La réalité virtuelle pour une conception de systèmes mécaniques centrée sur l'utilisateur

par Morad Mahdjoub

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Jean-Claude Sagot.

Soutenue en 2007

à Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard .


  • Résumé

    Nos travaux de thèse menés au sein du laboratoire Systèmes et Transports dans l’équipe Ergonomie et Conception des Systèmes traitent de la conception de systèmes mécaniques centrée sur l’utilisateur. Notre recherche est plus spécifiquement orientée vers l’étude des systèmes mécaniques de type poste de travail. En effet, l’une des problématiques actuelles pour les industriels est de pouvoir concevoir des postes de travail en adéquation avec la composante humaine et ceci dans le but d’éviter l’apparition de disfonctionnements qui sont aujourd’hui matérialisés par des maladies professionnelles de type Troubles Musculo-Squelettiques (1ère maladie professionnelle déclarée en France et en Europe). Nous proposons pour cela d’étudier la notion d’usage (ou d’utilisabilité) des produits industriels à travers l’intégration de la discipline « ergonomie » dans le processus de conception. En effet, nos travaux bien que conduits dans le domaine des Sciences Pour l’Ingénieur, spécialité Génie mécanique (60ème section du CNU), ont tenté de prendre en considération le point de vue du métier ergonomie à travers une approche pluridisciplinaire. Dans ce contexte, nous positionnons notre recherche dans les domaines du Design For Ergonomics (conception pour l’ergonomie) et du Design For Usability (Conception pour l’utilisabilité) qui s’inscrivent plus globalement dans le Design For X (Conception en vue de X). Ainsi, notre objectif est de définir des méthodes et des outils qui visent à être intégrées au processus de conception de produit pour concevoir l’usage par l’intégration du métier ergonomie. Pour cela, à travers une première série d’expérimentations menée dans le domaine de la fabrication d’articles de maroquinerie de luxe, nous étudions successivement deux hypothèses de recherche. Notre première hypothèse de recherche introduit l’idée que : concevoir l’usage d’un système mécanique, à l’état numérique, équivaut à concevoir une interaction entre l’utilisateur réel et ce système. Dans cette optique de recherche, nous étudions le domaine d’application du prototypage virtuel qui présente aujourd’hui une montée en puissance importante grâce à la généralisation des outils de simulation numérique dans le domaine de l’ingénierie mécanique et de la conception. La deuxième hypothèse de recherche consiste à étudier la contribution de la réalité virtuelle, en tant qu’outil de prototypage virtuel temps réel, pour concevoir la fonction d’usage d’un produit donc l’interaction homme/produit numérique. Dans le cadre d’une deuxième série d’expérimentations conduites dans le domaine de l’industrie automobile et de l’agroalimentaire, nous étudions une troisième hypothèse de recherche. Cette troisième hypothèse de recherche suppose que la RV peut être utilisée pour concevoir de manière interactive le couple produit/usage plus tôt dans le processus de conception et notamment durant la phase d’études préliminaires. Dans un souci de généralisation de nos résultats expérimentaux, nous avons émis différentes limitations à nos résultats. Ces dernières nous ont amené à considérer l’intégration de la réalité virtuelle dans le processus de conception à travers la définition d’activités de conception. Nous proposons ainsi une quatrième hypothèse de recherche : « la réalité virtuelle peut être intégrée, de manière structurée, au processus de conception et de développement de produits centré sur l’homme ». Notre contribution finale, basée sur le retour d’expérience de l’ensemble des expérimentations présentées, introduit donc une méthodologie originale de Conception de l’Usage assistée par Réalité Virtuelle (CURV). La première originalité de nos travaux est de proposer l’application de notre méthodologie à tous les stades de la conception mettant en jeu des maquettes numériques (ou prototype virtuel). Nous introduisons pour cela la notion de « point de rencontre virtuel » qui permet de soutenir la collaboration et l’intégration des différents métiers dans la conception. La méthodologie CURV définit de manière structurée l’impact des outils de RV durant le processus de conception du produit et de l’usage associé. Ainsi, nous avons défini les acteurs de la conception touchés par les simulations en RV du prototype virtuel et de l’usage associé mais aussi le contexte d’action pour les concepteurs à travers la définition de rôles qui peuvent leur être assignés lors des simulations en RV. Nous proposons ainsi trois activités de conception mettant en œuvre les outils de RV, dans le cadre de la méthodologie CURV, qui sont l’analyse ergonomique qualitative du couple produit/usage en RV, l’évaluation ergonomique quantitative du couple produit/usage en RV et la conception en RV du prototype virtuel et de l’usage associé. La première activité de conception en RV propose d’évaluer, de manière immersive et interactive, le couple produit/usage sur la base de commentaires subjectifs (aspects qualitatifs de l’usage). La seconde originalité de nos travaux est de proposer une deuxième activité de conception, supportée par la RV, qui intègre des outils d’analyses ergonomiques quantitatifs de l’usage pour compléter les recommandations qualitatives déjà obtenues. La troisième originalité de nos travaux réside dans la troisième activité de conception en RV qui consiste à modifier de manière interactive et en temps réel le prototype virtuel lors des simulations en RV en fonction des évaluations ergonomiques (objectives et subjectives) précédentes. Pour cela, nous avons développé un module d’assemblage en RV, de type CAO, qui permet à l’ingénieur mécanicien de modifier dans une certaine limite l’architecture du poste de travail virtuel. Un retour direct, des modifications apportées lors des simulations en RV, au niveau du modèle CAO natif est réalisé grâce au couplage des outils de RV et des outils de CAO paramétrée ce qui diminue en partie les problèmes d’interopérabilité. Nous assurons finalement une continuité dans l’évolution du prototype virtuel au cours de sa conception. En effet, les paramètres modifiés sur le prototype virtuel sont stockés dans un outil de conception collaboratif de type PLM et peuvent être réutilisés, par la suite, par d’autres acteurs de la conception, assurant ainsi une mise à jour permanente des données du produit.

