Titre : Re-conception d’un mannequin numérique pour l’analyse et la conception de l’activité gestuelle, posturale et visuelle








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Titre : Re-conception d’un mannequin numérique pour l’analyse et la conception de l’activité gestuelle, posturale et visuelle

Sébastien Chevriau, Cédric Grun, Cristina Chitescu, Samuel Gomes

Equipe d’ERgonomie et COnception des Systèmes (ERCOS)

Laboratoire Systèmes et Transport (SeT)

Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM)

Rue du Château

90010, Belfort Cedex, France

{sebastien.chevriau, cedric.grun, christina.chitescu, samuel.gomes}@utbm.fr
RESUME

Dans un contexte d’ingénierie concourante où concevoir le bon produit le plus rapidement possible devient un facteur crucial d’innovation et de performance, cet article se propose de présenter la démarche effectuée pour la re-conception d’un outil de type mannequin numérique en vue de rendre l’outil plus adapté aux besoins des utilisateurs. Suite à l’utilisation de la version existante pour différentes applications, des recommandations ont pu être définies. Cela nous a servi à la proposition et la conception d’une seconde version. L’intérêt porté envers ce type d’outils que sont les mannequins numériques nous pousse à réfléchir à leur avenir et notamment à comment les améliorer.
MOTS CLES

Conception de produits, mannequin numérique, analyse ergonomique, simulation de l’activité, vidéo.

Partie : INTRODUCTION GENERALE

Dans le contexte économique actuel fortement concurrentiel, plusieurs critères vont permettre à une entreprise de s’imposer face à ses concurrents. Parmi ces critères, nous pouvons citer la capacité d’innovation, mais également la réduction des délais de conception et d’industrialisation ou encore la capacité de concevoir des produits adaptés aux futurs utilisateurs (Duchamp, 1999).

Une des stratégies employées que nous nous proposons de développer et de déployer au sein du milieu industriel est l’intégration de l’ergonomie tout au long du processus de conception (Sagot, 1999). Ainsi, l’entreprise pratiquant cette démarche pourra, par exemple, afficher comme points forts : la conception d’un produit réellement adapté aux contraintes physiques et biomécaniques des futurs utilisateurs, la réduction du nombre de boucles de rétro-conception en concevant au plus tôt le bon produit ou encore le développement de moyens de production optimisés et adaptés aux contraintes physiques et biomécaniques des futurs opérateurs.

Pour ce faire, une coopération entre ergonomes et concepteurs doit être présente et efficace dès le début du cycle de conception du produit (Sagot et al., 2003). Cette contrainte pose souvent des problèmes dans la mesure où ces deux métiers ont des méthodes différentes, des langages différents, des outils différents, etc. Il existe donc un besoin d’outils de communication pour ces deux métiers qui devra permettre à l’ergonome de travailler avec des méthodes pertinentes et au concepteur d’intégrer aisément les remarques ou recommandations issues des études ergonomiques précédemment menées.

C’est sur cette problématique que nous avons centrée le développement du mannequin numérique MANERCOS - Module d’ANalyse pour l’ERgonomie et la COnception de Systèmes (Gomes, 1999a). Nous présentons dans un premier temps la version existante de l’outil et ensuite nous nous concentrons sur l’évaluation de cette première version lors d’applications concrètes dans des projets industriels. L’analyse et l’interprétation des résultats de la précédente évaluation nous permettent ensuite de présenter les différents aspects à améliorer ou à ajouter dans cet outil. Enfin nous concluons par notre ressenti de cette expérience de re-conception d’un mannequin numérique ainsi que les perspectives de développement d’un tel outil.
Partie : PRESENTATION DE LA VERSION INITIALE DE L’OUTIL MANERCOS

Différents mannequins numériques existent dans le commerce (Das et Sengupta, 1995), mais aucun ne prend en considération la dimension spécifique de l'ergonomie francophone : l'analyse de l'activité réelle (Sagot, 1999) ainsi que les méthodes et outils spécifiques associés (KERGELEN, 1995).

