Analyse du mouvement daccessibilité au poste de conduite d ...

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N° d’ordre : 2009-ISAL-0037 Année 2009


Thèse

Analyse du mouvement d’accessibilité au
poste de conduite d’une automobile en vue de
la simulation
-
Cas particulier des personnes âgées



Présentée devant
L’institut national des sciences appliquées de Lyon

Pour obtenir
Le grade de docteur

Formation doctorale : Génie Mécanique – Option Biomécanique
École doctorale : École doctorale MEGA de Lyon

Par
Elodie Chateauroux
(Ingénieur)
Soutenue le devant la Commission d’examen


Jury MM.
Co-directeur Jean-Pierre Verriest Directeur de recherche (INRETS)
Co-directeur Xuguang Wang Directeur de recherche (INRETS)
Rapporteur Philippe Gorce Professeur (Université du Sud-Toulon-Var)
Rapporteur Franck Multon Professeur (Université Rennes 2)
Examinateur André Thévenon Professeur (Université Lille 2)
Examinateur Lionel Maiffredy Maître de Conférence (INSA de Lyon)
Invité Philippe Pudlo Maître de Conférence (Université Valenciennes)
Invité Jules Trasbot RENAULT


Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (LBMC)

Analyse du mouvement d’accessibilité au poste de conduite d’une
automobile en vue de la simulation - Cas particulier des personnes
âgées

Résumé

Cette étude se place dans le contexte des mannequins numériques utilisés, dés les
premières phases de conception, pour tester l’ergonomie d’environnements comme un
véhicule automobile. Ces nouveaux outils ne tiennent pas encore compte du vieillissement
dans la population ...

