VIRTFac
V.I.R.T.Fac (Virtual Innovative Real Time Factory): Optimiser le passage à l’industrie 4.0 : planifier le bon système de production au bon moment, projet Interreg (du 01/10/2019 au 30/09/2022)
Lauréat de la 3e édition de l’appel à projets « Offensive Sciences », ce projet contribue à la dynamique en recherche appliquée dans le Rhin Supérieur. Le projet sélectionné par le Comité de suivi le 25 juin 2019 illustre à la fois l’excellence scientifique de la région trinationale, sa volonté d’application concrète des connaissances, et la très forte valeur ajoutée de la coopération transfrontalière dans le domaine de la recherche. VIRTFac est financé par l’Union Européenne via le programme Interreg V et soutenu par l'Offensive Science.
Le contexte du projet VIRTFac : Industrie 4.0, l'usine du futur
La quatrième révolution
L’industrie n’a de cesse d’évoluer, son évolution a été marquée par quatre grandes révolutions industrielles. La première révolution s’est faite avec la mécanisation des moyens de production, permise par l’invention de systèmes hydrauliques et de la machine à vapeur.
La production de masse fit plus tard son apparition, et marqua un grand bond dans l’industrialisation, avec la maîtrise de l’électricité, et l’invention du principe de chaîne de production.
Dans un troisième temps, ce sont les progrès de l’informatique et l'ordinateur qui ont permis l’automatisation et la robotisation de nombreuses tâches.
Aujourd’hui, c’est une nouvelle grande étape que franchit l’industrie, avec les développements des systèmes dit « cyber-physiques » qui par une connexion toujours plus forte entre les objets (le « Industrial Internet of Things »), génèrent des informations toujours plus volumineuses (le « Big Data »), et dont le traitement toujours plus efficace devient fondamental dans la gestion de la production.
De manière assez générale, la plupart des grands groupes industriels fonctionnent à l’aide d’un ensemble de logiciels permettant la gestion des ressources (ERP), la simulation et le suivi des lignes de production (MES), l’optimisation des flux ou encore le pilotage de la production. Ces différents logiciels sont souvent assez coûteux, et demandent une expertise et des savoir-faire variés pour leur utilisation. Il est ainsi difficile pour les petites et les moyennes entreprises (PME) de franchir ce pas technologique, car les moyens financiers et humains à mettre en œuvre sont importants.
Les objectifs de VIRTFac
Dans ce contexte, le projet VIRTFac (pour « Virtual Innovation Real Time Factory ») se propose de développer une plateforme d’usine virtuelle dont la fonction est double, elle doit permettre :
- D’accompagner les entreprises à divers degrés de maturité dans la planification de l'évolution de leur système de production,
- D’aborder des problématiques de recherche induites par l’arrivée des nouvelles techniques d’information.
VIRTFac fait converger des progiciels de gestion intégrée, des outils de simulation, des outils d’optimisation des flux et de pilotage de la production. En plus de réunir ces différents outils de gestion, l’usine du futur se doit d’être centrée sur les besoins, la sécurité et la santé des employés, et c’est principalement cet objectif qui guide la philosophie de l’industrie 4.0.
Les partenaires du projet
Les établissements d’enseignement supérieur et de recherche
L'INSA Strasbourg, l'Université de Strasbourg et la Hochschule Offenburg. Coté français les tous les intervenants du projet appartiennent au Laboratoire ICube et sont membres des équipes CSIP - Conception, Système d'Information et Processus inventifs - et IGG - Informatique Géométrique et Graphique -
Entreprises et institutionnels associés
Safran Landing Systems Molsheim Atelier Carbone, Altran Technologies Division Est, Siemens Division Production Process Automation Haguenau, Socomec, Plavis GmbH, Divalto, CCI Alsace Eurométropole, Grand E-Nov, Rhenatic, ECAM Strasbourg-Europe, N. Schlumberger
Le budget
D’un budget total de 999.996 €, VIRTFac est cofinancé par le programme INTERREG V Rhin Supérieur à hauteur de 499.998 € issus du Feder (Fonds européen pour le développement régional). Il est également soutenu par les partenaires régionaux franco-allemands – la Région Grand Est, le Bade-Wurtemberg et la Rhénanie-Palatinat – de l’initiative Offensive sciences qui finance les projets de recherche d’excellence transfrontaliers.
