ANNEXE 6 : Marche et course humaine
A6.1 Définition de la biomécanique
L’approche biomécanique pour l’étude de la marche et de la course humaine s’est imposée dès la fin du XIXème siècle, dans le sillage des travaux de E.J. Marey (1830-1904). Au-delà de la simple observation, ce scientifique développa toute une palette de moyens expérimentaux pour réaliser une étude physiologique sur les mécanismes du mouvement. Toutes les figures et tableaux sont extraits du livre de Viel [VIEL 1999].
La biomécanique est une science interdisciplinaire qui combine la pensée mécanique et les approximations qui en découlent, avec l’étude du vivant, la physiologie. La biomécanique se base sur l’analyse cinématique et/ou dynamique de mouvements complexes. Au cours des 30 dernières années, une multitude de données expérimentales ont été acquises, traitées et ont permis de modéliser le mouvement de la marche. Ce type d’étude trouve son utilité dans le domaine du sport ou de la rééducation.
A6.2 La marche humaine
La locomotion, tâche volontaire, peut se définir comme une translation de l’ensemble du corps dans le sens de déplacement. Ce processus est périodique et un cycle peut se décomposer en différentes phases (figure A6.1).
Figure A6.1 : Les divisions du cycle de la marche
Par convention internationale, le cycle standard de marche décrit par le membre inférieur droit est composé :
- d’une phase d’appui qui se divise en trois sous-phase et occupe 60% du cycle total
o double appui
o appui unipode
o double appui
Annexe 6 : Marche et course humaine
Le membre inférieur gauche décrit le même cycle mais décalé de 50% dans le temps. Le double appui constitue un caractère fondamental de la marche des bipèdes, et distingue le processus de marche de celui de la course.
Cette description du cycle de marche est complétée par une série de paramètres caractéristiques : - la durée du pas simple (« step period ») ne représente en fait que la demi période du
mouvement soit la moitié d’une foulée (figure A6.1)
- la longueur du pas (« stride length ») est la distance qui sépare un point donné du même pied entre deux appuis successifs de ce pied
- la cadence est le nombre de pas par minute
- la vitesse moyenne de progression (m.s-1) est le produit de la cadence par la longueur du pas
La cadence varie en fonction de l’âge et de l’ossature du sujet. Cependant, pour un cycle de marche les durées des phases d’appui et d’oscillation sont assez stables. Toutefois, si la cadence augmente (marche rapide), la durée de la phase d’appui et de la phase d’oscillation diminuent mais avec une phase d’appui plus courte que la phase d’oscillation. A l’inverse, si le sujet porte du poids, c’est la phase d’oscillation qui est bien plus courte que la phase d’appui.
Le tableau A5.1 récapitule les valeurs standard pour les paramètres énumérés ci-dessus et pour une marche chez des sujets mâles adultes.
Unité Min Moy Max
Durée du pas simple s 0,5 0,7 1
Longueur du pas m 1,17 1,32 1,42
Cadence pas/min 60 80 120
Vitesse moyenne de
progression m/s 1 1,25 2,4
Tableau A6.1 : Valeurs standards des paramètres caractéristiques de la marche
Les valeurs minimales du tableau A6.1 correspondent à une marche à allure lente, et les valeurs maximales du tableau A6.1 à une marche à vive allure à la limite de la course. Il est à noter que pour une femme, un enfant ou une personne âgée les valeurs du tableau 3.1 varient.
Au vu du tableau A6.1, un homme adulte effectue en moyenne 80 pas par minute avec une vitesse de progression de 1,25m.s-1.
A ces valeurs quantitatives descriptives de la marche humaine, la biomécanique introduit une étude cinématique. La première caractéristique d’un cycle de marche est donnée par le patron cinématique (figure A6.2).
Annexe 6 : Marche et course humaine
Figure A6.2 : Patron cinématique de la marche
La patron cinématique n’est autre que le suivi du mouvement de chaque membre au cours du temps, riche d’enseignement sur la trajectoire de ces membres.
