INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE ET DE SÉCURITÉ

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1 INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE ET DE SÉCURITÉ pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles Rapport Technique IET S/06RT076/JMs/LCn Octobre 2006 PERFRV 2 Lot 1.1 Etat de l'art des méthodes et outils utilisés pour l'évaluation en conception d un poste de travail MARSOT Jacques, CLAUDON Laurent SIÈGE SOCIAL 30, rue OlivierNoyer PARIS CEDEX CENTRE DE LORRAINE avenue de Bourgogne B.P. n VANDOEUVRE CEDEX

2 INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE ET DE SÉCURITÉ Centre de Lorraine Département Ingénierie des Equipements de Travail Avenue de Bourgogne B.P VandoeuvreLesNancy Rapport Technique IET S/06RT076/JMs/LCn Octobre 2006 PERFRV 2 Lot 1.1 Etat de l'art des méthodes et outils utilisés pour l'évaluation en conception d un poste de travail MARSOT Jacques, CLAUDON Laurent Diffusion externe : Claude ANDRIOT (CEACoordinateur de PERFRV 2) Diffusion interne : L / IET (G. Lovat, J. Ciccotelli, J. Marsot, L. Claudon, ICS, SCt, Chrono)

3 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 2 Sommaire 1 Avant propos Problématique Estimation du risque accident Matrice de risque Graphe de risque Equation numérique Abaques Autres méthodes Evaluation ergonomique Evaluation des manutentions manuelles Evaluation des facteurs de risque de survenue de tms Evaluation des postes d'assemblage et de montage Moyens de mesure Mannequins numériques Jack Safework pro / delmia human Conclusion Références bibliographiques Annexe I : principales méthodes d'estimation des risques "machines" Annexe II : principaux évaluateurs ergonomiques Annexe III : les outils logiciels pour les «méthodistes» Annexe IV : logiciels de mannequins numériques v v v v

4 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 3 1 Avant propos Nous rappelons que les objectifs du lot 1.1 de la plate forme PERFRV2 concernent le développement de nouveaux modules logiciels de Réalité Virtuelle (RV), complémentaires aux outils de CAO 1 actuels, afin de mieux prendre en compte les facteurs humains lors de la (re)conception de postes de travail. Il s'agit plus particulièrement de permettre une meilleure estimation, dès les premières phases de la conception, des critères utilisés pour l'évaluation des postes de travail et, ce, tant du point de vue de la prévention du risque accident que de l'ergonomie. Infine, il s'agit d'améliorer la santé, la sécurité et le confort des opérateurs. Ainsi, après un bref rappel de la problématique, ce document présente un état de l'art des méthodes et outils permettant aux concepteurs de réaliser une estimation du risque accident et ergonomique d'un poste de travail. 2 Problématique La notion de «Prévention intégrée», qui consiste à appliquer au plus tôt des principes de conception sûre à un futur équipement de travail, est édictée par la directive européenne codifiée 98/37/CE dite «Machines» [1] et les normes associées 2. La stratégie de prévention préconisée dans ces textes est centrée autour de l estimation à priori des risques ; elle fixe comme objectif au concepteur d'équipements de travail d'obtenir le niveau de risque résiduel le plus faible possible compte tenu de l'état de la technique (cf. figure 1). R e t o u r d' e x p é r i e n c e Concepteur Mesures de prévention intrinsèques Mesures de prévention complémentaires (protecteurs, dispositifs de protection, etc.) Information pour l'utilisation (notice, signalisation, etc. Utilisateur Mesures de protection complémentaires Mesures organisationnelles Equipements de protection individuelle Formation Risque Figure 1 : Processus de réduction du risque d'après [2] 1 CAO : Conception Assistée par Ordinateur 2

5 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 4 Si les outils logiciels de conception en 3D, de simulation numérique ont contribué à réduire les risques de dommage liés à des défaillances techniques, le concepteur dispose de peu de moyens pour anticiper les futures situations d usage et ainsi prévenir des situations accidentelles, des postures de travail inadaptées, et plus généralement des situations à risque pour les utilisateurs. Depuis peu, l exploitation de modèles anthropométriques (cf. chapitre 5) et/ou de prototypes [3] facilitent le dimensionnement des postes de travail et la prise en compte d un premier niveau d interaction HommeSystème. En faisant intervenir physiquement, en tant qu acteur, l'utilisateur dans le cycle de conception, la RV ouvre la possibilité de mieux appréhender les futures interactions Homme Système Environnement. En dotant le concepteur de moyens d'exploitation virtuels, celuici peut vérifier par itérations successives, que les procédures, modes opératoires..., envisagés en exploitation n'introduisent pas de risques spécifiques, ne dégradent pas le niveau de sécurité du système. Le schéma initial de la figure 1 s enrichit d une boucle de rétroaction permettant d exploiter les analyses et résultats issus de la simulation dans un environnement virtuel ; les niveaux de risques résiduels hérités de la conception devraient en être diminués (cf. figure 2). R e t o u r Concepteur d' e x p é r i e n c e Non Réduction du risque satisfaisante? Oui Utilisateur Simulation de la tâche en environnement virtuel Figure 2 : Processus de réduction du risque et RV Pour que les premières applications de RV dans le domaine de l'analyse de risques et de l application de mesures de prévention et de l'ergonomie [4] à [7] soient réellement appliquées à des cas industriels concrets, nous attendons de ces simulations qu elles rendent réellement compte de l activité future de l opérateur dans les conditions de travail envisagées. Pour cela, la simulation doit reproduire le plus fidèlement possible une situation de travail pour que l opérateur puisse «exercer» son activité dans les conditions de réalisation prévues et permettre l'estimation des critères utilisés pour l'évaluation des postes de travail et, ce tant du point de vue de la prévention du risque accident (cf. chapitre 3) que de l'ergonomie (cf. chapitre 4).

