Différenciation des efforts produit suivant les côtés gauche et droit
Vicon Acquisition de la cinématique du mouvement de pédalage
Acquisition de la cinématique articulaire
Tableau 8 : Récapitulatif des outils utilisés durant les expérimentations, leur utilité et leur
intérêt pour conduire l’analyse biomécanique du mouvement de pédalage proposée dans ce
mémoire.
II-1.3 La synchronisation des signaux
Les données, acquises par les différents outils, sont donc la cinématique enregistrée par le système Vicon-Nexus et les efforts de contact par le système I-Crankset. Le problème majeur de ce fonctionnement est de pouvoir synchroniser les acquisitions réalisées par deux ordinateurs. Pour pallier cette difficulté, le système Vicon offre la possibilité de pouvoir déclencher son acquisition par un autre système via la fonction « Start on Remote Trigger».
Un câble relie le giganet du système Vicon à une voie analogique de la carte d’acquisition du
système I-Crankset. Le déclenchement de l’acquisition depuis le logiciel I-Crankset envoie un
front descendant au système Vicon qui démarre alors automatiquement son acquisition.
Malgré ce procédé, un décalage temporel (Δt), de l’ordre de 15 ms peut subsister. Nous nous
sommes donc servis du système I-Crankset pour recaler la synchronisation. En effet, I- Crankset génère et enregistre un signal périodique connu en créneaux également envoyé sur la carte analogique du système Vicon. Aussi, lors du traitement des données, la procédure pour recaler ces signaux (Figure 9) consiste à :
- détecter l’échantillon du premier front montant sur le signal analogique généré par le
- détecter l’image correspondant au premier front montant enregistrée par la carte
d’acquisition analogique du système Vicon (t0 Vicon) ;
- la différence entre t0 Vicon et t0 Sensixrenseigne du nombre d’échantillons à supprimer
au début de l’enregistrement de système I-Crankset.
Figure 9 : Représentation des signaux de déclenchement et de synchronisation.
II-2 La validation des capteurs pédales I-Crankset
Nous venons de présenter les principaux outils employés pour conduire ce travail de thèse. Parmi ceux-ci, un dispositif de capteurs pédales, relativement nouveau mis au point par
la société SENSIX créée par deux anciens doctorants de l’équipe, a été utilisé. Si les données
et caractéristiques fournies par le constructeur de ces capteurs respectent parfaitement le
cahier des charges de l’appel d’offre, il est nécessaire de comparer et de valider, au sens
métrologique du terme et dans un contexte expérimental, cet outil commercialisé sous le nom
d’I-Crankset. Pour cela, nous avons établi un protocole spécifique afin de mesurer simultanément le couple créé au pédalier par trois dispositifs différents lors d’un exercice de
pédalage. Ces trois systèmes sont :
les capteurs de pédales I-Crankset et le logiciel de traitement associé ;
un capteur SRM déjà présenté dans le chapitre I à travers les différentes études qui ont cherché à comparer les données issues du SRM avec celles d’autres
capteurs ; bien que ces études (Gardner [2004], Abbiss [2009]) aient conduit à
une validation du système SRM nous avons choisi d’introduire dans la chaine
de mesure un capteur de couple, dont la validation a été établie. Ce qui complète le dispositif expérimental par :
un capteur de mesure de couple type LEBOW (référence 1257). Il s’agit d’un
capteur de couple analogique de la société Eaton (Eaton Corporation, Troy Michigan, USA). Il est étalonné pour mesurer un couple maximal de 225 Nm.
Le banc d’étalonnage utilisé par Gardner et Abbiss ne permettait pas de faire pédaler
un cycliste, le capteur de couple de référence étant directement monté sur un arbre passant par
l’axe du pédalier et commandé par un moteur. Ils n’en avaient pas nécessairement besoin dans
la mesure où les systèmes testés mesuraient la puissance sans avoir besoin de mesurer les
efforts aux pédales, ce qui n’est pas notre cas. Nous avons donc mis au point un banc spécifique pour mesurer simultanément le couple développé au pédalier à l’aide du SRM, du
capteur de couple de référence et des capteurs de pédales I-Crankset, le tout, mis en mouvement par un cycliste.
A l’issue de cette expérimentation, nous proposons de comparer les couples obtenus
par les trois systèmes et ainsi valider les capteurs SRM et I-Crankset par rapport au capteur de référence LEBOW. Puis dans un second temps, nous comparerons les vitesses angulaires des manivelles et les puissances issues de calculs spécifiques aux dispositifs SRM et I-Crankset. Enfin, nous élargirons la discussion en comparant le travail mécanique externe calculés à partir des données issues des deux outils de mesure.