Suite aux travaux de thèse de Samuel Gomes (Gomes, 1999a), une première version de MANERCOS a été développée en 1998 au sein de l’équipe SeT-ERCOS. Le maître mot guidant les développements de la première version était de fournir à l’ergonome un outil de travail adapté à son domaine qui est ici l’ergonomie physique. Pour ce faire, trois modules regroupant des fonctionnalités distinctes ont été identifiés :

Le module d’anthropométrie qui permet la gestion et la génération de mannequins numériques correspondant à une population donnée et dans une posture donnée ;

Le module d’analyse de l’activité qui fournit à un outil permettant, de façon similaire aux outils existants tels que KRONOS (Kergelen, 1995), de dépouiller un film vidéo réel pour en tirer une séquence d’actions composée de comportements élémentaires. Ces comportements sont associés à des mouvements du mannequin numérique permettant ainsi la génération d’une animation. De plus, ce module permet la conception de l’activité future souhaitable (Gomes, 2000) ;

Le module d’évaluation ergonomique qui permet l’analyse de l’activité gestuelle et posturale à travers des méthodes d’évaluation qui sont la charge maximale admissible (Waters et al., 1993) et la dépense énergétique encourue. De plus le mannequin numérique dispose de plusieurs volumes en 3D qui sont le champ visuel, le volume de confort et le volume d’atteinte et qui permettent de juger la disposition des différents éléments de l’environnement.

Tout ceci représentant les fonctionnalités liées au domaine de l’ergonomie, d’autres contraintes plus techniques étaient à prendre en compte. En effet, nous pouvons citer :

La gestion d’une scène en trois dimensions comprenant des modèles 3D, des lumières et des caméras ;

La visualisation d’une vidéo ;

L’import de fichiers venant de logiciels de CAO ;

La gestion de la notion d’animation ;

La génération d’un film représentatif ou d’une scène interactive.

Après réflexion, il est apparu que ces contraintes représenteraient des développements lourds et coûteux en temps s’il fallait s’en astreindre. Or ces problèmes techniques sont déjà résolus par la plupart des logiciels de modélisation et d’animation 3D. C’est pourquoi, pour ne se focaliser que sur le développement de fonctions ergonomiques, l’application MANERCOS a été conçue comme une extension de ce type de logiciel. Notre choix s’est alors porté sur l’application 3ds max (Discreet, 2001) qui offre non seulement la possibilité de gérer toutes ces contraintes techniques, mais et surtout celle de pouvoir développer des modules supplémentaires que l’on pourra lui connecter (plugin). C’est ainsi que MANERCOS a été développé en utilisant le langage de programmation orienté objet C++ qui est préconisé par Discreet (Gomes et al., 1999b).
Partie : EVALUATION DE LA PREMIERE VERSION DE L’OUTIL MANERCOS

La consécration pour les concepteurs d’un produit vient lorsque celui-ci fait ses preuves dans son domaine d’application. Il en va de même pour un logiciel. C’est cette mise en situation de l’outil MANERCOS que nous allons présenter dans cette partie. En effet, l’outil MANERCOS a été utilisé dès son apparition lors d’études de conception ou de re-conception de produits ou de moyens de production. Ainsi nous présentons certaines applications avec pour chacune l’énumération des points forts de la première version de MANERCOS, mais également ses points faibles.
Sous-Partie : Re-conception d’un poste de manutention

Il s’agit d’une étude ayant pour but d’analyser et re-concevoir un poste de manutention de pièces lourdes faisant l’objet de plaintes de la part des opérateurs (Barthelat, 2001). L’activité de travail sur ce poste a donc été filmée puis reproduite en 3D grâce à l’outil MANERCOS (figure 1). Ensuite des évaluations ergonomiques selon les méthodes NIOSH et du calcul de métabolisme énergétique (ISO 8996 - NF EN 28996) ont été effectuées et présentées au groupe projet sous forme de rapports succincts générés par l’outil MANERCOS. Ainsi le comportement critique qui était la prise de pièces a pu être décelé et des pré-concepts ont été proposés et ensuite évalués à l’aide de l’outil MANERCOS (figure 1). Le principal défaut ressortant de cette étude a été l’aspect esthétique du mannequin. En effet, le groupe projet a été quelque peu surpris par l’apparence nue du mannequin. D’où la nécessité de travailler sur l’apparence du mannequin en vue de s’approcher au plus près de la réalité de l’activité.
Figure 1 : De gauche à droite : film réel, reproduction de l’activité réelle, pré-concept 1, pré-concept 2 (retenu)
Sous-Partie : Conception d’un module de confort automobile