6 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 5 3 Estimation du risque Accident En prévention technique des machines et systèmes de production, on représente schématiquement la chaîne des événements conduisant à l accident par une suite de conjonctions telle que représentée par la figure 3. Un équipement de travail, de par les énergies en présence (de nature électrique, thermique, cinétique, etc.), est considéré comme étant une entité dangereuse. Associer à ce soussystème technique une présence humaine implique la survenue de situations potentiellement dangereuses. Toute situation potentiellement dangereuse ne conduit pas pour autant au dommage. Encore faut il que l enchaînement des différentes étapes soit conditionné par d'autres facteurs ; persistance de phénomènes dangereux, apparition d'événements critiques, nonpossibilités d'évitement. soussystème technique (entité dangereuse) soussystème humain (homme) Evénement critique (défaillance du circuit de commande par exemple) et situation potentiellement dangereuse et situation dangereuse non annihilation du phénoméne dangereux F expo non évitement et et accident (dommage) P occ P évit Gravité Figure 3 : Chaîne des événements conduisant à l accident Le risque «Machine» est donc fonction de la gravité (G) et de la probabilité d occurrence de la blessure ou dommage encouru [8]. Cette probabilité dépend ellemême de trois paramètres : la fréquence et/ou la durée d exposition (F expo ), la probabilité de d occurrence de l événement dangereux (P occ ). Cette probabilité d occurrence peut d être d origine humaine (manœuvre inappropriée par exemple) ou technique (défaillance de composant, erreur logicielle, etc.). Elle est également influencée par l environnement du poste de travail et des aptitudes de(s) personne(s) exposée(s) à maîtriser les risques encourus, la possibilité d éviter ou de limiter le dommage (P évit ).

7 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 6 En ce qui concerne la démarche d'estimation du risque, c'est à dire la détermination d'un indice de risque permettant d ordonner les niveaux de risque, il existe une diversité des pratiques lors de la manipulation des concepts et paramètres attachés au risque [9]. En effet, plusieurs méthodes applicables à la conception d'équipements de travail ont été recensées (cf. annexe I). Toutefois, les paramètres utilisés restent assez semblables d une méthode à l autre. La principale différence porte sur le nombre de paramètres utilisés dans ces méthodes et le nombre de niveaux utilisés pour évaluer chacun de ces paramètres 3 (cf. tableau I). Paramètres d'estimation du risque Mention du paramètre (%) Nombre de niveaux Gravité 100 4% 22% 43% 19% 7% 2% 1% 2% Fréquence d'exposition Durée d'exposition Fréquence et durée d'exposition Prob. d'occurrence du dommage Prob. d'occurrence de l'événement dangereux Possibilité d'évitement du dommage 18 11% 33% 11% 22% 11% 11% 6 25% 48 12% 18% 16% 32% 12% 8% 2% 24 4% 25% 29% 29% 13% 31 3% 23% 10% 43% 10% 7% 3% 17 73% 7% 13% 7% Tableau I : Répartition (%) des paramètres et du nombre de niveaux utilisés pour l'estimation des risques La définition de ces facteurs d'entrée est essentiellement basée sur de l'observation et sur du dire d'expert. Ils sont combinés afin d obtenir un niveau de risque. Nous avons classé ici en 5 grandes familles les différentes représentations utilisées pour déterminer un niveau de risque (cf. figure 5) Matrice 54% Graphe 10% Hybrides 18% Equation 15% Abaques 3% Figure 5 : répartition des principaux modes de représentation pour l'estimation du risque 3 Pour plus de détails, nous invitons le lecteur à se reporter à la référence bibliographique [9)

8 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page Matrice de risque Une matrice de risque (cf. tableau II) est une table dont la forme la plus courante est bidimensionnelle et qui permet de combiner toutes les classes de toutes les entrées (une entrée correspond à la "gravité du dommage" et la seconde correspond à la "probabilité d occurrence de ce dommage"). L utilisation d une telle méthode est simple. Pour chaque situation dangereuse identifiée, une catégorie est affectée à chaque critère d entrée. Le niveau de risque de la situation dangereuse étudiée est obtenu par projection des catégories des entrées sur le référentiel de risque (ici la matrice). Il existe des matrices qui peuvent prendre en facteur d entrée plus de deux facteurs mais leur utilisation est plus délicate (cf. tableau II). Par exemple, pour une gravité élevée (S2) et une exposition faible (F1), l intersection avec les critères d'occurrence (élevéeo3) et d'évitement (faiblea1) donne un niveau de risque de 3. S : Severity F : frequency of Exposure O: probability of Occurrence A : possibility of Avoidance 3.2 Graphe de risque Tableau II: Exemple de matrice de risque d'après [10] Un graphe de risque a une structure d arbre de décision que l on lit de gauche à droite (cf. figure 6). Chaque nœud de l arbre représente un facteur. Chaque facteur a au moins deux classes, et chaque classe est représentée par une ramification du nœud. Pour chaque situation dangereuse, on alloue une classe à chaque critère d entrée. Un chemin est alors tracé en fonction des classes des différents critères d entrée. La ramification finale donne un niveau de risque en accord avec le chemin suivi. Figure 6: Exemple de graphe de risque d'après [10]