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N° d’ordre : 2009-ISAL-0037 Année 2009 Thèse Analyse du mouvement d’accessibilité au poste de conduite d’une automobile en vue de la simulation - Cas particulier des personnes âgées Présentée devant L’institut national des sciences appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale : Génie Mécanique – Option Biomécanique École doctorale : École doctorale MEGA de Lyon Par Elodie Chateauroux (Ingénieur) Soutenue le devant la Commission d’examen Jury MM. Co-directeur Jean-Pierre Verriest Directeur de recherche (INRETS) Co-directeur Xuguang Wang Directeur de recherche (INRETS) Rapporteur Philippe Gorce Professeur (Université du Sud-Toulon-Var) Rapporteur Franck Multon Professeur (Université Rennes 2) Examinateur André Thévenon Professeur (Université Lille 2) Examinateur Lionel Maiffredy Maître de Conférence (INSA de Lyon) Invité Philippe Pudlo Maître de Conférence (Université Valenciennes) Invité Jules Trasbot RENAULT Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (LBMC) Analyse du mouvement d’accessibilité au poste de conduite d’une automobile en vue de la simulation - Cas particulier des personnes âgées Résumé Cette étude se place dans le contexte des mannequins numériques utilisés, dés les premières phases de conception, pour tester l’ergonomie d’environnements comme un véhicule automobile. Ces nouveaux outils ne tiennent pas encore compte du vieillissement dans la population. Les mouvements d’entrée et de sortie sont des mouvements complexes particulièrement problématiques pour les seniors. Cette thèse a pour but d’analyser les mouvements d’accessibilités de personnes âgées pour 1/ mieux comprendre leurs difficultés, 2/ pouvoir simuler ces mouvements au moyen d’un mannequin numérique. Dix huit sujets âgés et 7 sujets jeunes ont participés aux expérimentations. Des mouvements d’entrée et de sortie de quatre véhicules ont été capturés et les notes d’inconfort sont recueillies par un questionnaire. De plus, les effets du vieillissement sont différents d’une personne à l’autre, les sujets âgés ont donc passé une série de tests dans le but d’évaluer leurs capacités fonctionnelles. Ces tests sont utilisés pour définir 3 groupes de sujets : ceux qui ont un problème fonctionnel, ceux qui ont des capacités « médiocres » et ceux qui ont de bonnes capacités fonctionnelles. Les mouvements d’entrée et de sortie sont analysés par le biais des interactions entre le sujet et l’environnement dans le but de définir les contraintes liées à la géométrie du véhicule. Deux grandes stratégies sont observées pour les mouvements d’entrée et pour ceux de sortie. Les stratégies d’entrée et sortie « S’Assoit D’abord » et « Deux Jambes Ensemble » ont tendance à être utilisées par des personnes ayant des problèmes fonctionnels. Les stratégies « Jambe Droite la Première » et « Jambe Gauche la Première » sont respectivement les stratégies d’entrée et de sortie les plus observées quelles que soient les capacités fonctionnelles. Ces mouvements sont découpés en phases pour lesquelles des sous-stratégies sont définies. Les interactions entre les mains et l’environnement semblent jouer un rôle très important. Des mécanismes de compensation sont observés dans les mouvements des personnes ayant des problèmes fonctionnels. Les questionnaires d’inconfort montrent que les personnes âgées rencontrent plus de problèmes en sortant qu’en entrant dans les véhicules. Les notes d’inconfort sont influencées par les capacités fonctionnelles des sujets mais les résultats sont très hétérogènes. Une explication proposée est que ces notes reflètent essentiellement les préférences des sujets en termes d’accessibilité automobile. Un examinateur extérieur serait donc mieux à même d’évaluer les difficultés des personnes âgées. Les mouvements capturés sont structurés dans des bases de données dans le but de simuler les mouvements d’accessibilité de personnes âgées à l’aide du logiciel RPx. Mots clés : mannequin numérique, ergonomie, mouvement, simulation, accessibilité, inconfort, capacités fonctionnelles, vieillissement. Analysis of the accessibility movement to a car driver seat – Focus on the older driver case Abstract This study takes place in the context of Digital Human models used to test the ergonomics of environments such as automotives in the earliest stages of the design process. Yet, these tools do not take into account the aging of the population. The car ingress and egress motions are particularly problematic for seniors. This thesis aims at analysing car accessibly movements of elderly people in order to 1/ better understand their difficulties and 2/ simulate these motions using a digital human model. Eighteen elderly and 7 young subjects participated in the experiment. Ingress and egress motions were captured for four types of vehicle and discomfort ratings were collected by a questionnaire. As age effects differ from one person to another, the functional capacities were measured using clinical tests to draw a portrait of the abilities of each elderly subject. Results of these tests are used to define 3 groups of people: those who have a functional problem, those with “mediocre” capacities and those who have good capacities. Ingress and egress motions are analysed through the interaction between the subject and the environment in order to define the constraints linked to vehicle design. Two major strategies have been observed for the ingress and egress movements. The