Mécanique & Industries 3 (2002) 147 152 État de l art sur l accessibilité et l étude de l ergonomie en réalité virtuelle Accessibility and ergonomics study with virtual reality, a state of the art Patrick Chedmail a, Bruno Maille b,, Edouard Ramstein b a IRCCyN (UMR n 6597, École Centrale de Nantes, Université de Nantes, École des mines de Nantes, CNRS), École Centrale de Nantes, 1, rue de la Noë, 44321 Nantes, France b SNECMA Moteurs, Centre de Villaroche, 77750 Moissy-Cramayel, France Reçu le 15 novembre 2001; accepté le 7 décembre 2001 Résumé Le développement de l utilisation de la maquette numérique et de la réalité virtuelle dans l industrie s accompagne de l émergence et du développement d outils permettant la validation de la conception sans avoir recours à la maquette physique. Dans cet article, nous nous intéressons plus particulièrement à la validation, à l aide de la réalité virtuelle, de la montabilité et de la maintenabilité des éléments d un ensemble mécanique et à l étude de l ergonomie de ces opérations d un point de vue du monteur ou du mécanicien réalisant la tâche. Nous comparons les différentes méthodes permettant de réaliser cette validation, d une part la simulation de la tâche à l aide d un mannequin, et d autre part la manipulation directe par immersion en réalité virtuelle. Notre conclusion est qu actuellement, pour valider l accessibilité d éléments mécaniques et l ergonomie d une tâche, il est judicieux d utiliser une approche par mannequin virtuel pourvu de comportements. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved. Abstract The development and the use of DMU (Digital Mock-Up) and virtual reality in industry enhance the design of new tools for testing and validating virtual prototypes. This paper deals with the problem of mountability and maintenability analysis of parts in encumbered environments by virtual human operators (namely, manikins). This analysis is performed in relation with some ergonomic constraints from the operator point of view. There exist two main methods for performing such task. The first one consists in immersing the designer in the virtual world of the mechanical system; the second one takes advantage of a semi-automatic approach where the manikins are controlled through a predefined kinematical and ergonomic behaviour. We propose a comparison of these two methods. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved. Mots-clés : Accessibilité ; Réalité virtuelle ; Ergonomie ; Immersion ; Collaboration Keywords: Accessibility; Virtual reality; Ergonomics; Immersion; Collaboration 1. Introduction L utilisation croissante de la conception assistée par ordinateur (CAO) et plus généralement de la maquette numérique dans l industrie renforce le développement des outils informatiques permettant de valider la conception à partir de modèles numériques. Le principal avantage * Correspondance et tirés à part. Adresses e-mail : Patrick.Chedmail@irccyn.ec-nantes.fr (P. Chedmail), Bruno.Maille@snecma.fr (B. Maille), Edouard.Ramstein@snecma.fr (E. Ramstein). de l utilisation de ces outils est la possibilité de limiter l utilisation de maquettes physiques, dont la fabrication est particulièrement onéreuse et qui a le grand inconvénient d augmenter de manière importante la durée du cycle de conception [1,2] et son coût [3]. Dans cet article, nous nous intéressons à la validation, à l aide de la réalité virtuelle, de la montabilité et de la maintenabilité des éléments d un ensemble, et à l étude de l ergonomie de ces opérations d un point de vue du monteur ou du mécanicien réalisant cette tâche. La pertinence industrielle de cette question est aujourd hui indéniable en relation avec les gains de productivité qui lui sont associés [4]. 1296-2139/02/$ see front matter 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved. PII: S1296-2139(02)01151-X