9 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page Equation numérique Ce type de méthode utilise plusieurs facteurs qui sont généralement définis en niveaux. Le fonctionnement reste sensiblement identique aux méthodes précédentes : une catégorie est choisie pour chacun des facteurs et les valeurs numériques ou poids associés sont alors combinés (soit par addition et/ou par multiplication) afin de donner une valeur numérique pour le risque estimé. Un exemple de ce type de méthode est celui donné par l AISS 4 [11]. Le risque résultant (cf. figure 7) est obtenu en utilisant une expression analytique du type : R = M(E P ) 30 avec "M" = Gr (gravité) x Ex (exposition) x Pr (prob. d'occurrence) x Ev (évitement). "E" et "P" sont respectivement des paramètres relatifs l'environnement de travail (bruit, éclairage, etc.) et à l'opérateur (qualification, formation, etc.). 60 Indice de risque Figure 7 : Illustration d'une représentation numérique 3.4 Abaques L utilisation d'un abaque se fait en tirant une ligne entre le niveau de probabilité représentatif de la situation analysée et l exposition au danger. Cette ligne est prolongée jusqu à la ligne centrale (tie line). A partir de ce point, le niveau de risque est obtenu en traçant une ligne passant par la conséquence estimée pour la situation de travail analysée. Ils permettent une représentation visuelle du processus menant à l estimation du niveau de risque et de ce fait, peuvent être plus facilement utilisables par certaines personnes (en fonction de leurs habitudes et de leur perception de l outil). 4 AISS : Association Internationale de Sécurité Sociale

10 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 9 Probability Level 1 in 10 Frequent 1 in in in Probable Occasional Remote <1% Very rare 1% 25 % 50 % 75 % 100 % continuous 1 in Improbable Exposure to hazard Risk Level Consequences Multiple VI Fatalities Fatality V Severe IV Major III Minor II Insignifiant I HIGH Substantial Moderate LOW A B C D 1 in million Ex tremely Remote TIE LINE Figure 7: Abaque : le calculateur de risque de Raafat [12] 3.5 Autres méthodes Les méthodes hybrides sont des méthodes qui combinent plusieurs approches (de celles présentées cidessus). On peut ainsi avoir, par exemple, la détermination des facteurs sous forme numérique puis la détermination du niveau de risque à l aide d une matrice et/ou d'un graphe. Signalons également les tentatives pour appliquer la théorie des sousensembles flous [13] [14], dans ce domaine afin de pouvoir modéliser les incertitudes et les imprécisions.

11 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 10 4 Evaluation ergonomique L accroissement très important, depuis le début des années 80, du nombre de troubles musculosquelettiques (TMS) a conduit au développement d'un certain nombre de méthodes et/ou outils permettant le prise en compte de critères ergonomiques lors de la conception de postes de travail et de machines. Järvinen et Karwowski [15] puis Laurig [16] ont réalisé un état de l art dans ce domaine et ils ont identifié différentes familles d'évaluateurs ergonomiques. Les différents outils listés ciaprès font l objet d une description plus complète en annexe II. 4.1 Evaluation des manutentions manuelles Dans ce cas, les données d'entrées sont des caractéristiques relatives à l opérateur (anthropométrie, âge, genre), à l'objet manutentionné (dimension, poids, hauteur et distance des emplacements de départ et d arrivée) et à la fréquence de la manutention. A partir de calculs d efforts agissant sur la colonne vertébrale, de la dépense énergétique et de comparaison par rapport à des données issues de la littérature, ces outils fournissent en sortie soit un niveau de risque ou soit des recommandations concernant les valeurs limites de poids et de fréquence de manutention si ces dernières n étaient pas indiquées en entrée (cf. figure 8). Les plus connus sont ErgonLIFT [17], LIFTAN [18], ERGONEXPERT [19], MMHEXPERT [20] ainsi que les travaux de Jung et Freivalds [21]. Plusieurs outils logiciels sont commercialisés dans ce domaine par exemple : Ergoweb : Job Evaluator ToolBox Software 5, Nexgenergo : ErgoIntelligence TM Manual Materials Handling (MMH) 6, Université de Michigan : EEPP 7 et 3DSSPP 8. Figure 8 : exemple de présentation du logiciel 3DSSPP permettant le calcul des efforts lors de lever de charges DSPP : ThreeDimensional Static Strength Prediction Program (