Les développements du projet
La complémentarité des compétences des enseignants-chercheurs et ingénieurs impliqués dans le projet nous permet de proposer un ensemble cohérent de fonctionnalités d’une plateforme numérique qui fournira des outils informatiques pour la refonte ou l’optimisation et l’évolution des systèmes de production. Cette plateforme intégrée « usine virtuelle » inclut
- Divers composants d’une usine virtuelle (jumeau virtuel) pour la reconfiguration et la conception des systèmes de production notamment ceux dotés d’un système cyber-physique.
- Des outils d’aide à la conception inventive des systèmes de production en créant des interfaces entre les outils de simulation, d’optimisation et les outils numériques de conception inventive.
- La création de cas types d’entreprise d’un domaine, les modules génériques permettant l’étude rapide pour les petites entreprises.
- L'évaluation les modules sur des projets réels avec des projets d’étudiants.
- Développer la synergie de recherche et de formation dans le domaine de la reconfiguration d’entreprise entre les établissements partenaires d’une part et les entreprises d’autre part.
Les livrables du projet VIRTFac
L’équipement des entreprises est très hétérogène ; les petites et moyennes entreprises atteignent rapidement leurs limites dans la transition vers l’industrie 4.0. VIRTFac vise à développer cette plateforme d'usine virtuelle accessible pour les accompagner dans la reconfiguration, l’optimisation et l’évolution de leurs systèmes de production. L'équipe IGG est impliquée en particulier dans le module d'analyse de l'ergonomie : Ergonom.io. Cette application de réalité virtuelle permet de numériser les gestes d'un opérateur, puis de les restituer et de les analyser dans une usine virtuelle. Cela permet de considérer dans la reconfiguration d'une ligne de production l'ergonomie des gestes des opérateurs et l'ergonomie de postes de travail. Les développements réalisés par l'équipe IGG permettent les connexions entre les différents outils mis en œuvre dans le projet via une base de données. Les démonstrateurs sont les illustrations de l'utilisation de nos travaux exploitant à la fois les outils que nous développons et les outils utilisés dans les entreprises, dans des contextes académique et industriel.
Les livrables du projet
Autour de la base de données
Base de données et API
Le système applicatif de VIRTFac dispose de l’ensemble des données de VIRTFac, par l’intermédiaire d’une API. Le stockage des données se fait de manière classique, tables relationnelles
Les appels à l’API se font par des requêtes HTML, et les réponses données sont envoyées au format JSON
Les applications (client léger ou lourd) échangent avec la base de données via l’API et une interface de communication permettant à l’API de stocker et d’interpréter les données
Échange d’informations et de données entre applications
Le système applicatif de VIRTFac et son API
La réalité virtuelle dans l'équipe IGG
Nos travaux de recherche et développement en réalité virtuelle s'intéressent à la visualisation, l'interaction et l'expérimentation dans dans domaines aussi variés que la physique (radioprotection), l'architecture, les arts, la médecine ou l'industrie. Nous maitrisons l'ensemble des systèmes de restitution, nous gérons différents types de périphériques (nous développons également des systèmes matériels spécifiques. Tous nos développements intègrent les résultats de nos travaux de recherche sur les techniques de navigation et d’interaction en environnement immersif avec périphériques en main ou sans contact ou les facteurs humains dans la perception en réalité virtuelle.
