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Anthropométrie Biomécanique David Waldura Olivier Palmieri JdV Dijon septembre 2006.

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1 Anthropométrie Biomécanique David Waldura Olivier Palmieri JdV Dijon septembre 2006

2 Plan Généralités Généralités Définitions Définitions Objectifs Objectifs Notions statistiques Notions statistiques Anthropométrie statique Anthropométrie statique Anthropométrie dynamique Anthropométrie dynamique Biomécanique Biomécanique Le mannequin numérique Le mannequin numérique

3 Généralités La « Machine Humaine » : La « Machine Humaine » : Lhomme moyen nexiste pas Lhomme moyen nexiste pas Extrême variabilité des caractéristiques dun individu à lautre : Extrême variabilité des caractéristiques dun individu à lautre : Forme, dimensions Forme, dimensions Résistance, tolérance Résistance, tolérance Capacités fonctionnelles (perceptives, cognitives, motrices…) Capacités fonctionnelles (perceptives, cognitives, motrices…) => toujours considérer une population cible Évolution des caractéristiques en fonction du temps (âge, vieillissement) Évolution des caractéristiques en fonction du temps (âge, vieillissement)

4 Définitions Anthropométrie : Anthropométrie : « Anthropos », homme ; « metron », mesurer. « Anthropos », homme ; « metron », mesurer. Étude et mesure des dimensions physiques du corps humain. Étude et mesure des dimensions physiques du corps humain. On distingue classiquement : On distingue classiquement : Anthropométrie statique Anthropométrie statique Anthropométrie dynamique Anthropométrie dynamique Biomécanique : Biomécanique : Approche de la structure et du fonctionnement des êtres vivants sappuyant sur les lois de la mécanique. Approche de la structure et du fonctionnement des êtres vivants sappuyant sur les lois de la mécanique.

5 Définitions Normes : Normes : « Documents établis par consensus, qui fournissent, pour des usages communs et répétés, des règles, des lignes directrices ou des caractéristiques, pour des activités ou leurs résultats, garantissant un niveau dordre optimal dans un contexte donné » « Documents établis par consensus, qui fournissent, pour des usages communs et répétés, des règles, des lignes directrices ou des caractéristiques, pour des activités ou leurs résultats, garantissant un niveau dordre optimal dans un contexte donné » Conçues à partie de lensemble des informations fournies par lanthropométrie et la biomécanique. Conçues à partie de lensemble des informations fournies par lanthropométrie et la biomécanique. Ces normes nenglobent pas la totalité des individus mais servent de document de référence. Ces normes nenglobent pas la totalité des individus mais servent de document de référence. Elles sont essentiellement indicatives. Elles sont essentiellement indicatives. Disponibles auprès de la délégation régionale de lAFNOR (Association Française de Normalisation). Disponibles auprès de la délégation régionale de lAFNOR (Association Française de Normalisation).

6 Objectifs Connaître les dimensions : Connaître les dimensions : Des opérateurs pour la conception des postes de travail Des opérateurs pour la conception des postes de travail Étude des relations réciproques entre les mensurations du corps humain et les dimensions du poste de travail, les machines et lenvironnement physique. Étude des relations réciproques entre les mensurations du corps humain et les dimensions du poste de travail, les machines et lenvironnement physique. Des utilisateurs pour la conception des produits Des utilisateurs pour la conception des produits Renault (Rebiffé et Coll.) Renault (Rebiffé et Coll.) Campagne de mensuration pour lindustrie de lhabillement 2006 Campagne de mensuration pour lindustrie de lhabillement 2006

7 Notions statistiques Impossible de généraliser à un grand nombre dindividus les mesures effectuées sur un seul Impossible de généraliser à un grand nombre dindividus les mesures effectuées sur un seul Connaissance de la moyenne de léchantillon insuffisante : nécessité de connaître la variation des dimensions parmi la population concernée pour la conception doutils ou de poste de travail utilisables par le plus grand nombre Connaissance de la moyenne de léchantillon insuffisante : nécessité de connaître la variation des dimensions parmi la population concernée pour la conception doutils ou de poste de travail utilisables par le plus grand nombre