12 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page Evaluation des facteurs de risque de survenue de TMS A partir d informations relatives aux postures adoptées et aux efforts développés par les opérateurs, différents outils tels que RULA, STRAIN INDEX, OCRA, CTD RISK INDEX, 3DSSPP (cf. annexe II) délivrent un indice de risque permettant de savoir si une action corrective du poste de travail doit être menée. Une analyse des points forts et points faibles de ces différents outils est proposée dans [22]. Une version informatisée, sous forme de feuilles Excel, de pratiquement toutes les méthodes décrites cidessus est disponible sur le site web Par ailleurs, différents outils logiciels relatifs à ce domaine sont commercialisés, notamment Nexgenergo : ErgoIntelligence TM UEA 9 et Ergoweb : Job Evaluator ToolBox Software. 4.3 Evaluation des postes d'assemblage et de montage A partir d un descriptif des pièces à assembler, des outils utilisés et des différentes opérations à effectuer, ces outils ont pour objet d optimiser l emplacement des différents composants sur le poste de travail afin de minimiser à la fois les contraintes de l opérateur en termes de posture, d amplitude et de répétitivité des gestes et les coûts liés aux temps d assemblage généralement calculés au moyen de la méthode MTM 10. Les principaux outils de ce type publiés dans la littérature scientifique sont MAID [23], EASY [24], EMMA [25] [26] ainsi que les travaux de Kengskool et al. [27], Pham et Onder [28], Choon et Ek [29] et BenGal et Bukchin [30]. Les outils logiciels présentés en annexe III permettent donc au méthodiste qui conçoivent les postes d'assemblages d évaluer certains aspects ergonomiques du poste de travail et d essayer plusieurs solutions afin de trouver celle qui répond à la fois aux exigences de production et qui sollicite le moins l opérateur. 4.4 Moyens de mesure Les moyens utilisés pour évaluer ces différents facteurs sont listés dans le tableau III ci dessous On distingue deux types : les équipements "lourds" qui nécessitent une instrumentation complexe et une expertise en biomécanique et/ou physiologie. Ils sont donc plutôt réservés à des expérimentations de laboratoire, les moyens "simples" facilement utilisables sur le terrain car sans instrumentation. 9

13 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 12 Echelles d'auto évaluation Checklist Observation directe ou Vidéo Mesure des temps (Chronos) Dynamomètre / Pesée Goniomètre EMG 11 Capture de mouvement Type Efffort Postures Répétitivité "Simple" (dérivée) "Lourd" Tableau III : Principaux moyens de mesures des paramètres utilisés dans les évaluateurs ergonomiques Comme nous venons de le voir, ces outils d'évaluation se basent principalement sur de l'observation (directe ou vidéo) et/ou de la mesure. De ce fait, ils sont difficiles à mettre en œuvre dès les premières phases de la conception d'autant plus que, mis à part quelques logiciels de mannequin numériques (cf. chapitre 5), ils ne sont pas intégrés dans les outils CAO habituellement utilisés par les concepteurs. 10 MTM : MethodsTime Measurement 11 EMG : ElectroMyoGraphie de surface (EMGs).

14 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 13 5 Mannequins numériques Les années 60 et suivantes ont vu apparaître dans la littérature scientifique un grand nombre de mannequins numériques encore appelés humanoïdes ou avatar. Initialement, ces modèles numériques permettaient la représentation graphique d une forme humaine numérique en conditions statiques et pour laquelle il était essentiellement possible de faire varier les dimensions anthropométriques et certains éléments de sa posture. Aujourd hui, ces mannequins numériques peuvent être insérés dans un des modèles CAO complexes, tel qu un poste de travail. L objectif étant de simuler différents types de situation afin d observer comment certaines évolutions de conception peuvent affecter les performances humaines ou créer des risques pour la santé des opérateurs. Les principales situations d utilisation de mannequins sont celles concernant la conception de produits, les lignes de production, la maintenance d installations ainsi que la formation de personnels [31] à [34]. Les principales fonctions dévolues à ces logiciels concernent : la représentation numérique (mannequin) d'opérateurs dans des plans CAO 3D de postes de travail. Ces mannequins sont paramétrables du point de vue anthropométrique (modèles féminins et masculins en fonction des différents percentiles de taille) et biomécanique (limites angulaires des articulations), la simulation de postures et/ou de séquences d'activité (gestes, changement de posture, saisie d'un objet, déplacement, etc.), la vérification de prescriptions anthropométriques telles que des données dimensionnelles du poste, les zones d atteintes et le champ de vision du futur opérateur, la vérification de contraintes biomécaniques et/ou physiologiques à l'aide des évaluateurs décrit précédemment (cf. chapitre 4). Les principaux logiciels commerciaux de mannequins intégrés à l univers de la conception d'équipements de travail sont listés dans la tableau IV ciaprès. Les deux principaux sont JACK (UGS) et DELMIA HUMAN (Dassault Systèmes). Les autres logiciels sont présentés en annexe IV. 5.1 JACK Le développement de Jack débuté au milieu des années 80 dans le Department of Computer and Information Science de l Université de Pennsylvania sur des fonds de la NASA. Aujourd hui, il fait partie de la gamme des outils de conception proposés par la société UGSPLM Solutions 12. Il est constitué de 69 segments (dont 17 segments pour représenter la partie de colonne vertébrale située en dessous du cou), de

15 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 14 articulations, de mains totalement articulées à 16 segments et d un modèle d épaule sophistiqué, les articulations sternoclaviculaire, acromioclaviculaire et glenohumérale sont simultanément animées lors d un mouvement du bras (cf. figure 9). Jack dispose plusieurs bases de données pour les dimensions anthropométriques telles que la base ANSUR 1988 qui offre la possibilité de paramétrer plus de 120 mesures par personne. Il peut être animé manuellement soit par cinématique directe et/ou inverse soit en précisant le point à atteindre. Il est également possible d animer ce mannequin grâce à des données provenant de systèmes d analyse de mouvement (Vicon par exemple), de gants numériques de type Cyberglove ou d intégrer des systèmes de vision stéréoscopique tels que des casques immersifs. Les collisions entre le mannequin et son environnement sont également automatiquement détectées [35]. Les outils d analyse ergonomique fournis sont très complets et comprennent l équation du port de charge du NIOSH, l estimation du risque de lombalgie, le calcul des efforts statiques (3DSSPP), les valeurs limites de port de charge et de tirer/pousser, l analyse de la fatigue, le calcul de la dépense énergétique, des évaluateurs ergonomiques de type RULA et OWAS (cf. annexe II). Jack permet également de prédire le temps nécessaire à la réalisation de la tâche simulée grâce au moyen d une analyse MTM [36]. Figure 9 : le mannequin Jack

