Efficient motion analysis and virtual reality methods for preventive and corrective ergonomics

Résumé :

Le besoin de prévention et de réduction de la fréquence d'apparition des troubles musculo-squelettiques (TMS) est la cerise sur le gâteau de tous les débats traitant du bien être et de la santé au travail. A l'aune de cet enjeu sociétal majeur, il est nécessaire de développer des outils et des méthodes permettant de prévenir ces pathologies de manière systématique dans de nombreux domaines professionnels. Les facteurs de risque physiques sont les plus impactant (tâches en force, répétitions, vibrations,...), et c'est pourquoi mes objectifs de recherche se focalisent sur ces derniers, en cherchant à démocratiser l'usage de méthodes performantes d'analyse de ces risques au moyen de deux contributions spécifiques:

• Analyse musculo-squelettique efficace pour l'ergonomie: l'analyse musculo-squelettique est une méthode avancée d'analyse biomécanique du mouvement humain, prédisant en particulier les forces musculaires générées pour la réalisation d'une tâche donnée. Pour permettre l'usage de telles méthodes de manière systématique et journalière en ergonomie, il est nécessaire de lever des verrous scientifiques: tout d'abord, le temps de calcul doit être minimisé pour permettre ce type d'analyse en temps rapide, ensuite, les modèles doivent être mis à l'échelle de manière précise pour permettre une bonne prédiction des quantités biomécaniques. Enfin les besoins expérimentaux pour réaliser une telle analyse sont très lourds et rendent difficile l'usage de telles méthodes in situ. Ma recherche se focalise sur ces 3 verrous, notamment par le biais du développement de solutions au sein d'un logiciel open-source nommé CusToM.
• Realité virtuelle efficace pour l'ergonomie: analyser les postes de travail ou les produits dès leur conception est une manière efficace de prévenir l'apparition des TMS. La réalité virtuelle est un outil extrêmement puissant de ce point de vue, permettant d'exploiter une maquette virtuelle du poste en conception pour en réaliser l'analyse ergonomique. Cela représente un gain de temps et d'argent considérable en comparaison avec l'usage de maquettes/prototypes physiques. Seulement, il est difficile de juger de la fiabilité des résultats d'une analyse biomécanique réalisée en environnement virtuel. De surcroit, l'application en conception nécessite le développement de modes d'interaction et de collaboration entre différents acteurs (utilisateurs finaux, ingénieurs, ergonomes). Ma recherche dans ce domaine consiste à proposer des méthodes d'analyse de la fidélité biomécanique des environnements virtuels pour des applications d'ergonomie, et de proposer des modes et métaphores d'usage performants pour le design collaboratif de l'ergonomie des postes de travail en réalité virtuelle.

Abstract:

The need of prevention and occurrence reduction of work related musculoskeletal disorders is the icing on the cake of all consensual debates about well-being and health at work. Since this is a major issue in our modern societies, there is a need of adapted tools and methods to be developed to prevent such diseases systematically in many work sectors (industrial plants, office work,...), particularly in analyzing the most prevalent risk factors that are the physical ones (strenuous tasks, repetitions, vibrations,...). My research is focused on this idea, by democratizing the use of advanced assessment methods for ergonomics in two specific fields:

• Efficient musculoskeletal analysis for ergonomics: musculoskeletal analysis is an advanced way to analyse the human motion at a biomechanical level, providing in particular muscle forces involved in a given task to an ergonomist in charge of a diagnosis. To achieve a widespread use of such methods for ergonomics, there are several issues that still need to be solved: first, the computation time has to be decreased to enable analysis in almost real time. second, scaling of the models to the subjects is still a large source of error in such analyses. Third, the experimental setups able to achieve accurate musculoskeletal analysis are still expensive and difficult to use out of the lab. Therefore, my research in this field focuses on these three issues, following the idea of democratization of such tools for ergonomics analysis. This also led to the development of multiple methods in a unique open-source software called CusToM.
• Efficient virtual reality for ergonomics: analysing the workstations during their design is a promising way to prevent musculoskeletal disorders appearance.Virtual reality seems to be a relevant tool to be used in this case. However, there is a lack of reliability of the conclusions made in a virtual environment with regard with the real world. Moreover, such a specific application need the development of dedicated modes and metaphors of interaction between multiple actors (end-users, ergonomists, designers). My research in this field consists in assessing the biomechanical fidelity of such environments for ergonomics purposes, and to propose to efficient tools and metaphors enabling collaborative ergonomic design sessions in such environments.