Lebow I-Crankset SRM Couple global au pédalier Mesure Calcul Mesure
II- 3.2 La modélisation du cycliste
Concernant la modélisation retenue pour le cycliste, celle-ci est désormais classique dans les études mécaniques du mouvement. Le corps du cycliste est en effet considéré comme un système plurisegmentaire défini en quinze segments. Chacun de ses segments est considéré indéformable. Ils sont reliés entre eux par des articulations de type rotule (3 degrés de libertés).
Ces segments sont : les pieds, les jambes et les cuisses côtés droit et gauche, le bassin,
le tronc, l’ensemble tête et cou, les bras, les avant-bras, les mains côtés droit et gauche.
Pour délimiter ces segments, nous avons placé des marqueurs cutanés. Le
positionnement des marqueurs suit les recommandations dictées par l’« International Society
of Biomechanics (ISB) » (Wu [2002], Wu [2005]). Un minimum de trois marqueurs par
segment est nécessaire. L’ensemble des marqueurs qui équipent le cycliste est présenté à la
Figure 20 : Localisation des marqueurs cutanés positionnés sur le corps du cycliste.
Dans le cadre de notre étude, les mouvements du haut du corps ne seront analysés
qu’en translation. De ce fait, le placement des marqueurs sur la partie supérieure ne suit pas
de façon spécifique les recommandations ISB. Nous nous sommes toutefois assuré que le nombre et le positionnement des marqueurs utilisée permettait de définir les longueurs segmentaires.
En associant les coordonnées 3D des marqueurs aux tables anthropométriques issues de la littérature et aux équations de régression proposées par Zatsiorsky et reprises par de
Leva (de Leva [1995]), nous calculons les paramètres inertiels, à savoir la masse (mi), le
moment d’inertie (i
I) de chaque segment Si, la position du centre de gravité (Gi). Ainsi,
Segment Nomenclature Marqueurs Localisation
N° Droit N° Gauche
Tête et cou 1 Top.head Sommet du crane
2 R.Temple 3 L.Temple Tempe
Tronc 4 C7 Apophyse épineuse de C7
5 V.Sacral Vertèbre sacrale
6 Sternum Sternum
Bras 7 R.Acromion 9 L.Acromion Acromion
8 R.Elbow 10 L.Elbow Epicondyle latéral
Avant-Bras 11 R.Wrist.Med 13 L.Wrist.Med Processus styloïde de l'ulna
12 R.Wrist.Lat 14 L.Wrist.Lat Processus styloïde du radius
Main 15 RHNraduis 18 LHNradius Tête du premier métacarpien
16 RHNknuckle 19 LHNknuckle Tête du troisième métacarpien
17 RHNulna 20 LHNulna Tête du cinquième métacarpien
Bassin 21 R.EIAS 23 L.EIAS Epine iliaque antéro-postérieure
22 R.EIPS 24 L.EIPS Epine iliaque postéro-supérieure
Cuisse 25 R.Troch 28 L.Troch Grand trochanter
26 R.Knee.Med 29 L.Knee.Med Condyle interne
27 R.Knee.Lat 30 L.Knee.Lat Condyle externe
Jambe 31 R.Shank.Front 34 L.Shank.Front Tubérosité tibiale
32 R.Ankle.Med 35 L.Ankle.Med Malléole interne
33 R.Ankle.Lat 36 L.Ankle.Lat Malléole externe
Pied 37 R.Heel 41 L.Heel Arrière du calcanéum
38 R.Toe.Med 42 L.Toe.Med Tête de premier métatarsien
39 R.Midfoot.Sup 43 L.Midfoot.Sup Tête du troisième métatarsien
40 R.Toe.Lat 44 L.Toe.Lat Tête du cinquième métatarsien
Tableau 17 : Nomenclature et position des marqueurs.
Au bilan :
La cinématique du cycliste est évaluée dans le référentiel R0 et les efforts d’interaction
cycliste/bicyclette sont mesurés dans le référentiel propre à chacun des capteurs, puis projetés
dans R0. A chaque segment Si, est associé un repère Ri anatomique local, défini en fonction
des mouvements de rotations articulaires (abduction/adduction, flexion/extension, rotation interne/ rotation externe) (Wu [1995]).
Figure 21 : Définition des segments et des repères associés.
