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Etude INRS : un prototype de mannequin numérique intégrant la variabilité du mouvement due à la fatigue musculaire de l’opérateur

Conception des postes de travail

L’INRS a conçu un prototype de mannequin numérique simulant partiellement la variabilité des mouvements due à la fatigue musculaire de l’opérateur. Objectif : inciter les concepteurs à mieux penser les postes de travail.

Les mannequins numériques sont des logiciels permettant de simuler en 3D l’activité d’un opérateur à son poste de travail. Ils sont utilisés en conception des postes de travail dans de nombreux secteurs d’activité, notamment dans l’industrie (aéronautique, automobile, etc.). Véritable atout pour la prévention des risques professionnels, ces logiciels permettent d’anticiper les mouvements de l’opérateur et d’estimer certaines contraintes physiques associées (efforts, postures, dépense énergétique, inconfort, etc.). Pour autant, s’ils prennent en compte certaines différences entre individus, comme la taille, ces mannequins ignorent totalement la variabilité des mouvements d’une même personne au cours de la journée.

Afin de faire évoluer ces logiciels, l’INRS a conduit une étude entre 2014 et 2018 en collaboration avec l’Institut des systèmes intelligents et de robotique (ISIR). Elle a abouti à la création d’un prototype de mannequin numérique intégrant en partie cette variabilité.

Simuler les effets de la fatigue musculaire

« Une tâche prescrite n’est jamais exécutée deux fois exactement de la même façon, explique Jonathan Savin, expert INRS. Un opérateur peut chercher à compenser la fatigue musculaire liée à une posture contraignante de l’épaule en sollicitant d’autres parties du corps, par exemple le buste ou le poignet. Or, si l’opérateur ne peut pas mettre en œuvre cette variabilité ou si celle-ci est limitée par la conception du poste de travail (géométrie, cadence), cela peut entraîner des troubles musculosquelettiques (TMS) ou des accidents du travail. »

Les chercheurs de l’INRS ont étudié la littérature scientifique internationale pour identifier les sources de variabilité du mouvement et les techniques d’analyse. Les données ainsi collectées ont servi à adapter un logiciel de mannequin virtuel existant pour lui permettre de rendre compte des effets d’une source connue de variabilité du mouvement, la fatigue musculaire, sur les mouvements d’un opérateur répétant une tâche manuelle simple dite de pointage. Ce prototype a ensuite été paramétré d’après des observations expérimentales effectuées en laboratoire auprès de 11 sujets d’étude.

Intégrer les autres sources de variabilité du mouvement

« Notre prototype permet de simuler de manière physiquement réaliste les mouvements de l’opérateur à partir de règles simples du comportement humain : maintenir l’équilibre, réaliser la tâche prescrite, répartir les efforts pour retarder l’apparition des effets de la fatigue, etc., explique Jonathan Savin. Il ne s’agit toutefois que d’une première étape. »

Parce que nous sommes tous différents, nos stratégies d’adaptation à la fatigue et la variabilité associée le sont aussi. De fait, le prototype ne permet pas encore de restituer la diversité de comportement de tous les opérateurs. Des pistes d’amélioration existent néanmoins. Une seconde étape consisterait à ajouter à ces mannequins numériques d’autres sources de variabilité du mouvement que la fatigue musculaire, par exemple l’âge ou l’expertise. Des techniques d’intelligence artificielle telles que l’apprentissage automatique pourraient également rendre compte de comportements difficiles à modéliser.

Vers des mannequins virtuels au plus près du réel

En attendant, ce prototype doit inciter les éditeurs de logiciels de mannequins numériques à intégrer cette variabilité du mouvement. « Plutôt que de se référer à un mouvement immuable, les concepteurs de postes de travail disposeraient alors d’une estimation des risques associés à l’ensemble des mouvements plausibles, précise Jonathan Savin. Ils pourraient ainsi modifier le poste de travail pour offrir aux opérateurs des marges de manœuvre adaptées ». Dans cette optique, une collaboration entre l’INRS et l'Institut national de recherche dédié aux sciences du numérique (Inria) est à l’étude afin d’utiliser des mannequins numériques pour concevoir des robots collaboratifs capables de s’adapter à la variabilité du mouvement des opérateurs.

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Mis à jour le 12/04/2019