Soutenance mémoire
La RV au service de l’ergonomie
Usages de la RV
La RV a été activement étudiée ces 20 dernières années permettant le développement de dispositifs performants et abordables. La RV offre un moyen unique d’interagir avec les environnements virtuels en constante évolution. Un certain nombre de technologies de la RV ont été développées au fil des ans et permettent à une personne d’être en immersion dans un environnement virtuel. Les technologies de RV se regroupent principalement en deux catégories : les CAVE [CNSD93] (Cave Automatic Virtual Environment) présentant plusieurs écrans de projection connectés et un système de son surround et les casques de RV (HMD – Head-Mounted Display) présentant un affichage stéréoscopique et un son stéréo. Ces derniers ont permis l’émergence de la RV grâce à des systèmes abordables et performants permettant de nombreuses applications pour le secteur professionnel pouvant être regroupés en trois catégories : la simulation de tâches, la conception de systèmes et la visualisation ludique [Zha09].
Les applications de RV sont apparues dans le processus de développement de produits dans tous les secteurs d’activité – automobile, aéronautique, militaire, agriculture, construc tion [Zim08, BV17]- grâce à l’amélioration des performances et la réduction des coûts des dispositifs immersifs et d’interaction ainsi qu’au développement d’outils, tels que des outils de conception en RV, de représentations de données, de collaboration entre utilisateurs etc. La RV permet alors de concevoir et de tester des prototypes virtuels sans qu’il soit nécessaire de construire des prototypes physiques [CJN15]. De nombreuses études ont montré que le prototypage virtuel est une solution efficace pour surmonter les défauts des méthodes conventionnelles [AV16, BCCP09, LSW16]. Ces études concluent que le prototypage virtuel permet de réduire les coûts et les délais de la conception de nouveaux systèmes. En effet le prototypage virtuel permettrait de mieux repérer les défauts de conception, notamment liés à l’interface homme-machine en permettant une meilleure représentation des dimensions ainsi qu’un échange d’informations et de connaissances entre les différents intervenants avec pour effet de concevoir un produit de meilleure qualité [ALV+12].
La RV peut intervenir dans toutes les phases de la conception d’un produit [CFS17] (voir Figure 2.1). Lors de la phase de recherche d’opportunité pour la rédaction des spécifications du produit, les concepteurs doivent développer de l’ »empathie » pour la cible de marché considérée [FJST07] afin de mieux comprendre ses besoins qu’ils soient exprimées ou latents et permettre ainsi que le produit y réponde au mieux. Les concepteurs développent traditionnellement cette « empathie » par leurs expériences personnelles et leurs échanges avec leurs clients. L’immersion en RV permet de développer de nouvelles expériences pour les concepteurs et ainsi développer de l’empathie pour des situations qu’ils ne peuvent vivre, en effet les sentiments d’immersion et de présence, c’est-à-dire la sensation d’être absorbé et d’agir sur l’environnement virtuel, permettent de simuler la situation entraînant le besoin du nouveau produit. Ce domaine de recherche est assez récent, mais on peut imaginer l’utilisation de la RV pour développer de l’empathie pour des situations de handicap pour la conception de produits adaptés. Après la phase de développement d’empathie, l’introduction de la RV dans le processus de recherche d’idées a le potentiel de faciliter l’imagination des designers en leur donnant une expérience immersive dans laquelle ils peuvent examiner et interagir avec une grande variété de produits. En effet la stimulation visuelle seule est suffisante pour fournir une inspiration significative aux concepteurs [SB10]. La RV peut être utilisée en effet dans les premières étapes de la conception pour susciter de fortes réactions émotionnelles chez les designers et faciliter le processus créatif [RBA15]. La conception assistée par ordinateur dans un environnement virtuel peut rendre la modélisation 3D plus efficace et intuitive pour les nouveaux utilisateurs comme pour les utilisateurs expérimentés. La visualisation de modèles 3D en RV les rend considérablement plus faciles à appréhender [Bry93]. La RV permet aussi de faciliter les démonstrations de modèles 3D aux clients et la compréhension des résultats d’analyses, surtout pour les non spécialistes [CT02], en fournissant un environnement 3D interactif et plus naturel pour visualiser ces résultats. La RV permet d’améliorer considérablement la compréhension spatiale des données 3D [WF96]. Entre autres, la représentation de données 3D en RV a montré de meilleurs résultats pour l’identification de sources d’ondes radars pour des applications militaires[CDGC18]. On peut remarquer que la RV s’est inscrite depuis une vingtaine d’années dans toutes les étapes de la conception d’un produit permettant l’appréhension de cet outil par les concepteurs.