En effet, le membre inférieur est généralement modélisé par trois chaînons (segment auquel est associé un centre de gravité) : cuisse, mollet, pied. Les degrés de libertés entre chacun de ces chaînons peuvent être déterminés : une rotation au niveau de la hanche, une rotation au niveau de la rotule et une rotation au niveau de la cheville. Le mouvement de la jambe est donc caractérisé par les variations de trois angles, jointure entre les trois chaînons qui composent cette jambe. La figure A6.3 représente les variations d’angle de la « rotule » au cours d’un cycle de marche
Figure A6.3 : Cinématique articulaire du genou lors de la marche
A partir de la connaissance de ces variations (mesures expérimentales), le mouvement du genou peut être déterminé. Sur la figure A6.3, l’angle au niveau du genou varie entre 5° et 60° au cours d’un cycle. Ces informations sont précieuses pour caractériser cinématiquement un cycle de marche et peuvent être utile pour des applications de rééducation d’un patient ou d’amélioration des performances d’un sportif ou pour le biomimétisme (ex : robot marcheur).
Jusqu’à présent, le cycle de la marche a été étudié dans son ensemble : mouvement de trois chaînons. Mais, il est aussi possible d’étudier l’action de certains muscles au cours du processus de la marche. Cette analyse permet de déterminer l’action globale du système musculaire.
En effet, l’activité électromyographique (muscle excité) permet de déterminer quel muscle joue un rôle dans le processus de locomotion et à quel moment dans le cycle de marche. Toutefois, un muscle peut jouer sur plusieurs degrés de liberté en même temps, accélérer ou freiner le mouvement. Ainsi, le moment musculaire net agissant sur une articulation permet de déterminer si la combinaison des actions des muscles et tendons au niveau d’une articulation freine ou accélère le mouvement. Ce qui permet de déterminer si l’articulation est en extension (moteur) ou en flexion (frein) (figure A6.4).
α
α
Annexe 6 : Marche et course humaine
Figure A6.4 : Moment musculaire net lors d’un cycle de marche pour A (hanche) B (genou) C (cheville)
A partir des figures A6.3 et A6.4, on peut déterminer le sens des transferts d’énergie entre les muscles soit si le muscle est moteur ou résistant.
Enfin, le coût énergétique de la marche est déterminé par la consommation d’oxygène du sujet (∆VO2)
qui mesure l’énergie métabolique dépensée par l’organisme au cours de l’exercice (figure A6.5).
Figure A6.5 : Dépense calorique lors de la marche
Le cout énergétique de la marche augmente avec la vitesse de marche : plus le sujet marche vite et plus il doit fournir de l’énergie pour cette activité.
Ainsi, si nous ajoutons une structure lourde et rigide au niveau du genou du sujet, ce dernier devra fournir un effort supplémentaire pour réaliser un cycle de marche : le coût énergétique augmente. Dans ce cas, la structure n’est plus une structure récupératrice opportuniste puisque de l’énergie est créée en plus pour cette application. Il faut donc que la consommation d’oxygène reste stable pour que notre structure récupère de l’énergie de façon opportuniste.
A6.3 La course
Comme la marche, la course est aussi un processus cyclique pouvant être représenté en phase (figure A6.6).
Annexe 6 : Marche et course humaine
Figure A6.6 : Phase de la course humaine
Contrairement à la marche humaine, il y a pas de phase de double appui mais une phase de suspension durant laquelle aucun des deux pieds du sujet n’est en contact avec le sol. Les mêmes paramètres que pour la marche caractérisent la course. Le tableau A6.2 relate les valeurs standard de ces données pour des sujets mâles adultes.
Unité Min Moy Max
Durée du pas simple s 0,45 0,5 0,7
Longueur du pas m 1,46 4,6 7,4
Cadence pas/min 90 120 140 Vitesse moyenne de
progression m/s 2,2 6,9 11,1
Tableau A6. 2 : Valeurs standard pour la course
Un homme adulte effectue en moyenne 120 pas par minute à une cadence de 6,9m.s-1, lors du processus de course. Les valeurs pour unecourse à allure restreinte s’entrecroisent avec les valeurs pour une marche rapide mais ces deux processus restent distincts.
Comme pour la marche, le cycle cinématique musculaire de la course peut être observé. L’angle α au niveau du genou alors varie entre 5° et 120°.
A6.4 Conclusion
L’étude de la marche et de la course humaine nous a fourni toutes les informations nécessaires à la caractérisation des sources mécaniques potentielles au niveau du genou : variations d’angle au cours d’un cycle et fréquence de ces cycles. Ces informations sont primordiales pour la localisation et le dimensionnement d’une application de récupération d’énergie mécanique au niveau du genou.