individus supérieur à celui des participants à l’ expérimentation ; 2) Partant de l’ hypothèse que les angles des articulations proximales sont peu affectés par le type de prise de la main (pointage avec l’ index, prise à deux doigts, à trois doigts, à pleine main, etc.), les enveloppes d’ atteinte avec différents types de prise peuvent êtres simulées en faisant varier uniquement la posture de main. Une étude est en cours pour vérifier si une telle hypothèse est vraie.
Comme pour les amplitudes maximales de mobilité, Chateauroux et Wang (2007) ont montré que les personnes âgées ont une capacité d’ atteinte significativement plus réduite que les jeunes en position assise. Selon la direction d’ atteinte, la distance maximale normalisée par la longueur du bras (épaule-index) varie entre 0,7% et 6,2% avec une valeur moyenne de 3,6%. Ceci représente un écart de distance d’ atteinte de 5 mm à 46 mm pour une longueur moyenne du bras de 750 mm. Une faible différence est observée entre les hommes et femmes. Ceci montre que l’ effet de l’ âge est un facteur déterminant dans la prédiction de la capacité d’ atteinte.
En conclusion, une approche pragmatique reposant sur des données est proposée pour prédire la capacité d’ atteinte. Mais, comme c’ est une méthode purement géométrique, l’ interaction physique entre l’ homme et le siège, tout comme la contrainte d’ équilibre, sont indirectement pris en compte par le biais des données. Il serait fort intéressant dans le futur d’ introduire ces contraintes physiques pour prendre en compte l’ effet du siège sur l’ atteinte.
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La reconstitution réaliste du mouvement à l’ aide d’ un mannequin numérique, à partir des mesures issues d’ un système de capture de mouvements, est la première étape en vue de sa simulation. Elle est nécessaire, d’ une part pour valider algorithmes et hypothèses de simulation, et d’ autre part pour construire les bases de mouvements. Aujourd’ hui, l’ approche basée sur des données reste la seule apte à simuler les mouvements complexes requis par certaines applications industrielles, comme les mouvements d’ accessibilité d’ un véhicule (Monnier et al, 2006, Chateauroux et al., 2007). La qualité des mouvements
6\QWKqVH reproduits par un mannequin numérique affecte directement le réalisme des mouvements simulés. Souvent, un grand nombre de mouvements doivent être reconstitués du fait que les actions à simuler sont très variables d’ une application à l’ autre. En outre, afin de prendre en compte l’ importante variabilité tant anthropométrique que comportementale, cela impose aussi un grand nombre de sujets lors d’ une expérimentation. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d’ une méthode robuste et rapide de reconstitution de mouvement.
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Par définition, la reconstruction de mouvement consiste à reproduire le mouvement d’ une personne physique par un mannequin numérique. Elle doit faire face à plusieurs problèmes à résoudre (Figure 9). Un mannequin doit tout d’ abord représenter l’ être humain, le plus exactement possible, dans sa structure et ses dimensions. La structure cinématique du mannequin doit reproduire le squelette avec ses aptitudes de mouvement. Un modèle approprié est un compromis entre sa simplicité et le réalisme en fonction des objectifs assignés au mannequin. Réduire le complexe de l’ épaule à une rotule avec 3 degrés de liberté (DDL) reliant la clavicule et l’ humérus peut suffire si l’ on se limite à une analyse cinématique grossière de l’ épaule. Si l’ on veut aller plus loin et savoir ce qui se passe au niveau des activités musculaires de l’ épaule, cela implique d’ inclure tous les composants du complexe de l’ épaule avec des liaisons appropriées : clavicule, cage thoracique, omoplate et humérus. Représenter toutes les vertèbres mobiles de la colonne exige 72 DDL si l’ on considère qu’ il y a 24 vertèbres, chacune avec 3 DDL. Pour la plupart des applications ergonomiques, une représentation aussi fine n’ est probablement pas indispensable.