Quelques uns de nos matériels de réalité virtuelle
Ergonom.io, l'ergonomie pour l'industrie 4.0
l’usine du futur se doit d’être centrée sur les besoins, la sécurité et la santé des employés, et c’est principalement cet objectif qui guide la philosophie de l’industrie 4.0. Le projet VIRTFac intègre un module complet permettant en temps réel d’observer, d’analyser et de simuler différents scénarios. Son but est d’améliorer la praticité et l’ergonomie des différents postes de travail, ainsi que d'améliorer la qualité des gestes des opérateurs. Notre volonté avec ce module nommé « Ergonom.io », est de construire un outil complet qui puisse accompagner de A à Z l’ergonome dans la création ou l’amélioration d'une ligne de production ou d’un poste de travail. Ergonom.io se base sur un projet interne du laboratoire l’ICUBE qui a vu le jour en 2018 et qui portait alors le nom de « VIRWORKS ». Cette boîte à outils de l’ergonome s'appuie sur des simulations ergonomiques de type « travailleur virtuel », avec des interactions en temps réel permettant de modifier directement les différents paramètres du système tel que le positionnement ou la hauteur du poste de travail et de ses composants, l'éclairage, la hauteur de siège etc. Ergonom.io est axé sur trois objectifs principaux : • Étudier et améliorer l'ergonomie du poste de travail et des gestes de l'opérateur • Éviter les Troubles Musculo Squelettiques (TMS) • Améliorer la productivité
Nos expérimentations liées aux développements ont été réalisées dans l’usine école de l'IUT de Haguenau. Ainsi, un jumeau numérique de cette usine a été conçu, et nous développons des interactions simulant celles effectuées dans la réalité. L’ensemble des gestes, des actions, et des déplacements de l’opérateur dans le jumeau numérique sont rendus possibles par l’utilisation d’un casque de réalité virtuelle ou de dispositifs immersifs tel que des équipements de type « CAVE » ou des écrans 3d stéréoscopiques.
Un processus itératif
Notre approche suit un protocole structuré en trois phases :
- La première phase a pour vocation de préparer les données graphiques et recréer tous les acteurs qui se retrouveront dans le monde virtuel. Elle nécessite donc la création d’un jumeau virtuel de l’usine réelle, ainsi qu’un avatar de l’opérateur aux proportions exactes et enfin la capture des mouvements de l’opérateur réalisant son travail.
- La seconde phase se déroule dans l’univers virtuel. Un ergonome est invité à observer, commenter et critiquer les données issues d’une capture de mouvement et qui sont appliquées à l’avatar de l’opérateur dans le jumeau virtuel de l’usine. Des indicateurs graphiques suivant les recommandations admises sont ajoutés à la scène pour l’aider dans cette tâche. L’ergonome peut également agir et modifier interactivement le placement de certains éléments constitutifs du poste de travail afin de les rendre plus adaptés à la nature de la tâche accomplie par l’opérateur. L’opérateur peut participer à cette seconde phase en testant ces modifications dans le même environnement virtuel et en collaboration avec l’ergonome. Un processus itératif s’engage alors, l’ergonome pouvant observer l’effet de ces modifications sur les gestes et postures de l’opérateur en action, et modifier à nouveau, autant de fois que nécessaire la disposition des éléments du poste de travail jusqu’à obtenir un résultat satisfaisant.
- La troisième et dernière phase débute avec la récupération du jumeau virtuel intégrant les modifications validées par l’ergonome. Cette configuration virtuelle améliorée peut être revisitée, discutée et approuvée pour finalement être appliquée sous la forme de modifications réelles dans l’usine.
La numérisation des gestes
L'analyse des gestes est aujourd'hui facilitée par les outils de capture et numérisation des gestes de type combinaison de données. Pour le travailleur virtuel et l’étude de l’ergonomie de son poste de travail, nous avons fait l’acquisition d’une combinaison Perception Neuron de Noitom, qui permet une capture de mouvements sans fil grâce à des modules inertiels adaptables. Cette combinaison nous permet de réaliser la numérisation des gestes d'un opérateur sur un poste réel. Les captures de mouvement nécessite d’équiper l’opérateur avec la combinaison, ne phase de calibration de la combinaison est ensuite nécessaire, faisant suite à une configuration du profil morphologique de l’opérateur dans l’outil “Axis Neuron” (le logiciel de gestion et de configuration des combinaisons de Perception Neuron.