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9 Notions statistiques Etalonnage en centiles (ou percentiles) : découpage de leffectif en pourcentage. Etalonnage en centiles (ou percentiles) : découpage de leffectif en pourcentage. Entre le 5 ème et le 95 ème centile sont compris pour le caractère considéré 90 % des sujets examinés. Entre le 5 ème et le 95 ème centile sont compris pour le caractère considéré 90 % des sujets examinés. Ces notions sont prises en compte par la normalisation. Ces notions sont prises en compte par la normalisation.

10 Notions statistiques Norme EN : Norme EN : Lors de la conception dun équipement de travail devant être adapté à une population dopérateurs, les centiles à utiliser doivent aller, au minimum, du 95 ème au 5 ème centile. Lors de la conception dun équipement de travail devant être adapté à une population dopérateurs, les centiles à utiliser doivent aller, au minimum, du 95 ème au 5 ème centile. Lorsque lhygiène et la sécurité sont des facteurs importants, on doit utiliser de plus larges plages, normalement le 99 ème et/ou le 1 er centile. Lorsque lhygiène et la sécurité sont des facteurs importants, on doit utiliser de plus larges plages, normalement le 99 ème et/ou le 1 er centile.

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12 Variabilité 5% de la population dans cette zone 90% de la population dans cette zone Variable mesurée Fréquence 5 ème centile50 ème centile95 ème centile

13 Utilisation des données statistiques La moyenne et la dispersion de la population doivent être prises en compte. La moyenne et la dispersion de la population doivent être prises en compte. Laugmentation de lamplitude du réglage permet laugmentation de la population satisfaite, mais ce gain est de plus en plus coûteux à obtenir à mesure que lon séloigne de la moyenne. Laugmentation de lamplitude du réglage permet laugmentation de la population satisfaite, mais ce gain est de plus en plus coûteux à obtenir à mesure que lon séloigne de la moyenne.

14 Anthropométrie statique Mesure des segments corporels des individus Mesure des segments corporels des individus But : obtenir une fiche anthropométrique But : obtenir une fiche anthropométrique Méthodologie : Méthodologie : Recueil des données à laide de matériel spécifique (tabouret, toise, goniomètre…) dans des conditions de mesure standardisées. Recueil des données à laide de matériel spécifique (tabouret, toise, goniomètre…) dans des conditions de mesure standardisées. Interprétation des données (matrice de corrélation, normes AFNOR). Interprétation des données (matrice de corrélation, normes AFNOR).

15 Mesure de la taille Taille = stature = hauteur corporelle Taille = stature = hauteur corporelle La plus pratiquée, la plus facile à utiliser La plus pratiquée, la plus facile à utiliser Utile : bonne corrélation avec les mesures type longueur utiles en conception Utile : bonne corrélation avec les mesures type longueur utiles en conception Méthode de la toise de Martin : Méthode de la toise de Martin : Distance verticale entre le sommet de la tête (vertex) et le sol Distance verticale entre le sommet de la tête (vertex) et le sol Sujet debout, redressé au maximum, pieds joints Sujet debout, redressé au maximum, pieds joints Position définie par la norme EN ISO 7250 Position définie par la norme EN ISO 7250

16 Mesure de la taille

17 Taille : moyenne et dispersion

18 Mesure de la taille Facteurs de variabilité : Facteurs de variabilité : Posture Posture Heure de la journée Heure de la journée Croissance / sénescence Croissance / sénescence Sexe Sexe Génétique et mode de vie Génétique et mode de vie

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21 Dimensions segmentaires Lensemble des mesures doit être réalisé avec la même méthode pour toutes les mensurations. Lensemble des mesures doit être réalisé avec la même méthode pour toutes les mensurations. Les conditions de mesures sont précisées par la norme ISO Les conditions de mesures sont précisées par la norme ISO Calcul des distances inter-articulaires : Calcul des distances inter-articulaires : Calculées en appliquant aux différentes mesures segmentaires un coefficient correspondant. Calculées en appliquant aux différentes mesures segmentaires un coefficient correspondant. Exemple : distance articulation épaule/articulation coude = 80 % de la distance épaule coude mesurée. Exemple : distance articulation épaule/articulation coude = 80 % de la distance épaule coude mesurée.

