Simulation of movement variability induced by muscle fatigue for ergonomic workstations design
Simulation de la variabilité du mouvement induite par la fatigue musculaire pour la conception ergonomique de postes de travail
Résumé
Every human movement presents an inter- and intra-individual variability. This variability of
movement (MV) affects trajectories, coordinations, motor forces as well as muscular activations. However,
to date, MV is almost ignored in the workstations design and there is no means to simulate it. The
objective of this work was therefore to develop a virtual human (VH) to simulate the effects of one
source of VM (muscle fatigue) on a reference task (a repetitive pointing task). A VH controller has
been developed. Based on Xia and Frey-Law muscle fatigue model by, it implements controls designed
to simulate some effects of muscle fatigue (exertion limitation, transfer of motor activity, reduction of
trajectory tracking performance). The actuation of the VH is calculated by quadratic optimization using
a dynamic simulation physics engine. Movement data was analyzed to identify fatigue-induced MV during
the pointing activity, and to validate the proposed VH controls. An laboratory experiment has been carried
out. Principal component analysis (PCA) of kinematic data identified the degrees of freedom involved in
the VM and detected transitions of movement patterns with fatigue. This VH demonstrator simulates
some characteristics of the MV observed. Improvements of the HV are proposed, however it can already
be used to make designers more aware of effects of the VM in occupational risks prevention from the first
steps of workstations design.
Tout mouvement humain présente une variabilité inter- et intra-individuelle. Cette variabilité
du mouvement (VM) concerne les trajectoires, les coordinations, les forces motrices et les activations
musculaires. Pourtant, à ce jour, la VM est quasiment ignorée en conception de postes de travail et
il n’existe pas d’outil permettant de la simuler. L’objectif de ces travaux a donc été de développer un
humain virtuel (HV) permettant de simuler les effets d’une source de VM (la fatigue musculaire) sur une
tâche de référence (mouvement répétitif de pointage). Un contrôleur d’HV a été développé. Basé sur le
modèle de fatigue de Xia et Frey-Law, il implémente des commandes conçues pour simuler certains effets
de la fatigue (limitation des efforts, transfert de l’activité motrice, réduction des performances de suivi de
trajectoire). L’actionnement de l’HV est calculé par optimisation quadratique à l’aide d’un moteur physique
de simulation dynamique. Des données de mouvement ont été analysées pour identifier la VM induite par la
fatigue lors de l’activité de pointage, et valider les commandes d’HV proposées. Une campagne de mesures
a été menée en laboratoire. Une analyse en composantes principales (ACP) des données cinématiques a
permis d’identifier les degrés de liberté impliqués dans la VM et détecter les transitions d’adaptation du
mouvement à la fatigue. Le démonstrateur d’HV restitue certaines caractéristiques de la VM observée.
Des améliorations de l’HV sont proposées, mais celui-ci permet déjà de sensibiliser les concepteurs à
l’intégration de la VM dans la démarche de prévention dès les premières phases de conception de postes
de travail.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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