Anthropométrie Biomécanique David Waldura Olivier Palmieri JdV Dijon septembre 2006

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

Généralités => toujours considérer une population cible La « Machine Humaine » : L’homme moyen n’existe pas Extrême variabilité des caractéristiques d’un individu à l’autre : Forme, dimensions Résistance, tolérance Capacités fonctionnelles (perceptives, cognitives, motrices…) => toujours considérer une population cible Évolution des caractéristiques en fonction du temps (âge, vieillissement)

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

Définitions 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 d’ordre optimal dans un contexte donné » Conçues à partie de l’ensemble des informations fournies par l’anthropométrie et la biomécanique. Ces normes n’englobent pas la totalité des individus mais servent de document de référence. Elles sont essentiellement indicatives. Disponibles auprès de la délégation régionale de l’AFNOR (Association Française de Normalisation).

Objectifs Connaître les dimensions : 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 l’environnement physique. Des utilisateurs pour la conception des produits Renault (Rebiffé et Coll.) 1981-1982 Campagne de mensuration pour l’industrie de l’habillement 2006

Notions statistiques Impossible de généraliser à un grand nombre d’individus les mesures effectuées sur un seul Connaissance de la moyenne de l’échantillon insuffisante : nécessité de connaître la variation des dimensions parmi la population concernée pour la conception d’outils ou de poste de travail utilisables par le plus grand nombre

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

Notions statistiques Norme EN 614-1 : Lors de la conception d’un équipement de travail devant être adapté à une population d’opérateurs, les centiles à utiliser doivent aller, au minimum, du 95ème au 5ème centile. Lorsque l’hygiène et la sécurité sont des facteurs importants, on doit utiliser de plus larges plages, normalement le 99ème et/ou le 1er centile.

Variabilité Fréquence Variable mesurée 5ème centile 50ème centile 5% de la population dans cette zone 5% de la population dans cette zone 90% de la population dans cette zone Variable mesurée 5ème centile 50ème centile 95ème centile

Utilisation des données statistiques La moyenne et la dispersion de la population doivent être prises en compte. L’augmentation de l’amplitude du réglage permet l’augmentation de la population satisfaite, mais ce gain est de plus en plus coûteux à obtenir à mesure que l’on s’éloigne de la moyenne.

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

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

Mesure de la taille

Taille : moyenne et dispersion

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

Dimensions segmentaires L’ensemble des mesures doit être réalisé avec la même méthode pour toutes les mensurations. Les conditions de mesures sont précisées par la norme ISO 7250. Calcul des distances inter-articulaires : Calculées en appliquant aux différentes mesures segmentaires un coefficient correspondant. Exemple : distance articulation épaule/articulation coude = 80 % de la distance épaule coude mesurée.

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

Corrections liées à l’habillement L’anthropométrie statique apprécie les mesures d’encombrement des opérateurs dévêtus. Les données sont ensuite pondérées pour tenir compte des vêtures et des EPI.

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

Anthropométrie dynamique L’anthropométrie dynamique permet : la représentation des zones d’évolution et de manœuvre des opérateurs. la détermination de l’emplacement privilégié des commandes, des informations à saisir et des signaux d’alerte. l’établissement des dimensions minimales de passage et zones de travail.

Anthropométrie dynamique Méthodologie Construction graphique d’une aire d’évolution 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

Angles de moindre inconfort Le confort d’une 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. Toute posture devient « inconfortable » si l’on n’a pas la possibilité d’en changer

Zones d’atteinte extrêmes 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.

Zones d’atteintes de confort 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. L'intersection des zones de confort droite et gauche détermine une zone de manipulation optimale.

Zones d’atteinte d’un plan de travail

Zones d’atteinte et de passage privilégier les petits (5 %) : notion d’atteignabilité Regrouper les dispositifs d’alarme et d’intervention urgente dans les zones d’atteinte commune des deux mains Passage, stature corporelle privilégier les grands (95%) : notion d’accessibilité le poste est conçu pour le plus grand et adapté pour le plus petit.

Zones de passage

Recommandations pour indicateurs visuels 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 horizontal, informations importantes à l’intérieur d’un angle de 30° devant l’opérateur, et accessoires à l’intérieur d’un angle de 60°. Faire en sorte que l’œil puisse toujours contrôler les mouvements de la main.

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

Mesure de la force musculaire Facteurs conditionnant l’efficacité musculaire : Position de l’articulation Vitesse de la contraction (ou du mouvement) Durée de la contraction Répétitivité du mouvement Type d’effort (statique, dynamique) Groupe musculaire considéré Latéralité Age Type de population, entraînement, état de santé

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

Mesure de la force musculaire Dynamométrie : Mesure de l’effort maximal. Déformation calibrée d’un dispositif mécanique lors de l’effort. Pas de possibilité de suivre l’effort au cours du temps.

Mesure de la force musculaire Extensométrie : Basée sur la déformation calibrée d’un dispositif électrique lors de l’effort. Lecture par l’intermédiaire d’un appareil de mesure et de visualisation. Possibilité de suivre l’effort au cours du temps.

Mesure de la force musculaire Electromyographie de surface Mesure indirecte de la force par l’activité électrique du muscle.

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

Limites des forces recommandées pour l’utilisation des machines Selon la norme NF EN 1005-3 (2002) (X35-106-3) S’appliquent aux hommes et femmes de la population générale dont la posture est optimale et les circonstances « idéales ». Correspondent au 15ème centile de l’ensemble de la population adulte (hommes et femmes en bonne santé de 20 à 65 ans).

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 l’extérieur Vers l’intérieur Poussée - sans support du tronc - avec support du tronc Traction 50 75 55 62 275 225 Travail avec tout le corps (posture debout) : 200 145 Travail du pied (posture assise avec support du tronc) : Action de la cheville Action de la jambe 475

Facteurs de correction Vitesse d’exécution du mouvement Temps d’action et fréquence du mouvement Durée de l’effort  La valeur obtenue après correction reste une mesure de la force maximale possible d’effort.

Facteurs de correction Il faut tenir compte des facteurs affectant le risque : utilisation d’une pondération supplémentaire pour le calcul de l’appréciation du risque de force La posture. La précision des mouvements. L’accélération potentielle. Les vibrations produites par les machines. La maîtrise du rythme de travail. La gêne engendrée par les EPI. L’environnement thermique

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

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

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

Implantation du mannequin dans son environnement et création des postures Fonctionnalités : Librairie standard de mannequins articulés. Création des posture à partir d’une librairie de postures élémentaires. Analyse d’atteignabilité. Analyse du Champs visuel.

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

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

Programmer puis simuler l’ensemble des opérations réalisées par l’opérateur Fonctionnalités : Activité de marche, Activité de Prise / Dépose, Activité de changement de posture. Outil de vérification des collisions Utilisation d’outils ergonomiques (anthropométrie, vision, atteintes)

Utilisations possibles Validation des aspects dimensionnels Zones d’atteintes Champ de vision

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

Conclusion But final des études anthropométriques et biomécaniques : Réduire l’incidence des mauvaises postures de travail et leurs conséquences sur l’individu (fatigue, inconfort, pénibilité…) Améliorer l’efficacité du geste professionnel

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