22 Exemple de fiche de données anthropométriques (avec référence aux paragraphes de la norme ISO 7250)

23 Corrections liées à lhabillement Lanthropométrie statique apprécie les mesures dencombrement des opérateurs dévêtus. Lanthropométrie statique apprécie les mesures dencombrement des opérateurs dévêtus. Les données sont ensuite pondérées pour tenir compte des vêtures et des EPI. Les données sont ensuite pondérées pour tenir compte des vêtures et des EPI.

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25 Anthropométrie dynamique Le squelette peut être représenté par un ensemble de chaînons articulés dont la mise en mouvement définit : Le squelette peut être représenté par un ensemble de chaînons articulés dont la mise en mouvement définit : les volumes dans lesquels il évolue les volumes dans lesquels il évolue les limites datteintes les limites datteintes les zones de préhension. les zones de préhension.

26 Anthropométrie dynamique Lanthropométrie dynamique permet : Lanthropométrie dynamique permet : la représentation des zones dévolution et de manœuvre des opérateurs. la représentation des zones dévolution et de manœuvre des opérateurs. la détermination de lemplacement privilégié des commandes, des informations à saisir et des signaux dalerte. la détermination de lemplacement privilégié des commandes, des informations à saisir et des signaux dalerte. létablissement des dimensions minimales de passage et zones de travail. létablissement des dimensions minimales de passage et zones de travail.

27 Anthropométrie dynamique Méthodologie Méthodologie Construction graphique dune aire dévolution optimale de chaque segment corporel matérialisée par les distances inter-articulaires en tenant compte des angles de moindre inconfort Construction graphique dune aire dévolution optimale de chaque segment corporel matérialisée par les distances inter-articulaires en tenant compte des angles de moindre inconfort Prise en compte des angles définissant le champ visuel Prise en compte des angles définissant le champ visuel

28 Angles de moindre inconfort Le confort dune posture dépend des angles que font entre eux les segments corporels. Le confort dune posture dépend des angles que font entre eux les segments corporels. Équilibre entre action des muscles fléchisseurs et extenseurs : la situation est plus « confortable » si les articulations sont dans une position intermédiaire : pas de flexion ou extension extrême. Équilibre entre action des muscles fléchisseurs et extenseurs : la situation est plus « confortable » si les articulations sont dans une position intermédiaire : pas de flexion ou extension extrême. Toute posture devient « inconfortable » si lon na pas la possibilité den changer Toute posture devient « inconfortable » si lon na pas la possibilité den changer

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33 Zones datteinte extrêmes Définies par les portions de sphère décrites par les membres supérieurs étendus (limite de prise manuelle à ne pas dépasser) Définies par les portions de sphère décrites par les membres supérieurs étendus (limite de prise manuelle à ne pas dépasser) La prise répétée d'objets à la limite des zones maximales d'atteinte nécessite une extension maximale des articulations et un travail musculaire local important. La prise répétée d'objets à la limite des zones maximales d'atteinte nécessite une extension maximale des articulations et un travail musculaire local important.

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35 Zones datteintes de confort Correspondent aux zones plus proches du corps. Correspondent aux zones plus proches du corps. Elles sont déterminées par les portions de sphères décrites par les membres supérieurs avec une antépulsion de 0° à 20°. Sur un plan horizontal, on estime que ces zones sont limitées, dans la rotation de l'avant-bras, à 40° vers l'extérieur et 60° vers le corps. Elles sont déterminées par les portions de sphères décrites par les membres supérieurs avec une antépulsion de 0° à 20°. Sur un plan horizontal, on estime que ces zones sont limitées, dans la rotation de l'avant-bras, à 40° vers l'extérieur et 60° vers le corps. L'intersection des zones de confort droite et gauche détermine une zone de manipulation optimale. L'intersection des zones de confort droite et gauche détermine une zone de manipulation optimale.