Chaque repère Ri est localisé à l’articulation distale du segment Si, notée Ai. Le
référentiel R i {Ai ; Xi ; Yi ; Zi} est construit de la manière suivante : Zi désigne l’axe
longitudinal du segment, l’axe Xi est l’axe antéro postérieur et Yi, est l’axe médio-latéral de
manière à ce que (Xi ; Yi ; Zi) forme un trièdre direct, non conforme aux recommandations de
l’ISB (Figure 21). Ce choix assure une cohérence avec l’orientation des référentiels propres
aux capteurs dynamiques. La figure 21 représente les segments, leur nomenclature et leur notation.
L’ensemble des procédures des calculs a été réalisé sous Matlab. Une procédure de
lissage de type Savitzky-Golay (degré du polynôme 3, largeur de fenêtre : 11) a été utilisée, à
chaque étape de dérivation permettant d’accéder aux vitesses et accélérations.
Ainsi, les chaines de mesure cinématique et dynamique donnent accès aux paramètres
d’entrée (Cf. organigramme, Figure 4) suivants :
les paramètres cinématiques segmentaires et inter-segmentaires tels que :
- les positions, vitesses et accélérations des centres de gravité segmentaires par rapport à
O et exprimées dans R0: OGi, ;
- les positions et vitesses des centres articulaires par rapport à O et exprimées dans R0 :
;
- les repères segmentaires pour définir les matrices de rotation exprimant
l’orientation des segments i par rapport à R0 ;
- les vitesses angulaires des segments par rapport à leurs centres de gravité et exprimées
dans R0 : ;
- les vitesses inter-segmentaires : .
les paramètres dynamiques mesurés tels que :
- les forces de contacts entre les capteurs i et les segments j du cycliste exprimées dans
le référentiel k : ;
- les moments d’interaction entre les capteurs k et le segment m du cycliste calculé en i
et exprimé dans Rj : .
II-4 Conclusion
Ce chapitre nous a permis de présenter de manière détaillée les principaux outils utilisés pour conduire ces travaux de thèse. Nous nous sommes plus particulièrement centrés
sur les capteurs de mesures des efforts d’interaction entre le cycliste et la bicyclette sachant
que les mesures cinématiques sont devenues désormais des processus relativement connus
également classiques puisque nous assimilons le système cycliste en un ensemble de segments solides, ce qui convient au regard des problématiques étudiées.
Nous avons souhaité développer de manière approfondie la validation des capteurs de
mesures dynamiques SRM et I-Crankset. Ce choix est motivé tout d’abord, par le fait que la
plupart des études concernant la validation du système SRM, prennent rarement en compte la
démarche classique utilisée en métrologie qui consiste à évaluer l’outil au regard d’un capteur
de référence certifié. En second point, le dispositif I-Crankset, récemment développé et mis
sur le marché n’a pas fait encore l’objet d’études de validation bien que ce système se
positionne, de notre point de vue, comme un outil scientifique dès lors que l’on s’intéresse à
la dynamique du mouvement de pédalage. A l’issue de cette étape de validation, nous
montrons que I-Crankset est un outil pertinent pour mesurer les paramètres globaux au pédalier, couple, vitesse angulaire, puissance. Le capteur SRM reste également un outil performant pour le calcul du couple et de la puissance ; il présente cependant des limites
lorsqu’il y a des modifications brutales de la vitesse angulaire du pédalier. I-Crankset a l’avantage de dissocier les contributions droite/gauche et de permettre le calcul du travail
produit au pédalier, contrairement au SRM.
Par ailleurs l’un des objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés, concerne l’étude de la force produite à la pédale. Pour cela, le développement d’une station de mesure pour évaluer l’ensemble des efforts d’interaction cycliste/bicyclette s’avère indispensable. Malheureusement nous n’avons pu utiliser les capteurs cintre et selle que très tardivement et
initier une première étape dans la validation de cette chaine dynamique à partir d’une
procédure d’optimisation. Ce travail sera poursuivi par le travail actuellement en cours de
Mathieu Ménard.
Au bilan, nous avons accès, par l’intermédiaire des outils de mesure et des modèles biomécaniques associés, à l’ensemble des données d’entrée nécessaire pour étudier la
cinématique et la dynamique du mouvement de pédalage, problématiques scientifiques dont les parties théoriques et expérimentales sont développées, respectivement, aux chapitres III et IV suivants.