Assessing the variability of operators' morphology for assembly tasks using virtual reality
Prise en compte de la variabilité de morphologie de l’opérateur dans des tâches de montage simulées en réalité virtuelle
Résumé
In industry, musculoskeletal disorders are a major health issue affecting the well-being and the productivity of workers. An ergonomist aims at identifying risk factors in order to implement corrective measures that improve working conditions. Among those risk factors, the morphology of a worker has a decisive impact on the development of musculoskeletal disorders, and must be taken into account during ergonomic assessment. In this context, the objective of the thesis is to develop tools to account for the morphology of workers when designing workstation activities. In particular, virtual human simulation tools are commonly used to reduce prototyping costs by detecting design flaws as early as possible. Simulations can model different humans and their behaviors and can quickly provide comprehensive and quantitative risk analysis. However, a simulation tool must model physical phenomenon precisely enough for the results to be interpretable. In particular, the generated postures and movements must be adapted to the activity and the human morphology. Moreover, such a tool needs to be accessible to non-specialist users with minimal learning time. An emerging approach in ergonomics used in this work consists in simulating humans in a physics simulation using a whole-body controller. This approach is able to generate dynamically-consistent motions and efforts in real-time. Moreover, the approach is generic and can be applied to different human morphologies and workstation scenarios. In a first contribution, the problem of puppeteering a physics-based virtual human is studied. The simulation enforces physical constraints, making it more difficult to puppeteer the virtual human. To address this issue, we develop a virtual reality interface, with the user immersed in the virtual workstation of the worker. With this approach, the user is able to interact more naturally with virtual humans of different morphologies, and more easily visualize the postures and internal efforts involved. In a second contribution, the problem of generating morphology-specific behaviors for a large population of humans is studied. We propose an approach utilizing a multi-task black-box algorithm based on quality-diversity optimization, to efficiently optimize the parameterization of whole-body controllers for the studied population. On a screw driving scenario, the approach generates unique behaviors for each morphology, optimized in terms of performance and ergonomics. In addition, the approach produces a suitability map that gives a global visualization of whether or not a workstation is suitable for the target population.The presented approaches open up new ideas to explore, such as directly optimizing workstations based on the human morphology, or studying morphology-related behavioral variability.
Dans l'industrie, les troubles musculo-squelettiques constituent un problème de santé majeur affectant le bien-être et la productivité des travailleurs. Le travail d'un ergonome consiste à identifier les facteurs de risque et à mettre en place des mesures correctives pour améliorer les conditions de travail. Parmi les facteurs de risques, la morphologie d'un individu a un rôle déterminant sur le développement des troubles musculo-squelettiques et doit être prise en compte lors de l'évaluation ergonomique. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de développer des outils pour évaluer l'adéquation d'un poste de travail à une grande variété de morphologies de travailleurs. Les outils de simulation d'humains virtuels sont couramment utilisés dans l'industrie pour réduire les coûts de prototypage en détectant au plus tôt les défauts de conception. Ces outils peuvent simuler différentes morphologies d'humains et dresser rapidement une analyse complète et quantitative du risque. Cependant, un outil de simulation doit être suffisamment réaliste dans la modélisation des phénomènes physiques pour que les résultats soient interprétables. De plus, les postures et les mouvements générés doivent être adaptés à l'activité mais aussi à la morphologie de l'humain. Enfin, un tel outil doit être accessible à des utilisateurs non-spécialistes, avec un temps nécessaire minimal pour sa prise en main. Une approche émergente en ergonomie et utilisée dans ces travaux consiste à simuler l'humain dans une simulation physique à l'aide d'un contrôleur corps-complet issu de la robotique humanoïde. Cette approche permet de générer en temps interactif des mouvements et des efforts dynamiquement cohérents. De plus, l'approche est générique et peut être appliquée à différentes morphologies d'humains et à différents scénarios de postes de travail. Dans une première contribution, le problème de la mise en posture d'un humain virtuel physique est étudié. En effet, la simulation utilisée impose des contraintes liées à la physique, qui rendent plus difficile la mise en posture de l'humain virtuel. Pour répondre à cela, nous développons une interface en réalité virtuelle, avec l'utilisateur en immersion dans le poste de travail virtuel. Cette approche permet à l'utilisateur d'interagir de manière plus naturelle avec des humains virtuels de morphologies différentes et de visualiser plus facilement les postures et les efforts internes en jeu. Dans une deuxième contribution, le problème de la génération de comportements spécifiques à la morphologie pour une large population d'humains est étudié. Nous proposons une approche utilisant un algorithme multitâches et boîte noire basé sur l'optimisation qualité-diversité, pour optimiser efficacement le paramétrage des contrôleurs corps-complet pour l'ensemble des individus. Sur un scénario de vissage, notre approche permet de générer des comportements uniques pour chaque morphologie et optimisés en termes de performance et d'ergonomie. En outre, cette approche produit une carte d'adéquation qui permet de voir directement si un poste de travail est adapté ou non à la population ciblée.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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