36 Zones datteinte dun plan de travail

37 Zones datteinte et de passage Zones datteinte Zones datteinte privilégier les petits (5 %) : notion datteignabilité privilégier les petits (5 %) : notion datteignabilité Regrouper les dispositifs dalarme et dintervention urgente dans les zones datteinte commune des deux mains Regrouper les dispositifs dalarme et dintervention urgente dans les zones datteinte commune des deux mains Passage, stature corporelle Passage, stature corporelle privilégier les grands (95%) : notion daccessibilité privilégier les grands (95%) : notion daccessibilité le poste est conçu pour le plus grand et adapté pour le plus petit. le poste est conçu pour le plus grand et adapté pour le plus petit.

38 Zones de passage

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40 Recommandations pour indicateurs visuels Tenir compte des lignes de visée naturelles Tenir compte des lignes de visée naturelles Dans le plan vertical, informations dans un angle de 40° en dessous de la ligne horizontale partant des yeux. Dans le plan vertical, informations dans un angle de 40° en dessous de la ligne horizontale partant des yeux. Dans le plan horizontal, informations importantes à lintérieur dun angle de 30° devant lopérateur, et accessoires à lintérieur dun angle de 60°. Dans le plan horizontal, informations importantes à lintérieur dun angle de 30° devant lopérateur, et accessoires à lintérieur dun angle de 60°. Faire en sorte que lœil puisse toujours contrôler les mouvements de la main. Faire en sorte que lœil puisse toujours contrôler les mouvements de la main.

41 Recommandations pour indicateurs visuels Faciliter la perception des informations Faciliter la perception des informations Éclairage adapté : 300 à 1000 lux. Éclairage adapté : 300 à 1000 lux. Dimension des caractères. Dimension des caractères. Bon contraste entre lobjet à percevoir et le fond. Bon contraste entre lobjet à percevoir et le fond. Distinction claire des zones «normal » et « alerte ». Distinction claire des zones «normal » et « alerte ».

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45 Mesure de la force musculaire Facteurs conditionnant lefficacité musculaire : Facteurs conditionnant lefficacité musculaire : Position de larticulation Position de larticulation Vitesse de la contraction (ou du mouvement) Vitesse de la contraction (ou du mouvement) Durée de la contraction Durée de la contraction Répétitivité du mouvement Répétitivité du mouvement Type deffort (statique, dynamique) Type deffort (statique, dynamique) Groupe musculaire considéré Groupe musculaire considéré Latéralité Latéralité Age Age Type de population, entraînement, état de santé Type de population, entraînement, état de santé

46 Mesure de la force musculaire Force (effort exercé) Force (effort exercé) Newton : 10N # 1kg Newton : 10N # 1kg Énergie : force x déplacement Énergie : force x déplacement Joule : 1N x 1m Joule : 1N x 1m Puissance : énergie/durée Puissance : énergie/durée Watt : 1J / 1s (1 cal = 4,18 J) Watt : 1J / 1s (1 cal = 4,18 J)

47 Mesure de la force musculaire Dynamométrie : Dynamométrie : Mesure de leffort maximal. Mesure de leffort maximal. Déformation calibrée dun dispositif mécanique lors de leffort. Déformation calibrée dun dispositif mécanique lors de leffort. Pas de possibilité de suivre leffort au cours du temps. Pas de possibilité de suivre leffort au cours du temps.