L’objectif de cette étude était de concevoir un module de confort pour l’automobile en s’appuyant sur l’analyse d’une activité réelle d’utilisation d’un produit similaire (Barthelat, 2001). Pour ce faire, l’activité a été filmée puis elle a été reproduite sur un mannequin numérique de l’outil MANERCOS dans un environnement 3D virtuel de conduite (figure 2). L’outil MANERCOS a ensuite pu être utilisé pour l’analyse de l’activité (dépouillement), l’évaluation du champ visuel, du volume d’atteinte et pour la génération de vidéos sous différents angles, ainsi que d’une scène interactive en VRML. De ce fait, différents acteurs (concepteur, ergonome, etc.) ont pu collaborer autour de ces données. L’outil MANERCOS a trouvé ses limites lorsqu’il a fallu juger les statistiques découlant de l’activité comme la répétitivité ou la distribution des actions dans le temps de l’activité. En effet, le passage sur un outil de type génération de graphiques a été nécessaire. Le résultat de cette étude est la production de recommandations quant à la conception d’un tel produit ainsi qu’un pré-concept sous forme d’une maquette numérique également testée avec l’outil MANERCOS. Par conséquent, la comparaison des activités gestuelle et posturale existante et future souhaitable a pu se faire grâce aux vidéos et scènes interactives.

Figure 2 : Simulation de l’activité réelle de conduite avec manipulation d’un module de confort
Sous-Partie : Conception d’un tricycle tracté par une voile

C’est un projet qui consiste en la conception d’un véhicule pour deux personnes composé d’une partie cycle comme sur un tandem et d’une partie voile comme sur un char à voile (Bautistat et al., 2002). Le but de ce véhicule étant la traversée de l’Australie, d’où des problèmes de fatigue et de pénibilité, le critère de confort a eu un rôle très important dans la conception de ce véhicule. L’outil MANERCOS a donc été utilisé pour permettre au groupe projet de concevoir un véhicule adapté à ses deux pilotes. L’outil MANERCOS a rencontré beaucoup de difficultés dans la génération de mannequins numériques reproduisant fidèlement l’anthropométrie des deux pilotes du fait de leur non-normalité. Une fois cette étape réussite, l’outil MANERCOS nous a permis de définir des recommandations quant à la forme des sièges, au placement des différents organes de commande (pédalier, direction, etc.) ainsi qu’à la conception du cadre (figure 3). Pour ce faire, les dimensions des mannequins, le champ visuel et le volume de confort ont été utilisés. C’est avec ce projet que le module d’anthropométrie de l’outil MANERCOS a vraiment montré ses limites et donc la nécessité d’une amélioration.

Figure 3 : Simulation des futurs pilotes pour le positionnement des organes de commande
Sous-Partie : Etude de l’accessibilité d’un poste de conduite automobile

Cette étude a été menée dans le but d’analyser l’accessibilité d’un poste de conduite automobile en terme de confort postural (Barthelat, 2001). Pour ce faire, des utilisateurs réels ont été filmés pendant l’accès au véhicule et leurs gestes ont été re-transcrits à l’aide de l’outil MANERCOS. Il est apparu nécessaire de pouvoir récupérer les angles correspondant à une posture d’un mannequin pour pouvoir ensuite les comparer aux postures dites de confort. En effet, cette fonctionnalité n’étant pas intégrée dans l’outil MANERCOS, les utilisateurs ont du développer un script générant un fichier d’angles de posture. Partant de ce besoin nous avons décidé d’intégrer la notion de postures dans le logiciel MANERCOS.
Sous-Partie : Evaluation d’une chaîne de montage virtuelle