strategies “Sit First” and “Two Legs Out” are used by people with functional problems. The strategies “Right Leg First” and “Left Leg First” are the most observed ingress and egress strategies, regardless of functional capacities. These movements are decomposed into phases for which sub-strategies are defined. The interactions between the hands and the environmental seem to play an important role. Compensation mechanisms are observed in the movements of persons with functional problems. The discomfort questionnaires show that elderly subjects face more problems when exiting than when entering a car. Discomfort ratings are influenced by the functional abilities of subjects but the results are very heterogeneous. An explanation would be that these ratings also reflect the preferences of subjects in terms of car accessibility. An external examiner would then better assess the difficulties of elderly people. The captured movements are structured in databases in order to simulate the accessibility movements of elderly using the RPx software. Key Words: Digital Human Model, ergonomics, movements, simulation, accessibility, discomfort, ageing, functional capacities. Remerciements Je tiens en premier lieu à remercier Xuguang Wang pour tout ce qu’il m’a appris depuis mon arrivée à l’INRETS en Master, pour son encadrement et son amitié au cours de ces 4 années. Je remercie également Jean-Pierre Verriest pour tous ces conseils, pour l’intérêt qu’il a manifesté pour mon utilisation de MAN3D et bien sûr pour la conférence en Algérie où je me suis rendue à sa place. Je remercie les rapporteurs ainsi que les membres du jury pour le temps qu’ils ont consacré à lire et critiquer ce travail. Je tiens ensuite à remercier les membres du consortium HANDIMAN : Philippe Pudlo, Yidir Ait El Menceur, Maud Bassement, Nicolas Découfour et Jean-François Debril du LAMIH, le professeur André Thévenon et l’équipe du SMPR du CHU de Lille, Jules Trasbot et Vincent Beauvivre de RENAULT SA, Philippe Gorce et Patrice Bendahan du LESP. Merci à mes relectrices de luxe d’avoir réussi à rendre ce document plus lisible. Je remercie également les membres de l’équipe d’ergonomie du LBMC pour leur collaboration très enrichissante : Gilles Monnier, François Fraysse, Thomas Robert, Julien Causse, Gorges Beurrier, Claude Dolivet, Adriana Savescu, Mickael Hetier, Nicolas Chevalot, Caroline Barelle et Pierre-Yves Laduron. Puis je remercie toutes les personnes du laboratoire ainsi que celles de l’INRETS. J’ai passé 4 années très agréables parmi eux. Je pense particulièrement à tous les sportifs du midi : joueurs de badminton, coureurs ou nageurs. Enfin, un grand merci à ma famille et à mes amis pour leur soutien. Table des matières Table des matières 1. Introduction ....................................................................................................................... 15 1.1. Contexte de l‘étude .................................... 16 1.1.1. Vieillissement de la population ............ 16 1.1.2. Mannequins numériques utilisés en ergonomie ................... 17 1.2. Le Projet HANDIMAN ................................................................. 19 1.3. Objectifs de la thèse ................................... 20 1.4. Organisation du document ......................... 21 Annexe 1-1 : Pourcentage de la population âgée de 65 et plus dans les pays membres de l‘OCDE (OCDE, 2001) .......................................................................... 22 2. Vieillissement et mouvement ............................. 23 2.1. Introduction ................................................ 24 2.2. Effets du vieillissement affectant la motricité .............................. 24 2.2.1. Anthropométrie.................................................................... 24 2.2.2. Arthrose .............. 25 2.3. Vieillissement du système neuromusculaire ............................... 25 2.4. Vieillissement du système sensoriel ........................................... 25 2.5. Effets du vieillissement sur la performance motrice .................... 26 2.5.1. Stabilité posturale chez les personnes âgées ...................... 26 2.5.2. Marche des personnes âgées ............................................. 27 2.5.3. Transition d‘une posture assise à une posture debout ......................................... 27 2.5.4. Montée et descente de marches 27 2.5.5. Réduction des mobilités articulaires .................................... 28 2.5.6. Capacités fonctionnelles et performances des personnes âgées. ....................... 30 2.6. Les mouvements d‘accessibilité à un véhicule automobile ......................................... 31 2.7. Hypothèses de travail et démarche ............ 36 3. Matériel et méthodes ......................................................................... 39 3.1. Introduction ................ 40 3.2. Présentation des essais réalisés ................................ 40 3.2.1. Sujets .................................................................................. 40 3.2.2. Caractérisation des capacités fonctionnelles au SMPR ....... 41 3.2.3. Capture des mouvements d‘accessibilité au LAMIH ............ 44 3.3. Traitement des données ............................................................................................. 52 3.3.1. Traitements des trajectoires VICON .................................... 52 3.3.2. Reconstruction des mouvements ........ 52 3.3.3. Calcul des amplitudes articulaires ....................................... 