16 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page SAFEWORK Pro / DELMIA HUMAN Le développent de SAFEWORK a débuté durant les années 80 à l Ecole Polytechnique de Montréal. Ce mannequin est aujourd hui commercialisé par 2 sociétés : SAFEWORK Inc 13 et DELMIA, filiale de Dassault Système, sous le nom de HUMAN 14. DELMIA HUMAN est composé de 5 modules : un module de construction du mannequin, un module de définition des grandeurs anthropométriques et d animation manuelle, un module d analyse la posture, un module d analyse de l activité et un module de simulation permettant d animer le mannequin dans un environnement 3D. SAFEWORK/HUMAN est composé de 100 corps rigides (permettant une représentation anatomique complète de la colonne vertébrale, des mains, de l épaule et des hanches) paramétrables au moyen de 104 variables anthropométriques (cf. figure 11). SAFEWORK/HUMAN s appuie sur des bases de données anthropométriques très complètes (US Army Natick and KRISS 1997). Le champ de vision, les zones d atteintes et la détection de collision du mannequin avec son environnement sont proposés. L animation de ce mannequin se fait soit par cinématique directe ou inverse, par atteinte d un point dans l espace ou par définition d une trajectoire pour la marche. Les outils d analyse ergonomique fournis dans HUMAN comprennent un modèle permettant le calcul des efforts en condition statiques, les valeurs limites de port de charge et de tirer/pousser, le calcul de la dépense et l évaluateur ergonomique RULA (cf. annexe II). Figure 10: Exemple de visualisation des zones d atteintes (Human )

17 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 16 Modèle Société Nbre segm. Nbre artic. Anim. Popul. Base de donnéesa nthrop. Vision Zones attein. Détect. Collis. Boite outils sujet assis Eff. stat. Levé/po sé manut. man. Dép. énerg. Fatigue Owas RULA MTM Capt. mvt. Jack UGS/ Tecnomatix 69/ 68 Directe/ inverse H/F P/M/G ANSUR 88 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui emhuman UGS/ Tecnomatix? 100 Directe/ inverse H/F? Oui Oui Oui Non Oui Oui Non Non Oui Non Oui Non Delmia/ Safework Demia/ safework Directe/ inverse H/F? Oui Oui Oui Non Oui Oui Oui Non Non Oui Non Non /oui Process Engineer Delmia?? Directe H/F? Oui Oui Non Non Oui Oui Non Non Non Non Oui Non Ramsis Human Solutions Directe/ inverse H/F/E P/M/G pays Oui Oui Oui Oui Oui Non Non Non Non Non Non Non Ramsis dispose de nombreux outils pour l étude de mannequins placés à l intérieur d un véhicule (confort, sécurité,...) Sammie SAMMIE CAD Ltd Directe/ inverse H/F? Oui Oui Non Non Non Non Non Non Non Non Non Non Mannequin Nexgenergo?? Directe/ inverse H/F Natick 88 Oui Oui Non Non Oui Oui Non Non Non Non Non Non Boeing Human Modeling Boeing Directe H/F? Oui Oui Oui Non Non Non Non Non Non Non Non Non Anthropos Human Solutions Directe/ inverse H/F/E oui Oui Oui Non Non Oui Non Non Non Non Non Non Non Tableau IV : Principaux logiciels commerciaux de mannequins numériques

18 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 17

19 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 18 6 Conclusion Comme rappelé en début de ce document, nous attendons des simulations en RV qu elles permettent l'estimation des paramètres utilisés pour l'évaluation du risque et de l'ergonomie d'un poste de travail. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes d'évaluation, tant pour le risque accident que pour l'ergonomie, les paramètres utilisés restent assez semblables d une méthode à l'autre. Les principaux paramètres d'estimation du risque sont la gravité potentielle du dommage (G r ), la fréquence et/ou la durée d exposition (F expo ), la probabilité de d occurrence de l événement dangereux (P occ ) et la possibilité d éviter ou de limiter le dommage (P évit ). En ce qui concerne les évaluateurs ergonomiques, ils utilisent principalement comme données d'entrées des valeurs angulaires définissant la posture, des valeurs efforts développés par certaines segments corporels de l opérateur et des informations relatives à la répétitivité des gestes (temps de cycle, fréquence de mouvement, etc.). Il ne s'agit pas de valeurs précises, mais des classes dont l amplitude peut être relativement grande (cf. annexe II). Bien que dédiés à la conception, ces méthodes/outils se basent principalement sur de l'observation (directe ou vidéo), du dire d'expert et/ou de la mesure. De ce fait, elles sont difficiles à mettre en œuvre dès les premières phases de la conception d'autant plus qu'ils ne sont pas ou peu intégrés dans les outils CAO habituellement utilisés par les concepteurs. L'utilisation des logiciels de mannequins numériques permet une première prise en compte des interactions Hommesystème. Toutefois, bien que performants, ces logiciels demeurent d une relative complexité d'utilisation, notamment pour la simulation de séquences d'activité. Par ailleurs, les modèles biomécaniques utilisés sont encore très rudimentaires. Ils ne prennent généralement pas en compte les aspects dynamiques et/ou les efforts externes dans le calcul des efforts articulaires. Ainsi pour une meilleure estimation des risques et de l'ergonomie dès les premières phases de la conception, il faut pouvoir évaluer les paramètres listés dans le tableau V ciaprès. Pour cela, il est nécessaire de donner à un avatar 15 un comportement réaliste du point de vue biomécanique dans son environnement en termes de posture, de préhension, d'effort, d équilibre, de mouvement et de travail. C'est là l'enjeu de PERFRV2. 15 Avatar : Représentation de l utilisateur dans le monde virtuel