Cette étude avait pour but la simulation et l’évaluation d’une chaîne de montage future qui n’existait que sur un format papier (plan de l’atelier) (Bruguet et al., 2002). L’outil MANERCOS a été utilisé ici pour simuler et visualiser les déplacements entre les différents postes de la chaîne de montage et pouvoir ainsi évaluer les temps prédits par le bureau des méthodes et les mouvements futurs effectués par les opérateurs. L’évaluation des temps s’est faite à travers une vidéo générée par 3ds max. Ainsi l’équipe projet a pu constater des accélérations du mannequin sur différentes portions dues à des temps trop courts. L’évaluation ergonomique des mouvements a été faite par les méthodes NIOSH (Waters et al., 1993) via l’outil MANERCOS et RULA (McAtamney et al., 1993) non intégrée dans l’outil MANERCOS. Pour RULA, MANERCOS a permis la génération d’images sur lesquelles les ergonomes se sont basés pour faire l’analyse. Vu l’utilité d’une telle méthode pour l’évaluation de l’activité gestuelle et posturale de travail et en tenant compte de la difficulté de l’évaluation RULA manuelle réalisée pendant cette application, nous avons décidé d’intégrer RULA dans MANERCOS.
Partie : DEVELOPPEMENT DE LA SECONDE VERSION DE L’OUTIL MANERCOS

Les applications présentées antérieurement ont montré la nécessité d’une amélioration de l’outil et de plus ont mis en évidence ces voies d’amélioration.
Le premier aspect concerne l’anthropométrie, c’est-à-dire la capacité du mannequin numérique à reproduire fidèlement un utilisateur humain (figure 4). En effet, si le mannequin se comporte bien avec des populations dites standard, des incohérences apparaissent lorsque l’utilisateur souhaite générer un mannequin aux dimensions particulières. En cours de résolution, ce problème est assez difficile en raison de la complexité de certains paramètres comme par exemple la détermination des distances inter-articulaires.

Figure 4 : Correspondance entre humain et mannequin numérique
Si ce problème est d’ordre théorique, il en existe un qui est d’ordre plus technique puisqu’il concerne le langage de programmation avec lequel a été développé MANERCOS. En effet, différentes personnes sont intervenues dans le développement de l’outil MANERCOS, ayant toutes des façons de développer relativement différentes qui se sont incrustées dans le code de l’outil MANERCOS. En effet aucune règle de codage n’avait été clairement définie laissant chaque développeur s’adonner à sa méthode de programmation préférée. Un gros travail a donc été entrepris ayant pour but de normaliser le code de l’outil MANERCOS rendant ainsi plus facile l’intégration de nouvelles personnes dans le développement de l’outil.
L’architecture squelettique du mannequin était auparavant limitée à trois segments pour l’ensemble tronc/tête et un seul segment pour la main. Cette limitation a souvent été la cause d’animations difficiles et non réalistes. C’est pourquoi une augmentation du nombre de segments a été réalisée. Ainsi sept segments composent actuellement l’ensemble tronc/tête du mannequin améliorant ainsi l’apparence des courbures au niveau des lombaires et des cervicales (figure 5). De plus la main est maintenant entièrement articulée grâce à 16 segments offrant un meilleur réalisme des scènes de préhension (figure 5).
Figure 5 : De gauche à droite : détail de la main, squelette entier, détail de l’ensemble tronc/tête
Une réflexion a été menée sur les limites articulaires du mannequin. En effet, dans la première version, les limites articulaires étaient liées au modèle 3D et leur modification était laborieuse. Désormais le module anthropométrie permet de gérer des fichiers de limites articulaires que l’on peut appliquer à un mannequin permettant ainsi de faire des simulations avec des mannequins souples et d’autres moins souples.
Puisqu’une modification du nombre de segments corporels a été réalisée, une réflexion a été menée parallèlement concernant l’apparence visuelle du mannequin. Dans la première version de MANERCOS, le mannequin était de type segmenté, c’est à dire que chaque membre du squelette possède l’apparence de la partie du corps qu’il contrôle. Cette méthode rend difficile la création de nouvelles apparences car chaque membre doit être modélisé individuellement. On imagine bien la difficulté pour des parties comme les lombaires ou les cervicales.