57 3.4. Conclusion ................................................................................. 61 Annexe 3-1 : Score de WOMAC ........................................................... 62 Annexe 3-2 : Fiche de synthèse des tests passés au SMPR ................ 63 Annexe 3-3: Position des marqueurs .................... 66 Annexe 3-4 : Anthropométrie ................................................................ 67 Annexe 3-5: Questionnaire général sur l‘accessibilité ........................... 69 Annexe 3-6: Questionnaires d‘inconfort ................................................................................ 70 Annexe 3-7: Localisation de la gêne ..................... 71 Annexe 3-8: Modèle cinématique de MAN3D ....... 73 Annexe 3-9: Modèle cinématique de RAMSIS ...................................................................... 74 4. Caractérisation des capacités fonctionnelles des sujets âgés ........... 75 4.1. Introduction ................................................ 76 4.2. Tests cliniques ........... 76 Table des matières 4.2.1. Test de WOMAC ................................................................................................. 76 4.2.2. Tests d‘équilibre.. 78 4.2.3. Test des marches ............................... 79 4.2.4. Le test Get up and Go......................... 80 4.3. Amplitudes articulaires actives ................................................................................... 81 4.3.1. Comparaison des amplitudes articulaires entre sujets jeunes et âgés. ............... 81 4.3.2. Amplitudes articulaires des sujets âgés .............................. 82 4.4. Caractéristiques de chaque sujet et regroupements .................. 85 4.4.1. Les sujets montrant un problème fonctionnel ...................................................... 85 4.4.2. Les sujets ayant une bonne motricité .................................. 87 4.4.3. Sujets ayant une motricité « médiocre » ............................. 87 4.5. Discussion et conclusion ............................................................ 89 Annexe 4-1 : Valeurs des amplitudes articulaires des sujets jeunes pour la flexion - extension de la nuque, la flexion du torse, la flexion de la hanche droite et la flexion du genou droit. ... 92 Annexe 4-2 : Représentations graphiques des capacités fonctionnelles des sujets âgés. .... 93 5. Analyse des mouvements d‘accessibilité des personnes âgées........................................ 97 5.1. Introduction ................................................................................ 98 5.2. Mouvements d‘entrée ................................................................ 99 5.2.1. Introduction ......... 99 5.2.2. Stratégie « Jambe Droite la Première » .............................101 5.2.3. Stratégie « s‘assoit d‘abord » .............................................................................116 5.3. Mouvements de sortie ...............................................................120 5.3.1. Introduction ........120 5.3.2. Stratégie « jambe gauche la première » ............................................................121 5.3.3. Stratégie « Deux Jambes Ensemble » 137 5.4. Discussion ................................................................................140 5.4.1. Contraintes et stratégies de mouvements ..........................140 5.4.2. Caractéristiques fonctionnelles et accessibilité ..................................................144 5.4.3. Limitations et perspectives .................148 5.5. En résumé ................................................................................149 Annexe 5-1 : Comportements et points d‘appuis des mouvements d‘entrée dans la petite voiture pour la stratégie « jambe droite la première ». .........................................................151 Annexe 5-2 : Comportements et points d‘appuis des mouvements d‘entrée dans la berline moyenne pour la stratégie « jambe droite la première ». .....................152 Annexe 5-3 : Comportements et points d‘appuis des mouvements d‘entrée dans le monospace pour la stratégie « jambe droite la première ». .................................................153 Annexe 5-4 : Comportements et points d‘appuis des mouvements d‘entrée dans le petit utilitaire pour la stratégie « jambe droite la première ». ........................154 Annexe 5-5 : Coordinations des membres inférieurs et de la tête pour les mouvements d‘entrée de stratégie « s‘assoit d‘abord » ............................................................................155 Annexe 5-6 : Comportements et points d‘appuis des mouvements de sortie dans la petite voiture pour la stratégie « jambe gauche la première ». ......................156 Annexe 5-7 : Comportements et points d‘appuis des mouvements de sortie dans la berline moyenne pour la stratégie « jambe gauche la première ». ..................................................157 Annexe 5-8 : Comportements et points d‘appuis des mouvements de sortie dans le monospace pour la stratégie « jambe gauche la première ». ...............158 Annexe 5-9 : Comportements et points d‘appuis des mouvements de sortie dans le petit utilitaire pour la stratégie « jambe gauche la première ». .....................................................159 Annexe 5-10 : Coordinations des membres inférieurs et de la tête pour les 10 mouvements de sortie de la stratégie « Deux Jambes Ensemble ». .........................160