Souvent, l’ étude expérimentale de posture et de mouvement recourt à des moyens de mesure qui donnent la position des points en surface du corps, comme par exemple le système optoélectronique Vicon®, ou MOTION ANALYSIS®. La confrontation d’ un modèle simplifié du corps humain, comme celui de MAN3D, avec l’ observation expérimentale soulève plusieurs problèmes à résoudre :
• Définition des paramètres du modèle spécifiques à chaque individu tels que la position des centres articulaires, l’ orientation des axes de mobilité. Contrairement
6\QWKqVH aux standards ISB6 sur la définition des repères anatomiques du corps humain (Wu et al., 2002, 2005), les centres et les axes de mobilité du mannequin ne sont pas définis par rapport aux points anatomiques palpables. De plus, si l’ on envisage aussi une reconstitution dynamique, on doit également déterminer d’ autres paramètres tels que la masse de chaque segment, son centre et le moment d’ inertie. • Calcul des angles articulaires permettant de suivre la trajectoire des marqueurs
externes, sachant qu’ en pratique les marqueurs de surface peuvent glisser sur la peau et que certains d’ entre eux peuvent être masqués de temps à autre (voir Cappozzo et al., 2005, Leardini et al., 2005, Chiari et al., 2005, Della Croce et al., 2005 pour une revue sur l’ ensemble des problèmes techniques et des artefacts liés à l’ utilisation d’ un système de capture de mouvement optoélectronique). Le nombre de marqueurs utilisés est en général supérieur au nombre de DDL que possèdent la plupart des segments du corps. On dit alors que le problème est sur-déterminé (‘over-guided’ ). Mais pour certaines parties du corps, il est difficile de poser un nombre suffisant de marqueurs pour raisons techniques. C’ est le cas du bassin et de la colonne vertébrale. Le problème est alors dit sous-déterminé (‘under-guided’ ).
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On distingue essentiellement deux techniques de reconstitution de mouvement à partir des trajectoires de marqueurs externes : locale et globale (voir Ausejo et Wang, 2008, pour une revue des méthodes de reconstitution de mouvement). La méthode locale consiste à calculer l’ attitude (position et orientation) d’ un segment par rapport à celui situé en amont localement. On utilise alors uniquement les marqueurs concernant ces deux segments. Le calcul n’ est pas affecté par la mesure des autres segments. Par contre, la méthode globale tient compte de la position de l’ ensemble des marqueurs et le suivi de trajectoires se transforme en un problème d’ optimisation qui minimise les écarts entre les positions des marqueurs sur le modèle et celles mesurées. La méthode locale est bien adaptée à l’ étude cinématique d’ une articulation. Elle est difficilement applicable au corps entier. Compte tenu de la difficulté d’ identification de la structure cinématique du corps et des simplifications adoptées par les mannequins numériques pour la simulation ergonomique, nous avons développé une méthode globale dans le cadre du projet européen REALMAN (Wang et al., 2005 ; Ausejo et al., 2006).
VICON
Trajectoires
Conversion COMPAMM/RAMSIS
PCMAN
Modèle individualisé + coordonnés locales Compamm
Ramsis
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6\QWKqVH La mise en œuvre de cette méthode relève des compétences de différents partenaires du projet. Elle comporte essentiellement quatre étapes (Figure 10) :
• La première étape consiste à créer un modèle numérique individualisé calqué sur dimensions anthropométriques d’ un sujet. Le principe est de superposer le modèle numérique sur au moins deux photos du sujet en une posture statique référentielle en ajustant à la fois les dimensions et les angles articulaires (Seitz et Bubb, 2001, Université Technique de Munich, Allemagne).
• La deuxième étape consiste à « attacher » les marqueurs au modèle numérique. On choisit une posture référentielle statique pour estimer les positions locales des marqueurs dans le repère de chacun des segments du corps.
• La troisième étape consiste à calculer les paramètres T caractérisant la posture du corps en minimisant les écarts Ψ(T,W) entre les positions des marqueurs sur le modèle et celles effectivement mesurées en les affectant différents poids de pondération :(t) (Ausejo et al, 2006, CEIT, Espagne) :
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• La dernière étape consiste à convertir les paramètres T en angles du mannequin. En effet, CEIT, l’ un des partenaires du projet REALMAN, utilise les coordonnées naturelles. L’ attitude d’ un segment est représentée par la position d’ un point du segment et deux vecteurs directionnels partant de ce point. Plus récemment, Monnier et al. (2007) propose d’ utiliser directement les angles du mannequin. Cette dernière étape n’ est alors plus nécessaire.
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La méthode globale est capable aujourd’ hui de reconstituer des mouvements complexes avec un rendu visuel réaliste. La Figure 11 montre un exemple du mouvement d’ accessibilité d’ un véhicule. Malgré ces avancées techniques, beaucoup de points restent
6\QWKqVH encore à améliorer dans le futur. Premièrement, le coût des systèmes actuels d’ analyse de mouvement reste encore très élevé. Ils nécessitent souvent d’ une lourde étape de préparation avant la capture du mouvement (positionnement de caméras, calibration, pose de marqueurs, etc) et de post-traitement des données (interpolation, solidification de marqueurs, filtrage et lissage etc) avant de procéder à la reconstitution du mouvement. Ceci les rend difficilement utilisables hors laboratoire. L’ idéal serait de disposer d’ un système sans marqueur opérant par extraction directe à partir des images vidéo.