II-2.1 La méthode
Dans le cadre de cette expérimentation, un seul sujet a réalisé les différentes conditions du protocole puisque le but est ici de valider une chaine de mesure. La validation de cette dernière est indépendante du sujet, de son niveau de pratique et de sa technique. Avant la réalisation des tests, le cycliste a été informé verbalement de la nature et des
a. Matériel
L’ergocycle utilisé est le home-trainer SRM-Indoor Basic. Il s’agit d’un vélo simulant
les conditions de pratique du cycliste préalablement réglé par le sujet. Cet ergocycle est équipé du système SRM au pédalier et de pédales instrumentées I-Crankset. Lors de cette
expérimentation, l’ergocycle était relié à un banc d’essai (Figure 10).
Figure 10 : Photographie du montage complet de l’ergocycle équipé du pédalier capteur SRM, des pédales instrumentées I-Crankset ; Cet ensemble sollicite le capteur de référence
Lebow par l’intermédiaire d’une chaine.
Figure 11 : Photographie du banc d’essai avec les différents éléments qui le composent. (A)
plateau de jonction entre l’ergocycle et le banc d’essai, (B) le capteur de couple Lebow, (C)
plateau de jonction entre l’axe du banc d’essai et la roue d’inertie, (D) la roue d’inertie et (E)
Ce dernier est composé du plusieurs éléments (Figure 11). Le plateau (A) permet de relier
l’ergocycle au banc par l’intermédiaire d’une chaine ; l’axe (B) sur lequel est installé le capteur de référence LEBOW (C), et enfin une roue d’inertie (D) utilisée pour définir la charge résistive par l’intermédiaire d’un dispositif mécanique de freinage (E) composé d’un
plateau avant sur lequel sont déposées des masses additionnelles. C’est pour vaincre cette
résistance que le cycliste doit pédaler et donc créer un couple.
b. Protocole
Le cycliste ajuste l’ergocycle à ces propres réglages ; il adapte ainsi la hauteur de la
selle et du guidon, le recul de la selle et l’écart entre le guidon et la selle.
Le protocole de validation mis en place consiste à réaliser plusieurs paliers d’une
durée de 30 cycles de pédalage. Le cycliste suit les consignes de puissance mécanique externe et de cadence sur le « Power Control » du SRM.
Trois conditions de tests ont été retenues de manière à solliciter les capteurs selon différents protocoles, à savoir :
- Condition 1 : cadence (80 rpm) et charge résistive (210W soit 26 Nm) fixes ;
- Condition 2 : cadence (80 rpm) fixe mais une charge résistive qui augmente au cours
de l’essai passant de 150 W (18 Nm) à 250 W (30 Nm) pour les cycles retenus ;
- Enfin, la Condition 3 : charge résistive (42 Nm) fixe mais une cadence de pédalage qui augmente passant de 56 rpm à 90 rpm sur les cycles retenus (soit de 250 à 400 W).
c. Acquisition des données
Le système SRM fournit, suite à l’exportation des données acquises via l’interface
« Torques Analysis », des valeurs d’angle et de fréquence pour chaque cycle. Cette fréquence
est convertie pour obtenir un couple à chaque acquisition. Un capteur disposé sur le cadre identifie chaque tour de manivelle pour calculer une vitesse moyenne par cycle. La fréquence
d’acquisition est de 200 Hz.
Le système I-Crankset calcule le couple et la puissance produits au pédalier (Annexe A) à partir du torseur des actions externes mesurées sur chaque pédale et des variations
angulaires de pédales et des manivelles. La fréquence d’acquisition de ce système est de 200
Hz.
Le signal du capteur de référence Lebow est exprimé en sortie en Volt. Une
conversion égal à 6.8 Nm/V (régression linéaire, R²=1). Ce signal est enregistré également à 200 Hz.
Avec le signal du capteur Lebow, nous enregistrons un signal de synchronisation émis
par le système d’acquisition des pédales I-Crankset afin de synchroniser tous les dispositifs de mesure. La synchronisation avec le SRM a été obtenue en identifiant au cours de l’essai, un
cycle de pédalage reconnaissable. Ainsi nous avons demandé au cycliste de réaliser un « cycle
fort », c’est-à-dire plus rapide et entraînant un couple plus important.
Nous avons fait le choix d’exploiter les données sur 30 cycles de pédalage pour
chaque palier. L’ensemble des cycles de la période enregistrée a été normalisé et interpolé.
Le tableau 9 rappelle la provenance des données analysées en fonction du capteur utilisé. La distinction est faite entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées.
Lebow I-Crankset SRM