48 Mesure de la force musculaire Extensométrie : Extensométrie : Basée sur la déformation calibrée dun dispositif électrique lors de leffort. Basée sur la déformation calibrée dun dispositif électrique lors de leffort. Lecture par lintermédiaire dun appareil de mesure et de visualisation. Lecture par lintermédiaire dun appareil de mesure et de visualisation. Possibilité de suivre leffort au cours du temps. Possibilité de suivre leffort au cours du temps.

49 Mesure de la force musculaire Electromyographie de surface Electromyographie de surface Mesure indirecte de la force par lactivité électrique du muscle. Mesure indirecte de la force par lactivité électrique du muscle.

50 Force maximale de différents groupes musculaires d après Tornvall 1963, in Bouisset, S. & Maton, B. (N) 92 jeunes adultes (19-20 ans) sélectionnés au hasard

51 Limites des forces recommandées pour lutilisation des machines Selon la norme NF EN (2002) (X ) Selon la norme NF EN (2002) (X ) Sappliquent aux hommes et femmes de la population générale dont la posture est optimale et les circonstances « idéales ». Sappliquent aux hommes et femmes de la population générale dont la posture est optimale et les circonstances « idéales ». Correspondent au 15 ème centile de lensemble de la population adulte (hommes et femmes en bonne santé de 20 à 65 ans). Correspondent au 15 ème centile de lensemble de la population adulte (hommes et femmes en bonne santé de 20 à 65 ans).

52 Activité Force (N) Travail avec la main (une main) : Prise pleine main 250 Travail avec le bras (posture assise, un bras) : - Vers le haut - Vers le bas - Vers lextérieur - Vers lintérieur - Poussée - sans support du tronc - sans support du tronc - avec support du tronc - avec support du tronc - Traction - sans support du tronc - sans support du tronc - avec support du tronc - avec support du tronc Travail avec tout le corps (posture debout) : PousséeTraction Travail du pied (posture assise avec support du tronc) : Action de la cheville Action de la jambe

53 Facteurs de correction Vitesse dexécution du mouvement Vitesse dexécution du mouvement Temps daction et fréquence du mouvement Temps daction et fréquence du mouvement Durée de leffort Durée de leffort La valeur obtenue après correction reste une mesure de la force maximale possible deffort. La valeur obtenue après correction reste une mesure de la force maximale possible deffort.

54 Facteurs de correction Il faut tenir compte des facteurs affectant le risque : utilisation dune pondération supplémentaire pour le calcul de lappréciation du risque de force Il faut tenir compte des facteurs affectant le risque : utilisation dune pondération supplémentaire pour le calcul de lappréciation du risque de force La posture. La posture. La précision des mouvements. La précision des mouvements. Laccélération potentielle. Laccélération potentielle. Les vibrations produites par les machines. Les vibrations produites par les machines. La maîtrise du rythme de travail. La maîtrise du rythme de travail. La gêne engendrée par les EPI. La gêne engendrée par les EPI. Lenvironnement thermique Lenvironnement thermique

55 Au total 15% de la force maximale 15% de la force maximale faible durée de contraction faible durée de contraction se référer aux plus faibles se référer aux plus faibles Favoriser : Favoriser : appuis appuis moyens mécaniques moyens mécaniques pauses pauses alimentation équilibrée et en quantité suffisante alimentation équilibrée et en quantité suffisante

56 Application des mesures anthropométriques et biomécaniques dans la conception des postes de travail Le Mannequin numérique

57 Mannequin numérique Logiciel daide à la conception Logiciel daide à la conception Différents modèles Différents modèles Polyvalents (Jack par UGS, Human par Delmia, SAMMIE logiciel universitaire) Polyvalents (Jack par UGS, Human par Delmia, SAMMIE logiciel universitaire) Avions / voitures (RAMSIS, Boeing Human Modeling System) Avions / voitures (RAMSIS, Boeing Human Modeling System) Nécessite Nécessite Plan CAO 3D de la machine Plan CAO 3D de la machine Évaluateur ergonomique type RULA Évaluateur ergonomique type RULA Étude des postures à risque Étude des postures à risque Principales postures prises dans la journée Principales postures prises dans la journée

58 Implantation du mannequin dans son environnement et création des postures Fonctionnalités : Fonctionnalités : Librairie standard de mannequins articulés. Librairie standard de mannequins articulés. Création des posture à partir dune librairie de postures élémentaires. Création des posture à partir dune librairie de postures élémentaires. Analyse datteignabilité. Analyse datteignabilité. Analyse du Champs visuel. Analyse du Champs visuel.

