Analyse et modélisation du mouvement de préhension

L’ergonomie connaît un essor de plus en plus important dans tous les domaines d’activités. Mais que signifie « ergonomie » ? Si l’on consulte un dictionnaire, l’ergonomie (du grec ergos, le travail et de Nomos, la loi) est une discipline qui vise l’adaptation d’un système à son utilisateur, afin que ce dernier puisse mener ses activités avec un maximum d’efficacité, de satisfaction et de bienêtre, avec une phase d’adaptation réduite. En conséquence, l’ergonomie suscite plusieurs types de questions, ayant trait à des problématiques d’ordre physique ou d’ordre mental. D’un côté, on cherche à adapter l’outil aux caractéristiques physiologiques et morphologiques de l’être humain (ou d’une certaine population) dans son environnement. De l’autre côté, on adapte les outils au fonctionnement cognitif des utilisateurs. Mais intéressons nous de plus près à l’ergonomie physique … Un des outils qui peuvent aider à répondre aux questions de l’ergonomie physique est le mannequin numérique. Un mannequin numérique est à même de représenter géométriquement des sujets humains (de différentes tailles) dans leur environnement. La capacité des mannequins numériques à s’adapter facilement à différentes situations et environnements fait qu’ils remplacent progressivement les maquettes physiques souvent coûteuses et non réutilisables. Ainsi, la mise en œuvre des mannequins numériques permet de réduire les coûts et le temps de conception d’un produit, ce qui est un objectif majeur de tout industrie.

Un tel outil, MAN3D, a été développé à l’INRETS. MAN3D est un logiciel permettant de créer des représentations géométriques de sujets humains, homme ou femme, de dimensions variées. Ces sujets peuvent être mis en place dans un environnement, avec une posture (debout, assis,…) qui peut être modifiée par l’utilisateur pour s’adapter aux conditions créées par l’environnement. Des mouvements des membres et du tronc peuvent également être simulés de façon à évaluer les interactions géométriques des sujets avec l’environnement [MAN3D, Manuel de référence, 2002].

Le mannequin est composé de quatre modèles complémentaires :

➤ Le modèle géométrique est constitué des chaînons squelettiques et des volumes solides associés. Ces deux types d’éléments permettent de reproduire les contours corporels dans diverses attitudes. Les chaînons sont des barres rectilignes reliant deux points articulaires ayant 1, 2 ou 3 degrés de liberté. Le squelette de MAN3D est défini par 55 chaînons liés par des articulations .

➤ Le modèle anthropométrique représente le corps humain par 54 variables anthropométriques de base, judicieusement choisies. Ces variables correspondent à des mesures externes de longueur, diamètre (largeur ou profondeur), circonférence. Dans ces variables sont incluses également les longueurs de chaînons internes qui ne sont pas à proprement parler des mesures anthropométriques.

➤ Le modèle cinématique représente l’architecture des chaînons du squelette, liés entre eux par des articulations possédant 1, 2 ou 3 degrés de liberté en rotation. Le formalisme de Denavit-Hartenberg [Denavit et al., 1955] a été retenu pour décrire la chaîne cinématique de l’ensemble du squelette.

➤ Le modèle fonctionnel, enfin, permet d’une part, de représenter des individus de sexe et de dimensions différentes et, d’autre part, de placer ces individus en situation afin d’examiner les interactions entre ceux-ci et l’environnement.

Il est à noter qu’ici, ainsi que dans la suite de ce document, le terme « modèle cinématique » fait référence à la description des degrés de liberté et de l’agencement des liaisons de la chaîne cinématique. Cette terminologie générique est largement employée dans la littérature pour décrire l’architecture de la chaîne cinématique [Rijpkema and Girard, 1991], [Bucholtz et al., 1992], [Rohling et al., 1994], [Griffin et al., 2000], [Zhang, 2004], bien que dans la littérature spécifique au domaine robotique, ceci corresponde à ce qui est communément appelé modèle géométrique ; le terme modèle cinématique étant réservé à la description de l’état des vitesses articulaires . Dans ce travail, seul le modèle géométrique (au sens strictement roboticien) sera considéré, mais dénommé modèle cinématique comme dans la littérature non spécialisée.

Comme d’autres mannequins numériques Jack [UGS, 2004] ou Ramsis [Human Solution, 2004], une des limitations actuelles de MAN3D est son incapacité à simuler de façon réaliste des postures de mains complexes, du fait d’un modèle cinématique de la main assez peu évolué.

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Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale
1. Problématique
2. Objectifs
3. Organisation du mémoire de thèse
Chapitre 2 Caractérisation des postures de la main
1. Considérations anatomiques
1.1 Les plans du corps et de la main
1.1.1 Dénomination des plans du corps utilisés dans les descriptions anatomiques
1.1.2 Dénomination des plans de la main utilisés dans les descriptions anatomiques
1.2 Les os et les articulations de la main
1.3 Les mouvements de la main
1.3.1 Le creusement de la paume
1.3.2 Les mouvements des doigts
1.3.3 Les mouvements du pouce
2. Classifications des postures de préhension
3. Etude expérimentale des modes de préhension naturels
3.1 Objectif
3.2 Description de l’expérimentation
3.3 Résultats
4. Moyens de mesure
4.1 Moyens de mesure en statique
4.2 Moyens de mesure du mouvement
4.2.1 CyberGlove
4.2.2 Système de mesure opto-éléctronique
5. Synthèse
Chapitre 3 Conclusion générale

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