148 P. Chedmail et al. / Mécanique & Industries 3 (2002) 147 152 Nous ferons d abord un rapide état de l art de la génération de trajectoire d objet exempte de collision, qui est une première vérification de la montabilité ou de la maintenabilité. Cependant, cette approche n assurant pas la montabilité ou la maintenabilité de l élément considéré par un opérateur (problème d accessibilité de l opérateur), nous nous intéresserons ensuite aux différentes approches utilisées pour résoudre ce problème. La première consiste à utiliser un mannequin virtuel et à lui faire réaliser la tâche à étudier, la deuxième à immerger un opérateur dans l environnement virtuel représentant les modèles de la tâche à étudier et à lui faire réaliser la tâche en liant ses mouvements à ceux d un mannequin virtuel. Fig. 1. Action séquentielle d un opérateur et d algorithmes. 2. La génération de trajectoire d un objet La première vérification de tâches de montage ou de maintenance à l aide de la maquette numérique consiste à vérifier que les pièces considérées par l opération peuvent être extraites ou montées sans collision. Il s agit d un problème classique de génération de trajectoire. Les différentes approches sont décrites ci-dessous. 2.1. La génération de trajectoire par manipulation directe L opérateur manipule l objet considéré à l aide de la souris, d un tableau de boutons sur le logiciel ou d un périphérique de manipulation dans l espace comme une SpaceMouse (Logitech), une SpaceBall (Spacetec) ou des gants munis de capteurs de position (Virtual Technologies) comme dans [2]. Les collisions sont alors détectées lors des déplacements et sont signalées par un changement de couleur de l objet manipulé et parfois par un signal sonore. Cette approche, la plus couramment utilisée, a pour avantage sa simplicité et sa rapidité de mise en œuvre, mais pour inconvénient principal le fait que les collisions ne soient pas évitées mais seulement signalées, ce qui rend la génération de trajectoire dans un environnement très encombré très laborieuse. 2.2. Génération de trajectoire automatique Pour la génération de trajectoire automatique, différentes méthodes sont utilisées : des méthodes utilisant une perception locale de l environnement [5], rapides mais dont l inconvénient principal est le risque de bloquer sur un minimum local, et des méthodes utilisant une perception globale de l environnement [6 8] qui mènent toujours à une solution si elle existe, mais dont la vitesse de calcul peut s avérer rédhibitoire pour des environnements très encombrés. Des méthodes mixtes sont aussi développées [9]. 2.3. La génération de trajectoire assistée En combinant les deux approches locales et globales décrites ci-dessus, il est possible d éviter un certain nombre Fig. 2. Action simultanée d un opérateur et d algorithmes. d inconvénients de chacune de ces méthodes, tout en en combinant les avantages. Dans l approche présentée par Hwang [10], l opérateur définit un certain nombre de cibles intermédiaires qu il juge nécessaires, puis un outil de génération de trajectoire automatique relie ces cibles à l aide d un algorithme utilisant une approche locale. Cette approche combine une approche globale (vision globale de l opérateur qui place des cibles intermédiaires) et locale (génération de trajectoire entre ces cibles intermédiaires) de façon séquentielle (Fig. 1). L utilisation du système multi-agent défini par Chedmail et al. [11] peut se faire de deux façons, en modifiant les taux d activité des différents agents : une manipulation directe avec assistance par des algorithmes (agents attraction et glisseur) qui permettent à l objet d avoir une tendance à aller vers le point d arrivée tout en évitant les collisions en glissant sur l environnement, ou une génération de trajectoire automatique (agents attraction et glisseur) autorisant une action ponctuelle de l opérateur pour favoriser une direction ou éviter un minimum local. Dans ces deux cas d utilisation, cette approche combine une approche locale (évitement de collision par glissement) et globale (vision globale de l opérateur) en parallèle (Fig. 2). Dans le cas de la manipulation directe avec retour d effort [12], l opérateur manipule l objet à l aide d un bras articulé pourvu d articulations actives comme le Phantom (SensAble). Des algorithmes de détection de collision permettent alors le calcul des efforts à appliquer aux articulations actives du bras articulé en cas de contact entre l objet manipulé et l environnement, de façon à empêcher l utilisateur de faire rentrer l objet manipulé en collision avec l environnement. Ce cas correspond lui aussi à une intégration en parallèle des contributions de l opérateur et d algorithmes, mais cette fois les algorithmes envoient leurs informations à l opérateur par le biais du retour d effort (Fig. 3).