Numérisation des gestes
de l'opérateur sur l'ancienne
et la nouvelle ligne de l'IUT de Haguenau
La restitution des gestes
Les gestes de l'opérateur doivent être restitués dans le contexte de leur poste de travail, il peut être restitué en temps réel. Il est possible de restituer les gestes de plusieurs opérateurs en réalisant des numérisations de manière séquentielle. Le modèle 3D de la ligne ou du poste peut être repris d'un modèle de CAO est adapté au possibilités de restitution en temps réel de la réalité virtuelle. Si le modèle numérique n'est pas disponible, les modèles 3D des postes devront être modélisés, possiblement de manière simplifiée, ou numérisés par photogrammétrie ou à l'aide d'un scanner 3D. Dans nos expérimentations à l'usine école de l'IUT de Haguenau, nos avons expérimenté les deux situations
L'ancienne ligne de l'IUT de Haguenau
Avatars animés sur la nouvelle ligne Bosch de l'IUT de Haguenau
La calibration de la combinaison de données nous permet d'obtenir certaines caractéristiques morphologiques de l'opérateur. Nous avons développé un module de configuration d'avatars qui permet de préciser ces caractéristiques pour que la restitution soit la plus réaliste possible.
Ergonomie des gestes et cotation des postes de travail
Dans Ergonom.io, nos objectifs sont d’améliorer l’ergonomie du poste de travail et l'ergonomie des gestes de l’opérateur, ainsi que la productivité de la ligne de production. La réalité virtuelle permet la mise en œuvre de solutions innovantes et prometteuses pour accomplir ces objectifs. Notre démarche se décompose en trois grandes étapes :
- Capturer les gestes réels de l'opérateur, et les restituer en virtuel pour analyse,
- Étudier, analyser et optimiser l'ergonomie d’un poste de travail en effectuant le travail d'un opérateur en réalité virtuelle,
- S'appuyer sur les connaissances obtenues en virtuel pour améliorer la configuration des postes réels.
La qualification des gestes prend la forme d’indicateurs visuels graphiques, localisés, suivant les recommandations des normes les plus courantes (RULA, NERPA, EAWS...).
Restitution visuelle de la qualité des gestes
Cotation des postes de travail
Du réel au virtuel, du virtuel au réel
Un des objectifs d’Ergonom.io est de permettre un travail collaboratif, en temps réel ou non. Nous proposons ainsi deux modes de fonctionnement :
• L’ergonome et l’opérateur ne peuvent travailler en même temps. Dans ce cas, la capture de l’opérateur est effectuée à partir de la scène configurée par l’ergonome. La capture est alors rejouée plus tard dans l’environnement virtuel pour une visualisation et de nouvelles corrections par l’ergonome. • L’ergonome et l’opérateur peuvent travailler en même temps. Le processus itératif d’amélioration de la configuration du jumeau virtuel est alors direct car l’ergonome peut modifier les paramètres en temps réel, alors même que l’opérateur est en train d’effectuer ses tâches dans le virtuel.
Le nouvel enregistrement permet donc à l’ergonome d’avoir une visualisation des scores et des postures à risque de l’opérateur, et c’est donc ce cycle complet qui permet de manière itérative (en temps réel ou non) l’amélioration de l’ensemble des paramètres ajustables du jumeau virtuel.
L'intérêt de la réalité virtuelle est que tout ce qui est réalisé dans le réel peut être reproduit dans le virtuel. L'interaction dans le virtuel fait appel à des comportements contextuels par exemple si on ne simule les gestes qu'avec un casque de réalité virtuelle et ses contrôleurs.
Interaction contextualisée
La main prend une forme liée à l'objet saisi
La mise en place des postes de travail et leur modification en réalité virtuelle. Modification de l’ergonomie des postes pour rester dans les valeurs d’angle de confort pour chaque partie du corps (adaptation en virtuel à la morphologie de l’opérateur).
Interaction contextualisée
La main prend une forme liée à l'objet saisi
A venir...
Contact
Pour toute information concernant le projet VIRTFac ou nos activités de recherche et de développement dans la domaine de la réalité virtuelle
Thierry Blandet
Équipe Informatique Géométrique et Graphique
Laboratoire ICube
Télécom Physique Strasbourg
Parc d'Innovation, pôle API
300 Boulevard Sébastien Brant
CS 10413
FR-67412 Illkirch cedex
France
Tel : 33 (0)3 68 85 46 09
Courriel : thierry.blandet AT unistra.fr
Bureau : B264
Document réalisé par Thierry Blandet et Quentin Misslin avec l'aide de Octave Blandet