Contribution for the ergonomic analysis using virtual human
Contributions pour l’analyse ergonomique de mannequins virtuels
Résumé
Physical fatigue in occupational activities leads to potential musculoskeletal disorder (MSD) risks, and it has received great attention to model the fatigue in order to prevent potential risks in ergonomics. Meanwhile, virtual human techniques have been used a lot in industrial design in order to consider human factors and ergonomics as early as possible. However, fatigue effect is considered sufficiently neither in conventional ergonomics tools nor in virtual human simulation tools. In this thesis, we are focusing on the modeling of muscle fatigue and recovery processes in manual handling operations, its potential applications, and the integration of fatigue effect into human operation evaluation and human simulation tools.
At first, a simplified muscle fatigue model is proposed based on motor-unit pattern in muscle physiology to predict the reduction of physical strength in manual handling operations. Theoretical approach and experimental approach are used to validate the fatigue model. In theoretical way, comparisons have been made between the proposed model and existing maximum endurance models in static cases and other muscle fatigue models in dynamic cases. From theoretical analysis, fatigue resistance for a specific muscle group of a certain population can be determined by regression method. Secondly, in experimental method, a total of 40 subjects carried out the simulated drilling operation under posture constraints. Along the working process, the simulated job static strengths were measured as an index of the physical fatigue, and the posture of the upper limb was also captured in the operation. It has been found that the fatigue of most of the subjects followed the exponential function predicted by the fatigue model. At last, the fatigue model is integrated into our new virtual human simulation framework for evaluating industrial operations and predicting human posture in multi-objective optimization method.
The fatigue and recovery model proposed in this thesis is useful for evaluating physical fatigue in manual handling operations, analyzing human posture, identifying the human fatigue and recovery properties, and optimizing the design of manual handling operations.
La fatigue physique dans les activités professionnelles conduit à des risques éventuels de troubles musculo-squelettiques (TMS). Les recherches en ergonomie ont pour objectif la prévention des risques potentiels. Ainsi, la simulation de mannequins virtuels a été beaucoup utilisée dans l'industrie, afin d'examiner les facteurs humains et l'ergonomiques dès que possible. Cependant, l'effet de la fatigue n'est pas encore suffisamment considéré ni dans les analyses ergonomiques conventionnelles, ni dans les outils de simulation. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la modélisation de la fatigue et la récupération musculaire dans les opérations de manutention, et ses applications potentielles, et l'intégration de ses effets dans les évaluations des opérations et des outils de simulation.
Dans un premier temps, un modèle simplifié de la fatigue musculaire est proposé sur la base de paramètres physiologiques pour prédire la réduction de la force physique dans les opérations de manutention. Une approche théorique et une approche expérimentale ont utilisé pour valider ce modèle. Dans la première approche, des comparaisons ont été faites entre notre modèle et les modèles d'endurance pour des cas statiques et des cas dynamiques. De l'analyse théorique, la résistance à la fatigue pour un groupe de muscles d'une certaine population ne peut être déterminée par la méthode de régression. Dans la deuxième approche, 40 ouvriers ont effectué la simulation d'opérations de perçage sous contraintes posturales. Outre le processus de travail, les forces exercées par les ouvriers dans la simulation des perçages ont été mesurées comme un indice de la fatigue physique, et la posture des membres supérieurs a également été mesurée grâce à un système de capture de mouvements. Il a été constaté que la fatigue de la plupart des sujets a suivi la fonction exponentielle prédite par le modèle de la fatigue. Enfin, le modèle de fatigue est implémenté dans notre logiciel de la simulation de mannequin pour évaluer des opérations de manutention et faire de la prédiction de postures de travail avec une méthode d'optimisation multi-objectifs.
Les modèles de fatigue et de récupération proposés dans cette thèse sont utiles pour évaluer la fatigue physique lors d'opérations de manutention, pour analyser la posture de travail, pour identifier les propriétés de fatigue musculaire, et pour optimiser la planification des opérations de manutention.
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