P. Chedmail et al. / Mécanique & Industries 3 (2002) 147 152 149 3.2. Mannequin en manipulation directe Fig. 3. Action simultanée d un opérateur et d algorithmes dans le cadre du retour d effort. 2.4. Conclusion Cette génération de trajectoire permet de vérifier le passage de l objet dans l environnement en montage ou en démontage. Cependant, elle ne permet pas de vérifier si l opérateur qui manipule l objet peut avoir accès à l objet au cours sa trajectoire, et ne donne aucune notion sur les conditions ergonomiques de cette opération. Nous allons maintenant nous intéresser à l utilisation d un mannequin virtuel pour résoudre ce problème. Deux méthodes sont principalement utilisées pour générer la simulation d une tâche avec un mannequin. La première consiste à programmer la tâche à effectuer, la deuxième consiste à immerger un opérateur dans l environnement virtuel et à lui faire effectuer la tâche en reproduisant ses mouvements. C est l objet des deux chapitres suivants. 3. Simulation a l aide d un mannequin par programmation de la tache Cette approche est couramment utilisée dans les logiciels de réalité virtuelle, de CAO et de CAO en robotique qui permettent la simulation de tâches de maintenance ou de montage à l aide d un mannequin, comme entre autres Mockup de PTC, Jack d EAI, Robcad de Tecnomatix ou Delmia de Dassault Systèmes. 3.1. Étude de l ergonomie Les logiciels de manipulation de mannequin proposent des outils qui permettent une analyse ergonomique à partir des variables articulaires du mannequin et de la masse de l objet transporté. On peut citer entre autres les méthodes RULA [13] et OWAS [14], les équations du NIOSH [15], les équations de Garg [16] et l outil de calcul d efforts 3DSSP [17]. La manipulation directe de mannequin permet de décomposer la tâche à effectuer en opérations élémentaires qui sont programmées en utilisant une interface de simulation. Il s agit alors de décrire chacune de ces tâches élémentaires, en en donnant les conditions, comme par exemple le fait qu il transporte ou non l objet manipulé et si oui de quelle façon (1 ou 2 mains), la cible du regard du mannequin..., puis en définissant le point de départ et d arrivée de l élément manipulé lors de cette tâche élémentaire, qui seront reliés linéairement. Lors de cette génération, les collisions peuvent être signalées et il est possible de modifier la trajectoire de façon à les éviter. Cette modification s effectue le plus souvent manuellement. Ces différentes opérations élémentaires sont ensuite agencées à l aide d un diagramme de Gant, et la simulation peut alors être jouée. C est lors de cette simulation que l on peut analyser et évaluer l ergonomie de la tâche et valider l absence de collisions. 3.3. Mannequin pourvu de comportements Chedmail et Le Roy [18,19] ont défini un système multi-agent qui permet la manipulation d objet avec un mannequin, ces éléments étant pourvus de comportements définis à l aide d agents. La main manipulée du mannequin est attirée par un repère placé sur l objet par action non seulement sur les degrés de liberté internes du mannequin, ce qui est usuellement utilisé par les logiciels de manipulation de mannequin, mais aussi sur la position et l orientation globale du mannequin. Lors du suivi de la trajectoire, d autres comportements sont utilisés, pour, non seulement éviter les collisions par action sur les degrés de liberté internes et externes du mannequin, mais aussi assurer au mannequin une attitude cohérente. Un exemple de trajectoire ainsi obtenue est présenté Fig. 4. L intérêt de cette approche est que lorsqu une trajectoire est trouvée, on est alors certain qu il n y a pas de collision au cours de cette trajectoire. L ergonomie peut alors être étudiée à partir des données articulaires et des efforts calculés à partir de modèles cinématiques. 3.4. Exemples d utilisation L approche par utilisation d un mannequin en manipulation directe est la plus couramment utilisée dans l industrie. On peut citer par exemple l utilisation de Envision de Delmia par Toyota pour étudier la facilité du montage des différentes pièces lors de la conception de certains nouveaux véhicules [20]. Jack est utilisé par l US Air Force pour étudier les forces et faiblesses des différents avions de combats [21]. John Deere utilise aussi ce logiciel pour simuler des montages délicats de pièces avec différentes anthropométries pour valider ou modifier la conception [22].