59 Personnalisation de mannequin Fonctionnalités : Fonctionnalités : 104 variables anthropométriques 104 variables anthropométriques Annotations de ces variables Annotations de ces variables Outils de gestion de librairies anthropométriques Outils de gestion de librairies anthropométriques Création dune base de données opérateurs paramétrable par population Création dune base de données opérateurs paramétrable par population

60 Examiner la situation articulaire de posture Fonctionnalités : Fonctionnalités : 148 degrés de liberté 148 degrés de liberté Éditeur de limites articulaires et de limites de confort Éditeur de limites articulaires et de limites de confort Visualisation et optimisation automatique de posture Visualisation et optimisation automatique de posture Analyse des limites articulaires et des efforts statiques Analyse des limites articulaires et des efforts statiques

61 Programmer puis simuler lensemble des opérations réalisées par lopérateur Fonctionnalités : Fonctionnalités : Activité de marche, Activité de marche, Activité de Prise / Dépose, Activité de Prise / Dépose, Activité de changement de posture. Activité de changement de posture. Outil de vérification des collisions Outil de vérification des collisions Utilisation doutils ergonomiques (anthropométrie, vision, atteintes) Utilisation doutils ergonomiques (anthropométrie, vision, atteintes)

62 Utilisations possibles Validation des aspects dimensionnels Validation des aspects dimensionnels Zones datteintes Zones datteintes Champ de vision Champ de vision

63 Utilisations possibles Validation de postures Validation de postures Simulation et évaluation de position statiques « critiques » probables Simulation et évaluation de position statiques « critiques » probables

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65 Conclusion But final des études anthropométriques et biomécaniques : But final des études anthropométriques et biomécaniques : Réduire lincidence des mauvaises postures de travail et leurs conséquences sur lindividu (fatigue, inconfort, pénibilité…) Réduire lincidence des mauvaises postures de travail et leurs conséquences sur lindividu (fatigue, inconfort, pénibilité…) Améliorer lefficacité du geste professionnel Améliorer lefficacité du geste professionnel

66 Bibliographie Ergonomie des postes et lieux de travail, 2 tomes, AFNOR 2003 Ergonomie des postes et lieux de travail, 2 tomes, AFNOR 2003 Précis de physiologie du travail, notions dergonomie. J.Scherrer, Masson ed.1981 Précis de physiologie du travail, notions dergonomie. J.Scherrer, Masson ed.1981 Enquête anthropométrique sur les conducteurs français. R.Rebiffé et coll. Renault / Peugeot 1982 Enquête anthropométrique sur les conducteurs français. R.Rebiffé et coll. Renault / Peugeot 1982 Fiche pratique de sécurité ED 79 INRS 2004 Fiche pratique de sécurité ED 79 INRS 2004 H.J. SMOLIK et coll., Anthropométrie, Polycopié du D.U. dErgonomie, Université de Bourgogne Franche-Comté – Dijon – 2005 H.J. SMOLIK et coll., Anthropométrie, Polycopié du D.U. dErgonomie, Université de Bourgogne Franche-Comté – Dijon – 2005 Laboratoire dIngénierie de Conception des Systèmes Sûrs (INRS Neuves-Maisons) Laboratoire dIngénierie de Conception des Systèmes Sûrs (INRS Neuves-Maisons) Délégation régionale de lAFNOR (consultation des documents sur place) (Blvd Albert Ier, Nancy) Délégation régionale de lAFNOR (consultation des documents sur place) (Blvd Albert Ier, Nancy) Sites internet : Sites internet :


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