Dynamic digital human models for ergonomic analysis based on humanoid robotics techniques

Contrôleur de mannequin numérique dynamique basé sur des techniques robotiques et le comportement humain pour les analyses ergonomiques

Giovanni de Magistris (1) , Alain Micaelli (2) , Jonathan Savin (3) , Clarisse Gaudez (4) , Jacques Marsot (3)

1 LSI - Laboratoire de Simulation Interactive
2 Unité Robotique
3 IET - Département Ingénierie des Equipements de Travail
4 HT - Département Homme au Travail

Digital human models can be used for biomechanical risk factors assessment of a workstation and work activity design for which there is no physical equipment that can be tested using actual human postures and forces. Yet, using digital human model software packages is usually complex and time-consuming. A challenging aim therefore consists in developing an easy-to-use digital human model capable of computing dynamic, realistic movements and internal characteristics in quasi-real time, based on a simple description of future work tasks, in order to achieve reliable ergonomics assessments of various work task scenarios. We developed such a dynamic digital human model, which is automatically controlled in force and acceleration and inspired by human motor control and based on robotics and physics simulation. In our simulation framework, the digital human model motion was controlled by real-world Newtonian physical and mechanical laws. We also simulated and assessed experimental insert-fitting activities according to the occupational repetitive actions (OCRA) ergonomic index. Simulation led to satisfactory results: experimental and simulated ergonomics evaluations were consistent, and both joint torques and digital human model movements were realistic and coherent with human-like behaviours and performances.

L’évaluation des facteurs de risques biomécaniques d’une activité de travail est généralement basée sur l’analyse des postures et des efforts d’un opérateur humain réalisant la tâche. Une telle analyse est impossible lors de la conception d’une nouvelle situation de travail, tant que le futur poste de travail n’est pas disponible matériellement. Une solution est alors d’évaluer l’ergonomie du poste à l’aide de mannequins numériques (MN), mais la mise en œuvre de ces logiciels est complexe et coûteuse en temps. Ainsi, le développement d’un système capable d’animer, à partir de données de conception simples, un MN de manière rapide, objective et fiable en termes d’évaluation ergonomique constitue un véritable défi. Dans cet article, nous présentons le contrôleur que nous avons développé dans ce but. Inspiré du contrôle moteur humain et basé sur des techniques de simulation physique et de robotique, il a été validé expérimentalement : une tâche manuelle d’assemblage a été observée en laboratoire et simulée à l’aide de ce contrôleur. Les résultats sont satisfaisants : les évaluations ergonomiques des simulations et des observations expérimentales sont en cohérence, et les caractéristiques des mouvements (trajectoires, vitesses) et des efforts (couples) respectent le comportement et les performances humaines.

Mots clés: digital human model; DHM; human learning; dynamic control; ergonomic analysis

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Génie des procédés; Biomécanique [physics.med-ph]; Sciences de l'Homme et Société

Giovanni de Magistris, Alain Micaelli, Jonathan Savin, Clarisse Gaudez, Jacques Marsot. Dynamic digital human models for ergonomic analysis based on humanoid robotics techniques. International Journal of the Digital Human, 2015, 1 (1), pp.81-109. ⟨10.1504/IJDH.2015.067135⟩. ⟨hal-01171409⟩