150 P. Chedmail et al. / Mécanique & Industries 3 (2002) 147 152 (a) (b) (c) Fig. 4. Exemple de génération de trajectoire d objet et de mannequin pourvus de comportements [18]. 4. Approche par manipulation directe par immersion en réalité virtuelle La seconde approche considérée pour étudier l accessibilité d un élément et valider l ergonomie de la tâche associée est la manipulation directe par immersion en réalité virtuelle. Les principales techniques d immersion (immersion visuelle, capture de mouvements, retour d efforts), sont présentées en [23]. Bien qu attractive, la mise en œuvre de chacune de ces techniques est complexe en elle-même. 4.1. Validation de l accessibilité et étude de l ergonomie par immersion et utilisation d un mannequin Cette approche peut être utilisée avec différents logiciels de réalité virtuelle ou de commande de mannequin, comme entre autres Jack (EAI), dv/manikin (PTC), Safework (Dassault Systèmes). L immersion simple d un opérateur qui réaliserait la tâche en immersion sans mannequin ne permettrait pas de valider l accessibilité dans l environnement réel. En effet les collisions entre l environnement et l opérateur ne sont alors pas prises en compte car elles ne peuvent pas être calculées. 4.1.1. Détection des collisions Le mannequin virtuel représenté dans la scène permet un calcul de collisions entre l opérateur réel et l environnement virtuel. Cependant, cette approche ne permet que la signalisation des collisions. L opérateur n a ainsi pas de retour d informations tactiles sur l environnement, qui lui permettrait de mieux appréhender celui-ci. Ce problème peut être réglé en ajoutant des retours d efforts sur les différents membres ce qui permettrait de bloquer les articulations nécessaires pour éviter la pénétration. Cependant, on est limité pour l instant à des retours d efforts seulement sur quelques articulations (les doigts ou le bras principalement). Ces sys-
P. Chedmail et al. / Mécanique & Industries 3 (2002) 147 152 151 tèmes sont encore peu répandus, et le temps de calcul de collision est encore trop important pour calculer un retour d effort en temps réel sur tous les membres avec un environnement encombré non simplifié [24]. 4.1.2. Étude de l ergonomie L immersion d un opérateur dans la scène virtuelle permet une première étude de l ergonomie. En effet, l opérateur peut donner son impression sur les postures qu il adopte au cours de la tâche, et il peut aussi valider l accès visuel à différents éléments. Cependant, un retour d effort sur les différents membres de l opérateur est nécessaire pour permettre une meilleure approche de l ergonomie au niveau de ses sensations et des efforts qu il exerce. Malheureusement, les techniques de retour d effort ne permettent pas encore un retour d effort complet sur l opérateur immergé. Cela dit, un retour d effort complet poserait de gros problèmes de sécurité, comme le souligne Burdea [24]. De plus, certains effets dynamiques ne peuvent être pris en compte à moins d introduire l opérateur dans un simulateur dynamique, ce qui se révèle apriorilourd et complexe. L ajout de capteurs de mouvements sur l opérateur permet de connaître la posture et les mouvements de l opérateur immergé et de commander le mannequin virtuel. Une étude des variables articulaires du mannequin permet alors une quantification du confort de la posture et des efforts devant être exercés grâce aux critères usuels d évaluation de l ergonomie vus au paragraphe 3.1. Cette méthode a par exemple été utilisée par John Deere pour étudier l ergonomie des éléments de la console d une cabine de tracteur avec Virtual Anthropos [25]. 5. Conclusion L immersion totale c est-à-dire aussi bien visuelle que tactile d un opérateur dans l environnement virtuel n est pas réaliste, pour des raisons techniques (temps de calcul, prise en compte des collisions, conflit entre dispositifs d immersion...), mais aussi plus profondément en considérant que le raffinement de l immersion conduit finalement à reconstruire autour de l opérateur un ensemble de dispositifs sensés reproduire le monde réel, comme un double de celui-ci, pour un coût qui tend à se rapprocher de celui de la maquette physique. Cela dit, une telle immersion permettrait une étude très complète de l ergonomie d une tâche, par les appréciations de l opérateur, mais aussi grâce au mannequin virtuel couplé à l opérateur immergé (nécessaire au calcul de collisions). L approche classiquement utilisée dans l industrie consistant à programmer les mouvements d un mannequin virtuel en manipulation directe est intéressante au niveau de l étude des collisions et l étude ergonomique qu elle permet sur le mannequin. Cependant, cette approche est relativement longue à mettre en œuvre, particulièrement lorsque l environnement est encombré. Cela est principalement dû au fait que les collisions ne sont pas automatiquement évitées. L approche multi-agent développée par Chedmail et al. [18] semble être une alternative satisfaisante à ces deux méthodes, par sa rapidité et sa simplicité de mise en œuvre, et par la possibilité de simuler complètement, dans un futur très proche, les comportements de l opérateur. L étude de l ergonomie d une tâche se fera ensuite à partir des données articulaires du mannequin et des charges transportées. Références [1] A. Gomes de Sà, G. 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