CHAPITRE 1 - SIMULATION DES MOUVEMENTS HUMAINS
3. SIMULATION DES MOUVEMENTS HUMAINS
3.4. CONCLUSION
La simulation du mouvement humain consiste à générer numériquement le mouvement que ferait l’être humain dans les mêmes conditions. Elle demande d’« animer » le modèle squelettique de l’homme à l’aide de l’évolution des angles articulaires.
Une première étape nécessaire demande une bonne connaissance de l’organisation de ce mouvement et donc des angles articulaires. Pour calculer ces angles, le biomécanicien semble privilégier le calcul des rotations élémentaires autour d'axes mobiles. Cette technique permet de définir le déplacement relatif entre deux solides ou segments distincts. À ce sujet, les instances officielles (ISB et ISG) ont pour leur part bien défini la séquence de rotation pour chaque segment corporel permettant d’éviter le problème de « Gimbal Lock ». L’analyse de ces données à l’aide de méthodes statistiques, telles que l’AFCM, permet d’identifier les variables qui justifient au mieux le mouvement. La classification hiérarchique ascendante permet alors de pointer des stratégies dans le mouvement.
Une deuxième étape consiste alors à rechercher les angles articulaires pour d’autres conditions (ex. différentes tailles du sujet). Deux approches sont présentées : le calcul du mouvement à l'aide d'une connaissance a priori du mouvement et le calcul du mouvement à partir de mouvements.
Le calcul du mouvement à l'aide d'une connaissance a priori du mouvement rassemble l'interpolation entre images clés et la cinématique inverse. La cinématique inverse détermine les angles articulaires permettant de suivre la trajectoire et l’orientation spatiale de l’effecteur. Ces dernières données sont donc à estimer pour simuler le mouvement humain. La résolution de ce problème peut être menée de manière analytique ou numérique. Parmi les méthodes numériques présentées pour résoudre ce problème, l’optimisation non linéaire a l’avantage d’éviter l’inversion et la transposée de la jacobienne. L’ajout de contraintes sous forme d’inégalités, prenant en compte des aspects physiologiques, est par ailleurs facile. Cependant, la détermination de l’optimum global n’est toujours pas assurée.
Le calcul du mouvement à partir de mouvements peut être réalisé par composition de mouvements et par modification d’un mouvement de référence. La composition de mouvements référence peut être réalisée par interpolation ou par régression fonctionnelle. Ces méthodes semblent jusqu’à présent avoir été utilisée pour les mouvements de marche et de pointage. La modification de mouvements consiste à extraire un mouvement de la base de mouvements et à le modifier. Il ne peut être modifié que si un mouvement proche est dans la base de mouvements, ce qui impose la construction d’une base conséquente de mouvements.
Chapitre 1 - Simulation des mouvements humains
- 48 - 4. CONCLUSION
La modélisation cinématique de l'homme constitue une première étape à franchir pour simuler le mouvement humain. Sa simulation consiste alors à générer numériquement le mouvement que l’être humain ferait dans les mêmes conditions. Elle demande donc d’« animer » le modèle squelettique de l'homme à partir de données connues, calculées ou prédites (les angles articulaires). L’objet de ce chapitre a été de présenter une revue de littérature concernant la modélisation cinématique de l’homme et les principales approches permettant de prédire les angles articulaires permettant son animation sous différentes conditions.
Les points essentiels et utiles à notre travail sont résumés ci-dessous.
La modélisation cinématique de l'homme a été présentée dans la première partie. La présentation des différents modèles en biomécanique a montré que le modèle squelettique était le mieux adapté à notre application. Sa structure sous forme tridimensionnelle représente l’homme dans les 3 plans anatomiques. La convention de Denavit et Hartenberg (1955) est alors introduite pour décrire les chaînes cinématiques ouvertes. Dans l’approche multi-corps rigides, le tronc peut alors être supposé en première approximation rigide. Le membre supérieur et le membre inférieur sont généralement modélisés par 7 degrés de liberté en rotation. Les longueurs segmentaires sont déterminées comme étant la distance entre les centres articulaires. La méthode du « sphere fitting » semble la méthode à retenir pour estimer le centre articulaire de la hanche et de l'articulation gléno-humérale (l’articulation principale de l’épaule). Pour renseigner ces données, le biomécanicien a recours à l'expérimentation. Celle-ci peut être réalisée avantageusement à l'aide de systèmes optoélectroniques de type Vicon. Néanmoins, l'utilisation de tels outils conduit à des erreurs instrumentales et expérimentales qu'il est nécessaire de minimiser.
La détermination des angles articulaires permettant l’animation du modèle squelettique, sous différentes conditions, a fait apparaître la nécessité dans une première étape de mieux connaître le mouvement à simuler. La communauté des biomécaniciens semble privilégier le calcul des rotations élémentaires autour d'axes mobiles pour déterminer les angles articulaires. L’AFCM (Analyse Factorielle en Composante Multiple) permet alors d’identifier les variables qui justifient au mieux le mouvement. Les stratégies dans le mouvement peuvent être mises en évidence à l’aide de la CHA (Classification Hiérarchique Ascendante). Deux approches sont présentées pour estimer les angles articulaires : le calcul du mouvement à l’aide d’une connaissance a priori du mouvement et le calcul du mouvement à partir de mouvements. Le calcul du mouvement à l’aide d’une connaissance a priori du mouvement rassemble l’interpolation entre images clés et la cinématique inverse. La cinématique inverse peut être résolue numériquement en transformant le problème en un problème d’optimisation non linéaire. Cette formulation a l’avantage d’éviter l’inversion et la transposée de la jacobienne. L’ajout de contraintes sous forme d’inégalités, prenant en compte
des aspects physiologiques, est par ailleurs facilité. La détermination de l’optimum global n’est cependant pas toujours assurée. Le calcul du mouvement à partir de mouvements peut être réalisé par composition de mouvements et par modification d’un mouvement de référence. Il semble que ces méthodes ne sont actuellement pas validés pour des mouvements autres que la marche et le pointage. Elles demandent par ailleurs pour la plupart la construction d’une grande base de mouvements.
Au regard de cette conclusion, le chapitre suivant introduit notre proposition pour simuler le mouvement d'entrée dans un véhicule automobile.