20 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 19 Il est important de rappeler que le paramétrage ainsi que le choix de l'évaluateur ergonomique les plus appropriés nécessitent des connaissances dans les domaines de l ergonomie, de la biomécanique et de la physiologie. Paramètres F expo Fréquence / durée d exposition Intérêt de la RV+mannequin numérique Permet d'obtenir en temps réel des indications de positionnement de l'opérateur (main, bras, ) vis à vis de zones dangereuses pendant la simulation de la tâche Risque "Accident" 16 Ergonomie P occ Probabilité de d occurrence de l événement dangereux P évit Possibilité d éviter ou de limiter le dommage Effort (articulaire ou musculaire) Posture (angles des segments corporels Répététivité (temps, vitesse de déplacement,..) Permet d'obtenir des indications sur des positions et/ou manipulations pouvant potentiellement conduire à des accidents (heurt de la tête sur un montant de châssis par exemple, ) Permet d'évaluer et de tester les possibilités d'évitement en simulant des situations accidentelles Dans le cas ou la simulation en RV permet de reproduire l'activité prescrite, les paramètres de posture et de répétitivité pourront être évalués en temps réel sur l'opérateur par l'intermédiaire du système de capture de mouvement nécessaire à la simulation Dans le cas où il n'est pas possible à l'utilisateur de reproduire l'activité, notamment du fait des limitations des systèmes haptiques (débattement, poids restituable ), ces paramètres pourront être obtenus par l'intermédiaire du modèle biomécanique intégrés dans l'avatar. Tableau V: Paramètres à estimer en RV 16 En ce qui concerne le paramètres "gravité", celuici est essentiellement lié au niveau d'énergie du phénomène dangereux et la RV n'est pas d'un intérêt primordial dans ce domaine.

21 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 20 7 Références bibliographiques [1] Directive 98/37/CE du 22 juin Rapprochement des législations des états membres relatives aux machines (JOCE n L 207) du 23/07/98 46 p. [2] NF EN ISO Parties 1 et 2 : Sécurité des machines Notions fondamentales, principes généraux de conception, AFNOR, Paris, janvier 2004, [3] Bernard A. "Développement rapide de produit : élaboration de prototype" pp dans "Conception de produits mécaniques" HERMES, Paris, 1998, ISBN , 575 p. [4] T. Määttä, "Virtual environments in machinery safety analysis", VTT Publications 516, Tampere, Finland, ISBN , 2003, 170p. [5] P. Chedmail, B. Maille, E. Ramstein, "État de l art sur l accessibilité et l étude de l ergonomie en réalité virtuelle", Industrial Ergonomics, n 3, 2002, pp [6] V. G. Duffy, P. W. N. Parry, A. Ramakrishnan "Impact of a simulated accident in virtual training on decisionmaking performance", Industrial Ergonomics, 2004, vol 344, pp [7] J. Ciccotelli, J. Marsot "Réalité virtuelle et Prévention Apports et tendances" HST 199, INRS, Paris, 2005, pp [8] EN ISO "Sécurité des machines Appréciation du risque ; Partie 1 : principes" AFNOR, Paris, 2005, 33p. [9] P. Lamy, E. Levrat, J. J. Pâques " Méthodes d estimation des risques machines : analyse bibliographique " λµ15, Octobre 2006, Lille [10] EN ISO "Sécurité des machines Appréciation du risque ; Partie 2 : guide pratique et exemples de méthodes" AFNOR, Paris, 2005, 33p. [11] Association Internationale de Sécurité Sociale "Calculez vousmême vos risques d'accident! Appréciation du risque mécanique au poste de travail"., 1998, ISBN [12] N. Worsell, J. Wilday, "The application of risk assessment to machinery safety Review or risk ranking and risk estimation techniques", Health and Safety Laboratory, 2001, 130 p. [13] A. Voisin, A. Léger, E. Levrat, P. Lamy, "Estimation des risques associés à l utilisation d une machine industrielle : conditions d utilisation des méthodes floues et exemple d application", λµ15, Octobre 2006, Lille [14] A. Léger, "Analyse des risques associés à l utilisation d une machine industrielle : conditions d utilisation des techniques floues", Rapport de DEA, Document de travail INRS n IETS/05DT084/AL, 2005, 76 p. [15] J. Järvinen, W. Karwowski "Applications of knowledgebased expert systems in industrial ergonomics : a review and appraisal". Computer Applications in Ergonomics, Occupational Safety and Health. M. Mattila and W. Karwowski (Eds). Elsevier Science Publishers B. V., Netherlands, 1992, pp [16] J. Laurig "Ergonomic Workplace design Development of a practitioner s tool for enhanced productivity".. PhD thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, [17] J. Vedder, W. Laurig "ErgonLIFT a computer based tool for evaluation and design of manual materials handling task". Proceedings of the 12 th Triennal Congress of the International Ergonomics Association, Toronto, Canada, Vol 2., pp