Problématiques liées à l’usage de la RV pour l’évaluation ergonomique
En particulier, les outils de RV ont été adoptés pour évaluer des facteurs ergonomiques dans le développement de de système en terme d’accessibilité [SVO11, LHM+15] ou pour définir des tâches d’assemblage [PDS+14a]. Plusieurs études de cas basées sur des utilisateurs ont montré que les prototypes virtuels peuvent être utilisés pour simuler des prototypes physiques à un degré de réalisme acceptable [BF13, FBC13]. Dans une telle configuration, l’utilisateur est immergé dans un environnement virtuel (EV) simulant son environnement de travail réel (ER), et il lui est demandé d’effectuer des tâches en interaction en EV correspondant à celles qu’il effectuerait en ER. Ces études ont montré qu’il était nécessaire de résoudre les problématiques suivantes afin de permettre la généralisation de l’utilisation de la RV pour l’évaluation ergonomique :
— Développer des méthodes et des outils pour la conception et l’évaluation ergonomique de systèmes en RV ;
— Permettre la collaboration entre les différents acteurs liés à la conception et utilisation du poste de travail (ingénieur, ergonome et opérateur). Cela nécessite l’utilisation d’outils permettant l’interaction entre ces différents acteurs et d’outils permettant la représentation d’informations ;
— Assurer la transférabilité des conclusions de l’évaluation ergonomique obtenues en RV, avec notamment l’enrichissement des capacités d’interaction. Nous allons à présent détailler les deux premiers éléments avant de nous focaliser sur le troisième qui est la problématique centrale de cette thèse.
Les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisés pour l’industrie pour développer leurs produits, tel que Catia ou Solidworks , sont généralement inadaptés pour la conception d’environnements virtuels [SVO11]. Ces outils ont pour fonction d’aider la conception en vue de la fabrication des différentes pièces ; le rendu graphique des éléments est ainsi secondaire. De plus, la plupart des logiciels de CAO récents se basent sur des arbres de « features » paramétrées qui contrôlent une représentation B-Rep (« Boundary Representation »), consistant à représenter les volumes par un ensemble de surfaces bi-paramétriques. Cette représentation est alors transformée, par tesselation, en polyèdres pour la représentation visuelle. Ainsi la qualité graphique des exports d’objets conçus par cette méthode n’est pas maîtrisée, c’est-à-dire que l’on ne maîtrise pas précisément le nombre de polygones de l’export car le concepteur agit sur l’arbre de « features », et c’est le logiciel de CAO qui décide de la qualité de la représentation visuelle, même s’il est certes possible de paramétrer son niveau de qualité. Ainsi il est souvent nécessaire de modifier la représentation visuelle par un outil de rendu 3D, tel que Blender ou Maya , pour être utilisé dans une scène virtuelle. En effet, les moteurs de rendu 3D sont plus efficaces pour la réalisation de la plupart des applications en RV car ils se reposent principalement sur la méthode surfacique B-Rep (pour « Boundary Representation » en anglais), permettant d’agir directement sur les polygones formant la surface du solide virtuel. Or lors de l’évaluation ergonomique, il est utile de pouvoir modifier l’environnement virtuel rapidement pour pouvoir tester différentes configurations. Les systèmes de CAO commerciaux, par exemple AutoCAD, UGS, Dassault Systems, ont tenté à plusieurs reprises dans une certaine mesure d’intégrer des capacités de visualisation stéréo immersive et de bureau dans les logiciels commerciaux disponibles. Des tentatives ont également été faites par le monde universitaire pour fournir une interaction haptique et des visualisations immersives pour des applications de montage/démontage avec des systèmes de CAO commerciaux [JJJ+06, WLG06]. Certaines études ont développé des outils de conception en RV. Spacedesign, un modeleur 3D, a été développé par exemple afin de modéliser des courbes et des