Choix d'un modèle : hypothèses simplicatrices

2.3.5.1 Contexte général

Les raisons pour lesquelles il est intéressant de visualiser et modéliser l'activité humaine dans un environne- ment peuvent être très diverses. Les modèles et fonctionnalités associées le sont également. Une représentation simpliée du corps humain est couramment proposée dans le cadre de l'animation 3D [Ménardais S. 03] : l'être humain est alors modélisé par un ensemble de couches successives qui sont généralement regroupées en trois ensembles que sont le squelette, les muscles et la peau, ceci an de dénir une enveloppe corporelle.

Les muscles sont des organes contractiles, disposés autour des pièces squelettiques qu'ils sont destinés à mouvoir. Constitués de bres élastiques, le corps humain compte quelques 600 muscles [Gray H. 04]. En se contractant et se décontractant, ils permettent au corps de s'animer et de se déplacer, ainsi que de se tenir ou se maintenir en position. Delp a proposé une représentation musculo-squelettique relativement complète du corps humain intégrant un grand nombre de muscles [Delp S. L. 95]. Cette représentation a été reprise plus

Fig. 2.19  Position des centres de gravité [Cor 88]

récemment en robotique [Nakamura Y. 05]. Cependant, ce type de représentation pose un grand nombre de problèmes puisque la localisation des insertions musculaires joue un rôle signicatif dans le calcul des forces mises en jeu.

Bien qu'il existe de nombreux modèles de muscles, qu'ils soient géométriques [Scheepers F. 97] [Zuo L. 03] [Wilhelms J. 97b] [Wilhelms J. 97a] [Thalmann D. 96] ou physiques [Aubel A. 00] [Aubel A. 01a] [Aubel A. 01b] [Zhu Q.H. 99] [Nedel L. 98] [Nedel L.P. 98] [Lemos R. 01] [Gourret J.P. 89] [Magnenat Thalmann N. 95] [Teran J. 03], et comme nous ne nous intéressons pas dans ce travail à un rendu réaliste de l'enveloppe extérieure de l'opéra- teur, ces travaux ne sont pas développés ici (le mannequin retenu permet de décrire le mouvement apparent et ne représente pas la complexité de la structure musculo-squelettique). Notre démarche est centrée sur la géné- ration de mouvements pour une structure cinématique qui reproduit les mouvements possibles pour l'humain. Le niveau de modélisation et les hypothèses retenues sont présentés dans le paragraphe suivant.

2.3.5.2 Choix d'un modèle articulaire

Le choix d'un modèle est conditionné principalement par :  la nature des entrées et des sorties,

 les informations disponibles sur la relation entrées-sorties et le modèle interne.

Notre étude tend à déterminer les valeurs articulaires  les postures  par lesquelles passe l'opérateur humain pendant la séquence décrivant la tâche. Ces valeurs articulaires permettent ensuite de valider l'appartenance à des ensembles de postures respectivement acceptables, non recommandées ou dangereuses. Nous devons donc utiliser un modèle basé sur le même niveau de représentation (et surtout avec le même schéma articulaire) dans lequel on peut isoler la valeur d'un DDL cartographié par l'INRS par exemple. Cette cartographie fait abstraction du niveau "actionneur"  musculaire ou squelettique  pour se focaliser sur le mouvement visible tel qu'il est décrit aux paragraphes précédents. Nous proposons donc un modèle articulaire permettant de (re)produire ces

mouvements. Le squelette humain peut être représenté par un assemblage de solides rigides articulés où les os, qui sont représentés par des segments, sont reliés entre eux par des articulations. Le grand nombre de segments (206 os au total [Gray H. 04]), donne lieu à un système complexe. Selon le but recherché et les moyens employés, on doit toujours se demander s'il est pertinent de conserver un modèle complet ou s'il vaut mieux le simplier. Au delà de l'utilisation de corps rigides et de liaisons idéales pour représenter respectivement les segments et les articulations, deux types de simplications sont principalement utilisées :

1. la transformations de chaînes complexes ou fermées dotées d'une cinématique complexe en chaînes simples ouvertes qui produisent le même mouvement apparent. Ainsi, une liaison articulaire représente le centre de rotation entre deux os. Étant donné la complexité de certaines parties du squelette humain, la zone de contact entre deux os ne permet pas d'avoir un unique centre de rotation lors du mouvement : par exemple, la surface articulaire de la tête humérale (os du bras faisant la liaison entre l'épaule et le coude) est une sphère non régulière, ce qui induit des rotations non parfaites. Ainsi, le centre de courbure d'une surface articulaire ne coïncide pas obligatoirement avec le centre de rotation de l'articulation car, outre la forme de la surface de l'articulation, interviennent également le jeu mécanique de l'articulation, la tension des ligaments et la contraction des muscles. Il est commun [Maurel W. 00] [Kapandji A. I. 05] d'eectuer des simplications sur les articulations en utilisant des liaisons rotoïdes idéales an de pouvoir représenter les mouvements du corps humain énumérés ci-dessus et c'est la solution que nous avons retenue. Cependant, dans d'autres perspectives, certains auteurs proposent des représentations les plus dèles possibles de certaines parties du corps comme par exemple l'épaule avec un modèle à 5 DDL [Ng-Thow-Hing V. 03] ou un modèle incluant une boucle fermée scapulo-thoracique [Maurel W. 00] ; ou encore la colonne vertébrale [Furukawa D. 01], composée de 24 vertèbres (7 cervicales, 12 dorsales, 5 lombaires plus le sacrum et le coccyx).

2. le regroupement d'articulations qui répètent la même structure cinématique en une articulation équivalente. A titre d'exemple, la mobilité du buste nécessite de faire un choix relatif au nombre d'articulations. Principalement, ces articulations peuvent être vues de deux manières :

 la première qui consiste à étudier simplement les valeurs articulaires associées à chaque vertèbre,  la seconde qui consiste à additionner l'action des diérentes vertèbres pour reconstruire uniquement

la situation des corps qui supportent les membres supérieurs et la tête. On ne s'intéresse pas alors à la représentation interne de la colonne vertébrale mais à la donnée de sortie qui consiste à amener en position (et éventuellement en orientation) la première vertèbre dorsale pour pouvoir ensuite faire bouger la tête grâce aux cervicales.

Les diérentes vertèbres peuvent être vues comme l'empilement de rotules idéales. Le mouvement résultant est donc celui d'une rotule dans le second point de vue. L'intérêt qu'il y a à modéliser l'ensemble de ces vertèbres n'existe véritablement que dans les cas pour lesquels :

 on veut reproduire dèlement une posture acquise,

 on dispose d'un modèle qui permet de prédire comment ces rotules vont combiner leur action dans un mouvement donné [Monheit G. 91].

Dans le cadre de la génération automatique de mouvement, seul le second cas nous concerne directement. Étant donné le peu de résultats disponibles, et surtout dans la mesure où les cartographies de modèles articulaires (INRS en particulier) ne distinguent pas l'action individuelle de ces vertèbres, nous avons opté

Fig. 2.20  Mannequin complet composé de 19 corps et 37 articulations

pour un modèle de commande qui pilote uniquement les membres supérieurs. En eet, dans notre cas, les mouvements du buste servent simplement à amener les bras et la tête en position.

En résumé, modéliser par un grand nombre vertèbres la colonne vertébrale n'est pas tellement plus com- pliqué que de représenter celle-ci par une ou deux rotules. Par contre, la commande pertinente de ces diérentes articulations  qui constituent un système très redondant  ne semble pas possible compte tenu des résultats de la littérature.