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24 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 23 Annexe I : Principales méthodes d'estimation des risques "Machines" Références bibliographiques CAN/CSAISO/TS 14798F01: "Ascenseurs, escaliers mécaniques et trottoirs roulants Méthodologie de l'analyse du risque" (Spécification technique ISO/TS 14798:2000, première édition, ). IEC /7 " Sécurité fonctionnelle: systèmes relatifs à la sécurité, parties 1 à 7", Commission Électrotechnique Internationale, Comité technique no. 65: Mesure et contrôle du procédé industriel,, ISO "Sécurité des machines Parties des systèmes de commande relatives à la sécurité Partie 1: Principes généraux de conception". International Standards Organisation, Norme internationale, 1996 DC "Sécurité des machines, Phénomènes dangereux, situations dangereuses, événements dangereux, dommages" Commission de la santé et de la sécurité du travail du Québec, (0702), ISO "Sécurité des machines, Principes pour l appréciation du risque", International Standards Organisation norme internationale,:1999. CD CEI " Sécurité des machines sécurité des fonctionnement des systèmes de commande électriques, électroniques, et programmables pour les machines" Genève, CEI, 2002, 90 p. DTE 127 "Sécurité des équipements de travail, Guide pour l analyse des risques et le choix des mesures de prévention" CRAMIF,, septembre ForsblomPärli, U. "Méthode Suva d appréciation des risques à des postes de travail et lors de processus de travail", Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents, référence f, octobre 2001 "Calculez vousmême vos risques d accident! Appréciation du risque mécanique au poste de travail" Comité "Sécurité machine" de l'association Internationale de Sécurité Sociale, No (F), 35 pages, J. Persson "Risk Assessment and Risk Reduction, Presentation to the first meeting of ISO/TC 199/WG 5", January H. Sjöström "Machine Safety Analysis, Presentation to the first meeting of ISO/TC 199/WG 5" January N. Worsell "HSL presentation on risk assessment, Presentation to the first meeting of ISO/TC 199/WG 5" January SAFEGUARD "Safe Book 2 Machinery Safety Safeguarding and Protective Measures Legislation, Theory and Practice" Scientific Technologies Inc., California, ANSI B11.TR3 "ANSI Technical Report for Machine Tools Risk Assessment and Risk Reduction A Guide to Estimate, Evaluate and Reduce Risks Associated with Machine Tools" American National Standard,: Logiciels "Risk Assessor, Safety Media", United Kingdom, Logiciel, "Méthode Suva d appréciation des risques à des postes de travail et lors de processus de travail", Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents, Logiciel, 2002.

25 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 24 Robot Risk Assessment, Robotic Industries Association, Logiciel, 1999.

26 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 25 Annexe II : Principaux évaluateurs ergonomiques Variation des dimensions anthropométriques Cet outil permet, en s appuyant sur des vraies bases anthropométriques, de faire varier facilement les dimensions anthropométriques du mannequin de manière à assurer la couverture de toute l étendue des mesures qu il est possible d observer (par ex. 5ème, 50ème et 95ème percentile de la population française). L analyse du champ de vision de l opérateur Cet outil permet de savoir ce que le futur opérateur verra lorsqu il sera à son poste de travail et ainsi de détecter une obstruction du champ visuel. L analyse des zones d atteintes Cet outil permet de connaître les zones d atteintes de l opérateur selon ses caractéristiques anthropométriques. Deux zones d atteintes sont généralement définies : La zone de confort qui correspond à une zone où les angles des différentes articulations restent dans des limites de confort et la zone d atteinte maximale qui définit les distances les plus lointaines que l opérateur pourra atteindre. Références ED 957 "Les troubles musulosqueléttiques du membre supérieur (TMSMS) : Guide pour les préventeurs", INRS, PARIS, 2005, 90 p. ISO "Sécurité des machines Prescriptions anthropométriques relatives à la conception des postes de travail sur les machines " CEN, Bruxelles, 2002, 28 p. La détection de collision Cet outil permet d avertir l utilisateur lorsque le mannequin entre en contact avec un objet localisé dans son environnement de travail. Ainsi, il est possible de détecter des impossibilités d action de la part du futur opérateur, par exemple l accessibilité d une pièce particulière, ou de vérifier le dimensionnement d un espace prévu pour le passage d une partie corps ou du corps entier. L analyse du lever/poser de charge du NIOSH (1981, 1991) Basés sur les équations de lever/poser de charge développés par un comité d experts du NIOSH 17, ces outils permettent d évaluer des tâches de lever/poser [de charges] symétriques ou asymétriques, incluant des actions avec des couplages non optimaux entre la main de l opérateur et l objet soulevé. Selon les postures considérées, la fréquence du port de charge, la durée de cette tâche au cours d une journée de travail, la qualité du couplage main/objet et le poids de l objet porté, les résultats affichent :