  • Titre traduit

    Virtual reality for a user-centred mechanical system design


  • Résumé

    Our thesis work carried out in the Systems and Transport laboratory (ERCOS team), deals with user-centred mechanical systems design. Our research is more specifically directed towards studying the mechanical systems which concern workstations. Indeed, one of the current problems for the industrialists is to be able to design workstations which are suitable for human (users/operators). The aim is to avoid the kind of serious health problems which are becoming apparent today, such as “repetitive strain injuries” (1st occupational disease declared in France and Europe). With this objective, we propose to study the “use” (or usability) of industrial equipment, by integrating “ergonomics” into the design process. Although our work was carried out in the field of Engineering Science (Mechanical engineering), we tried to take the ergonomics aspect into account through a multi-disciplinary approach. Consequently, our research is centred within the Design For Ergonomics (DFE) and design For Usability (DFU) disciplines which comes under the discipline of Design For X (DFX). Thus, our objective is to define a methodology, and associated tools, to be integrated into the ergonomic design process of both product and use. Thus, we successively studied two research hypotheses, by means of a first set of experiments carried out in the field of fine leather luxury goods. Our first research hypothesis is to study the use of a numerical mechanical system via the design of an interaction between the real user and this system. The second research hypothesis is to study the usefulness of virtual reality (VR), as a real-time virtual prototyping tool, to design the “use function” of the product and so the “human/numerical product” interaction. Within the context of a second set of experiments, carried out in the automobile industry and agro-alimentary fields, we studied a third research hypothesis. This third assumption is that VR can be used to design, in an interactive way, both the product and the product use earlier in the design process and in particular during the phases of preliminary studies and detailed studies. In order to generalise our experimental results, we identified various limitations of our results. It led us to consider integrating virtual reality into the design process through the definition of “design activities”. We thus propose a fourth research hypothesis: “virtual reality can be integrated, in a structured way, into a human-centred product design and development process”. Thus, our final contribution, based on all feedback from these experiments, introduces an original design methodology called Virtual Reality Aided Design for Use (VRADU). The first originality of our work is to propose using the application of VRADU methodology in all design stages implying a digital mock-Up (DMU) or a virtual prototype. For this reason, we introduced the concept of “virtual reality meeting point” which makes it possible to support the teamworking and the integration of the various disciplines within the design process. VRADU methodology defines, in a structured way, the impact of VR tools during the design of the product and its associated use. Thus, we defined the design actors concerned by the “virtual prototype and associated use” simulations in VR. We also defined their actions through role definition which can be assigned to them during simulations in VR. We proposed three “design activities” which use VR tools, within the VRADU methodology framework. These are: the qualitative ergonomic analysis of both product and associated use in VR, the quantitative ergonomic evaluation of both the product and associated use in VR and the design of the virtual prototype and its associated use in VR. The first “design activity” in VR proposes to evaluate, in an immersive and interactive way, product and product-use on the basis of subjective comments (qualitative aspects of use). The second originality of our work is to propose a second “design activity”, carried out using VR, which integrates tools for quantitative ergonomic analysis of the use, in order to supplement the qualitative recommendations already obtained. The third originality of our work lies in the third “design activity” in VR which is to modify the virtual prototype , in an interactive way and in real-time, during simulations in VR according to the previous ergonomic evaluations (objective and subjective) already made. For that, we developed a CAD type VR assembly module which makes it possible for the mechanical engineer to modify the virtual workstation structure within certain limits. A direct update of these modifications is possible on the native CAD model level due to the connection between the VR tools and the parametric CAD tools. This partially decreases the interworking problems between the various simulation tools. Finally, we ensured continuity in the virtual prototype development during its design. Indeed, the parameters modified on the virtual prototype are stored in a collaborative design tool of PLM type. These parameters can be re-used, thereafter, by other designers, thus ensuring permanent updating of the product data.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (178 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 165-176. Index

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  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Lucien Febvre (Belfort).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Sc.2007.18.B
  • Bibliothèque : Université de technologie de Belfort-Montbéliard. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THESE 07 MAH
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