La méthode adoptée pour la version 2 de MANERCOS est la méthode squelette couplé à une peau. Cette méthode consiste à lier un squelette représentant l’architecture du mannequin et une peau représentant son apparence. Ainsi la modélisation de nouvelles apparences est facilitée et désormais intégrée dans l’outil MANERCOS. En effet le besoin d’avoir des apparences de mannequins habillés s’est fait sentir lorsque les vidéos des études devaient être projetées à des personnes. Une apparence réaliste permet donc au concepteur de mieux intégrer le mannequin et donc de se focaliser sur sa gestuelle plutôt que sur son apparence.
La manipulation du mannequin était relativement fastidieuse. En effet, deux modes étaient offerts:

La manipulation de chaque membre individuellement permettant une manipulation précise au niveau angulaire ;

La manipulation dite par cinématique inverse consistant en la manipulation des extrémités comme les mains ou les pieds par exemple et faisant suivre les membres supérieurs hiérarchiquement. Par exemple, lorsque l’on avance la main, le tronc se courbe.

Ces deux méthodes ont été conservées, mais la méthode par cinématique inverse a été améliorée en intégrant la notion de contrainte ou cible aux mains, aux pieds et à la tête. Ainsi lorsqu’une cible est donnée à la main celle-ci tente de l’atteindre en respectant les limites articulaires du corps. Ainsi cette gestion permet de comparer plusieurs populations et de déterminer par exemple lesquelles atteignent une certaine commande d’un tableau de bord. La contrainte liée à la tête permet de définir dans quelle direction est orientée la tête.
Le gros problème de la première version de l’outil MANERCOS résidait dans l’impossibilité de comparer une même simulation entre différentes populations. En effet, lorsqu’une simulation avait été faite pour une population donnée, l’utilisateur devait la refaire entièrement s’il voulait tester une autre population. Ce problème a été résolu en repensant la notion d’activité pour qu’elle soit interchangeable d’un mannequin à l’autre. Cette réflexion a amené le découpage d’une activité en trois niveaux :

Le niveau posture représentant une posture statique du corps ou de certaines parties du corps ;

Le niveau comportement élémentaire pouvant être une posture ou une séquence de postures (animation) ;

Le niveau activité étant une séquence de comportements élémentaires (dépouillement).

Ainsi nous pouvons avoir deux modes d’utilisation des mannequins. Soit nous imposons exactement la même gestuelle à différents mannequins afin de pouvoir par exemple récupérer des distances d’atteintes pour la conception d’un poste de travail. Soit nous imposons les mêmes cibles à différents mannequins en vue d’évaluer par exemple la conformité d’un poste de travail. Toutes ces opérations s’effectuent désormais en quelques minutes alors qu’auparavant le dépouillement et l’animation complète étaient à refaire pour chaque mannequin.
L’analyse posturale est une méthode qui s’est souvent révélée comme étant un manque dans l’outil MANERCOS. C’est pourquoi la méthode RULA a été implémentée dans l’outil MANERCOS. La méthode ergonomique RULA consiste à évaluer une posture des membres supérieurs en donnant une note. L’implémentation de RULA dans l’outil MANERCOS accélère le travail de l’ergonome puisque RULA peut être calculée sur une séquence de postures (images en animation) en quelques secondes (figure 6) alors que manuellement, il faut quelques minutes pour évaluer RULA sur une seule posture (Chitescu et al., 2003b).

Figure 6 : Résultat d’une analyse RULA sur une séquence de postures (images)
Enfin, l’outil MANERCOS a été amélioré au niveau de la génération des résultats. En effet, si la donnée était effectivement présente dans l’outil aucune mise sous forme graphique n’était effectuée. Désormais il est possible de visualiser graphiquement divers indicateurs (figure 7) comme les temps que représente chaque comportement par rapport à l’activité sous forme d’histogrammes ou encore la visualisation de la séquence de comportements sous forme de graphique de type planning.
Figure 7 : De gauche à droite : déroulement de l’activité d’écriture sur un clavier, visualisation de la répétitivité des comportements
Partie : CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Toutes ces améliorations vont nous permettre de rentrer dans une seconde phase d’évaluation qui aura pour but de valider les choix effectués. Ainsi cette version pourra suivre son chemin vers la voie de la commercialisation. Mais le développement de l’outil MANERCOS ne s’arrêtera pas à ce stade. En effet, plusieurs idées commencent à émerger quant à l’évolution de l’outil.