surfaces pour la conception industrielle en RV [FdAMS02]. D’autre part une application de CAO en RV se basant sur la méthode B-rep et de règles logiques a été développé afin d’accéder directement au graphe de l’historique de construction autorisant ainsi l’édition implicite du modèle 3D. Cette application a été développée sur le noyau d’openCASCADE [BCP+10]. Enfin, il a été proposé un environnement de conception assistée par ordinateur avec un rendu stéréoscopique [DACJ12, DACJH13]. En dehors des outils permettant la conception assistée par ordinateur en RV, il est aussi nécessaire de permettre le suivi en temps réel des performances de l’opérateur lors de la simulation de la tâche pour analyser l’ergonomie du produit conçu. Un grand nombre d’outils d’analyse ergonomique a été développé pour évaluer la posture, la demande physiologique, la demande biomécanique et cognitive, et l’analyse de la productivité homme-machine et ont été intégrés en tant que modules dans des logiciels de conception commerciaux. Des études ont proposé l’intégration de ces outils à des applications en RV pour être utilisés en temps réel durant la tâche [SJJP04, JJS+06]. Les méthodes d’évaluation ergonomique les plus utilisées sont les scores posturaux, qui demandent de calculer les angles formés par chaque articulation à chaque instant. Ces méthodes sont coûteuses en temps de calcul car elles nécessitent une analyse de géométrie inverse de la capture de mouvement. Ray et Teizer [RT12] se sont concentrés sur le développement d’une approche automatisée pour l’estimation et la classification de la posture en utilisant une caméra Kinect pour l’analyse de la posture et en la classant comme ergonomique ou non-ergonomique. Plusieurs études ont proposé d’utiliser des unités de mesures inertielles pour suivre la cinématique de chaque segment [BNÓ09, RLS09, VMB+13]. Il a également été proposé de suivre les angles articulaires et de calculer des scores posturaux à partir d’une capture de mouvement pour la conception ergonomique collaborative en RV [PDD13].
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Table des matières
1 Contexte et enjeux de la thèse
2 État de l’art et positionnement scientifique
2.1 La RV au service de l’ergonomie
2.1.1 Usages de la RV
2.1.2 Problématiques liées à l’usage de la RV pour l’évaluation ergonomique
2.2 Les IH à retour d’effort
2.2.1 Usages des IH à retour d’effort en RV
2.2.2 Architecture des IH à retour d’effort
2.2.3 Contrôle des interfaces haptiques à retour d’effort
2.3 Fidélité biomécanique de la tâche en RV
2.3.1 Fidélité, immersion, présence : un rapide tour d’horizon des notions fondamentales de caractérisations des environnements virtuels
2.3.2 Définition de la fidélité biomécanique de la tâche en RV
2.4 Positionnement de la thèse
3 Fidélité biomécanique de la simulation d’une tâche en environnement virtuel
3.1 Introduction
3.2 Matériel et méthodes
3.2.1 Cohorte
3.2.2 Tâche
3.2.3 Installation
3.2.4 Indicateurs
3.2.5 Traitement statistique
3.3 Résultats
3.3.1 Indicateurs objectifs
3.3.2 Résultats subjectifs
3.4 Discussion
3.5 Conclusion
4 Proposition d’une méthode de compensation basée modèle
4.1 Introduction
4.2 Conception d’un contrôle basé modèle
4.2.1 Algorithme de compensation basé sur un modèle
4.2.2 Réglage de la compensation du frottement visqueux
4.3 Évaluation de l’algorithme de compensation
4.3.1 Introduction
4.3.2 Matériel et méthodes
4.3.3 Résultats
4.3.4 Discussion
4.4 Conclusion
5 Évaluation de l’interaction haptique en environnement immersif à haute fidélité
5.1 Introduction
5.2 Matériel et méthodes
5.2.1 Cohorte
5.2.2 Tâche
5.2.3 Installation
5.2.4 Modèle biomécanique et traitement des données de capture de mouvement
5.2.5 Indicateurs
5.2.6 Traitement statistique
5.3 Résultats
5.3.1 Résultats biomécaniques
5.3.2 Résultats de l’analyse de la trajectoire et cinématique de la main
5.3.3 Résultats subjectifs
5.3.4 Réponses au questionnaire
5.4 Discussion
5.5 Conclusion
6 Conclusion
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