27 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 26 Référence : le poids ou la charge que la plupart des travailleurs en bonne santé pourrait soulever, une estimation relative du niveau de contraintes physiques associé avec la tâche de levage. NIOSH "Work practice guide for manual lifting" Technical report, n 81122, Department of Health and Human service, NIOSH, 1991, San Francisco, California. L analyse du port de charge et de tirer/pousser du liberty mutual 18, Basé sur des tables proposées par le Liberty Mutual Centre ces outils permettent de déterminer le poids maximum acceptable que des hommes et des femmes représentant différents percentiles de la population peuvent porter lors de tâches de manutention manuelles (tirer, pousser, lever, poser, port). Référence : Snook S. H. & Ciriello V. M. (1991). The design of manual handling tasks : revised tables of maximum acceptable weights and forces. Ergonomics, 34(9), pp Prédiction de la force statique 19 A partir d une posture statique, des forces extérieures appliquées au niveau des mains et des dimensions anthropométriques, cet outil permet de calculer les efforts s exerçant au niveau des articulations L4/L5 (vertèbres lombaires 4 et 5), des coudes, des épaules, des hanches, des genoux et des chevilles. Ainsi, les actions impliquant des efforts de compression lombaire trop élevés (par rapport aux valeurs limites recommandées par le NIOSH) sont identifiées. Les résultats sont exprimés en pourcentage de population capable d adopter une telle posture et de supporter les efforts appliqués. Références : Chaffin D. B., (1997). Development of Computerized Human Static strength simulation model for job design. Human Factors and Ergonomics in manufacturing, 7 (4), pp

28 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 27 Dépense énergique 20 Basé sur les travaux de Garg (1976), cet outil permet de prédire le besoin en dépense énergétique à partir des caractéristiques de l opérateur et d une description de l activité et ainsi : Références : de déterminer si la tâche nouvellement créée ou existante est conforme aux recommandations du NIOSH, d identifier les tâches et les variables des tâches qui représentent la meilleure opportunité pour réduire le dépense énergétique. Garg A. (1976). A metabolic rate prediction model for manual materials handling jobs. PhD thesis, University of Michigan. Analyse de la fatigue / temps de récupération 21 Basé sur les travaux menés par Rohmert (1973) à l Institut d Ergonomie de l Université Technologique de Darmstadt, cet outil calcule la période récupération nécessaire suite à une tâche donnée et la compare au temps de repos prévu. Si le temps de repos prévu au cours du cycle de travail est insuffisant, les opérateurs son supposés être à risque de fatigue. Ainsi, un tel outil permet : Références : de concevoir des tâches manuelles avec un risque minimal de survenue de fatigue, d analyser la fatigue de l opérateur lors de postures statiques, d identifier les tâches dans une activité qui exige le plus grand temps de repos ainsi que les groupes musculaires qui sont les plus sollicités. Rohmert, W. (1973). Problems with determining rest allowances: Part 1. Use of modern methods to evaluate stress and strain in static muscular work. Applied Ergonomics, 4(2), OWAS (Ovaco Working posture Analysis System) Basée sur une analyse simplifiée des postures de travail, l outil OWAS permet : d'évaluer l inconfort relatif d une posture de travail selon la position du dos, des bras et des jambes et les efforts liés à la tâche (cf. tableau VI), d'assigner à la posture évaluée un score qui indique l urgence à prendre des mesures correctives pour réduire le potentiel d exposition à un risque de pathologie de type TMS ou lombalgie. La méthode OWAS doit être pratiquée à intervalles de temps réguliers au cours du travail afin d essayer d identifier les principales postures adoptées par l opérateur au cours d une journée de travail

29 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 28 Références : Tableau VI : Posture retenue par la méthode OWAS Karu O., Kansi P., Kouarinka I. (1977). Correcting working postures in industry : a practical method for analysis. Applied Ergonomics, 8, Rula (Rapid Upper Limb Assessment) et Reba (Rapid Entire body Assessment) 22 L outil RULA permet d évaluer l exposition des opérateurs au risque de survenue de TMS. Pour une tâche manuelle donnée, il permet : d évaluer le risque de survenue de TMS à partir de la posture, le poids et la fréquence des efforts exercés et la recherche d efforts statiques (cf. tableau VII à IX), d assigner à la tâche évaluée un score qui indique le degré d intervention requis pour réduire le risque de survenue de TMS. L analyse RULA se pratique soit sur les postures les plus représentatives de celles adoptées par l opérateur lors de son activité, soit sur celles considérées comme les plus contraignantes et

30 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 29 Tableau VII : score de posture (partie A) Tableau VIII : score de posture (partie B) Score Muscle Force 0 Autres postures Posture statique ou maintenue plus d'une minute ou répétée plus de 4 fois / mn Pas de résistance ou force/effort intermittent < 2 kg Force/effort intermittent compris entre 2 et 10 kg Force/effort continue ou répétée compris entre 2 et 10 kg Force/effort continue ou >10 kg Choc ou effort avec une forte impulsion Tableau IX : score de " Muscle" et de "Force"

31 IET S/06RT076/JMs/LCn, octobre 2006 Page 30 Figure 11 : Logigramme pour la calcule des scores intermédiaires "C" et "D" Tableau X : Matrice pour la détermination du score RULA Références : MacAtamney L., Cortlett E. N. (1993). RULA : a survey method for the investigation of workrelated upper limb disorders. Applied Ergonomics, 24, OREGE (Outil de Repérage et d'evaluation des Gestes) Cet un outil analytique complet qui permet d'évaluer les principaux facteurs de risque biomécaniques des TMSMS du membre supérieur (effort, répétitivité, postures). L ordre de passation des 3 facteurs de risque doit être respecté répétitivité, car l'expérience a montré qu'il fallait séparer l'évaluation de la répétitivité de celle des efforts. Evaluation de l'effort ; elle est le fruit d'une synthèse entre les valeurs définies par l opérateur et par l'observateur au moyen d'échelles d évaluation (cf. figure 12). Evaluation de la posture ; elle est réalisée à partir de l'observation des positions articulaires du membre supérieur (cf. figure 12). Evaluation de la répétitivité ; elle suit la même logique que celle de l'effort, à la différence près qu'elle porte sur une durée et non plus sur une action.