Parmi ces idées nous pouvons citer par exemple le dépouillement automatique de la séquence de comportements élémentaires. Grâce à un tel système, l’utilisateur serait libéré de cette tâche lourde qu’est le dépouillement et accélèrerait ainsi son processus d’évaluation. Cette phase pourrait être effectuée à l’aide d’algorithmes permettant la détection de séquences semblables dans une vidéo.

Une autre facilitée pourrait être offerte à l’utilisateur au niveau de l’animation. En effet, il est souvent lourd de manipuler chaque membre pour amener le mannequin dans la position désirée. Un moyen plus rapide pourrait être le couplage de l’outil MANERCOS à des systèmes de capture de mouvements. Le problème est que ces systèmes nécessitent souvent soit d’équiper l’utilisateur et dans ce cas son activité risque d’être faussée, soit d’équiper le poste de travail de capteurs et dans ce cas l’environnement d’une entreprise perturbe souvent les données de ces capteurs. L’idéal serait donc un système de capture de mouvement sans aucun matériel.

La conception d’une activité nouvelle n’est pas une tâche aisée. En effet, les durées des comportements élémentaires ne sont pas facilement prédictibles. Les services méthodes des entreprises utilisent généralement une méthode appelée MTM - Method Time Measurement (Laring, 2002) reposant sur la correspondance action/temps. L’outil MANERCOS pourra évoluer en prenant en compte cette méthode pour la création de nouveaux comportements élémentaires et donc pour la prédiction des temps nécessaires. Bien entendu la difficulté sera de s’adapter, car chaque entreprise a sa propre méthode.

Une évolution pourra également être nécessaire au niveau de la dimension travail collaboratif de la conception. En effet, l’utilisateur travaille actuellement sur son poste, tous les fichiers y sont stockés et s’il veut les transmettre ou les partager, il doit le faire par des méthodes classiques de transfert de fichiers. Une solution pourrait être de rendre l’application MANERCOS client-serveur. Ainsi un serveur centraliserait l’ensemble des données (populations, postures, etc.) et gérerait l’accès à ces données, tandis que l’utilisateur travaillerait de manière transparente avec ces données. Une autre solution serait de coupler l’outil MANERCOS avec un outil de travail collaboratif comme l’ACSP (Atelier Coopératif de Suivi de Projets) qui permettrait non seulement de centraliser les données, mais également de les partager avec les autres acteurs du projet tels que les concepteurs, le chef de projet, etc. (Gomes, 2001). Cette solution devient évidemment très intéressante pour une amélioration de la communication entre l’ergonome et le concepteur (Gronier, 2001).

L’utilisation de l’outil MANERCOS comme outil d’aide à la conception pourra aller plus loin en le considérant comme un support à la réalité virtuelle. En effet, nous réfléchissons sur une démarche de conception dans laquelle la réalité virtuelle intervient (Chitescu, 2003a). Ainsi l’outil MANERCOS pourrait être la source de scènes interactives permettant la formation d’utilisateurs ou la démonstration de résultats d’analyses ergonomiques.

Enfin nous réfléchissons à la pertinence que pourrait avoir l’intégration de modules d’intelligence artificielle au sein de l’outil MANERCOS. En effet, cela pourra se présenter sous la forme de systèmes experts d’aide à la décision, mais également de systèmes multi-agents (Ferber, 1995) permettant une meilleure coordination entre les différentes parties du mannequin lors de son animation comme la marche par exemple.

En conclusion, nous pouvons dire que le développement du mannequin numérique MANERCOS est mené en vue de proposer un logiciel adapté à l’utilisateur (ergonome ou concepteur) et qui pourra améliorer ainsi le processus de conception. C’est pourquoi le développement d’un tel outil ne doit pas entrer directement dans une optique régie par le nombre de fonctionnalités disponibles, mais plutôt par la facilité de prise en main et la pertinence des résultats fournis pour pouvoir mieux l’intégrer dans le processus de conception. Nous réduisons ainsi les risques de non-acceptation de l’outil pour cause de complexité et d’utilité accessoire.
Partie : BIBLIOGRAPHIE

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10ième Séminaire CONFERE, 3-4 Juillet 2003, Belfort – France, pp. 351-359

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