Les travaux réalisés au cours de cette thèse ouvrent de nombreuses perspectives. Tout d’abord, une grande quantité de données a été collectée. Des données de capture de mouvement de loco-motion de marche, course, changement de direction et port de charge ont été collectées sur 43 sujets. Chaque sujet a participé à des mesures sur ergomètre isocinétique. Ces données repré-sentent un potentiel encore inexploité pour alimenter le cahier des charges et les spécifications nécessaires à l’assistance des exosquelettes.
L’identification de trois modèles génériques représentatifs du soldat de l’armée française ouvrent des perspectives intéressantes pour la conception et le dimensionnement d’exosquelettes. Telle que la méthode a été conçue, elle propose trois modèles génériques qui pourraient mener à une conception architecturale et un dimensionnement géométrique d’exosquelettes adaptés à ces morphologies. Grâce aux données collectées dans le cadre de cette thèse, on pourrait tout à fait envisager de compléter les modèles cinématiques par des propriétés inertielles et des capaci-tés de génération d’efforts calculées par rapport à des prédicteurs anthropométriques (D’Souza et al., 2012). Ce type d’approche avec des gammes de modèles représentatifs d’une population peut tout à fait se compléter avec une approche par synthèse de mouvement. La synthèse de mouvement pourrait être réalisée à l’aide de modèles statistiques du mouvement (Rasmussen, 2019; Moissenet et al., 2019) ou d’approches par contrôle optimal (Dembia et al., 2019). Cette perspective est tout à fait envisageable et pertinente dans le cadre de la conception des exosque-lettes de locomotion (Serrancoli et al., 2019).
Par ailleurs, l’établissement de règles de régression génériques pour prédire des dimensions an-thropométriques à partir de 6 mesures est très prometteur pour la mise à l’échelle performante des modèles musculo-squelettiques appliquées aux soldats mais aussi aux autres populations. L’établissement de lois de régression basées sur des algorithmes de machine learning et de larges bases de données ouvre la voie pour la mise à l’échelle des modèles musculo-squelettiques à partir d’un nombre réduit de prédicteurs anthropométriques permettant d’estimer la géométrie (Davico et al., 2019), les inerties, les paramètres musculaires (Yeung et al., 2019) et les
enve-loppes couple-angle-vitesse sans avoir recours à des mesures par imagerie médicale.
La méthode de calibration musculaire présentée au chapitre 7, a uniquement utilisé des essais isométriques, la relation force-vitesse du modèle musculaire n’est donc pas prise en compte dans cette première étude. Un algorithme en plusieurs étapes a permis d’identifier les forces isométriques maximales et les longueurs des muscles permettant de minimiser l’écart entre les couples expérimentaux et simulés. Ce travail préliminaire a contribué à améliorer la méthode présentée par Muller et al. (2017b) en ajoutant plusieurs articulations lors de l’optimisation des paramètres. D’autres objectifs doivent être complétés par la suite, à savoir la prise en compte des relations force-vitesse et la validation des activations musculaires calculées lors d’une tâche de mouvement à l’aide des données récoltées dans le cadre de cette thèse. Les données électro-myographiques des campagnes de mesures offrent la possibilité de vérifier la pertinence de la calibration pour prédire les activités musculaires sur un nombre important de sujets.
En vue du support de l’activité physique du soldat, un sujet de stage a été conduit sur l’optimi-sation des spécifications pour les exosquelettes d’assistance à locomotion militaire par Clément Trotobas. Une partie du stage consistait à mettre en relation les enveloppes couple-angle-vitesse avec les couples calculés par dynamique inverse issus de tâche de marche avec port de charge, voir figure 8.2.1. Cette mise en relation permet d’évaluer le niveau d’effort articulaire produit par le sujet par rapport à son maximum théorique. Dans le cadre de la poursuite de ces travaux de thèse, cette analyse préliminaire est pertinente pour définir le niveau d’assistance et le di-mensionnement des actionneurs d’un exosquelette de locomotion et pour prévenir l’apparition de fatigue. Cette analyse est donc une piste intéressante pour la poursuite de ces travaux.
FIGURE8.2.1 – Enveloppes couple-angle-vitesse maximales et couples issus de la dynamique
inverse pour un sujet lors de tâches de port de charge avec 10 kg. Les trois figures sont asso-ciées aux articulations de la cheville (A), du genou (B) et de la hanche (C). Les surfaces jaunes et bleues correspondent respectivement à la flexion et l’extension. Les points rouges et bleus correspondent respectivement à des phases d’efforts concentriques et excentriques.
Enfin, les travaux de cette thèse ont été menés et implémentés dans la librairie de calcul Cus-ToM (Muller et al., 2019b). Cette librairie a fait l’objet d’une publication dans le Journal of
Open Source Software. La librairie a été maintenue et continue d’être alimentée par le travail de l’équipe MimeTic. Les travaux de mises à l’échelle (géométrique et musculaire), de modélisa-tion générique et d’identificamodélisa-tion des enveloppes couple-angle-vitesse pourront y être intégrés afin d’en faire profiter la communauté de la biomécanique.
A
Anatomie & Physiologie du muscle
A.1 Fonctions musculaires
Il existe trois types de muscles dans le corps humain. Les muscles lisses, aussi appelés muscles végétatifs, forment des couches musculaires de sein de certains organes tels que les poumons, les intestins ou les artères. Leur lente contraction est involontaire et contrôlée par le système ner-veux parasympathique. Ils permettent l’écoulement de différents flux (air, sang, nourriture...). Le muscle cardiaque est le muscle du cœur. Il pompe le sang du corps humain à un rythme contrôlé par le système nerveux autonome, pour le conduire dans tout le système vasculaire. Enfin, les muscles striés squelettiques sont contrôlés volontairement par le système nerveux somatique. Jusqu’au nombre de 620 dans le corps humain, ils s’insèrent sur le squelette directement sur l’os ou indirectement via les tendons. Ils servent directement à la locomotion de corps humain (Windhorst and Mommaerts, 1996). Dans le cadre de cette thèse, on s’intéressera principalement au muscle squelettique responsable de l’actionnement du corps humain.
Les muscles ont deux fonctions principales. Premièrement, ils produisent de la force pour dé-clencher un mouvement ou résister au mouvement. Deuxièmement, les muscles produisent de la chaleur grâce à leur activité de génération de force. Ils participent ainsi à la thermorégulation. La capacité de génération d’effort des muscles dépend de sa forme au niveau macrosopique.
Différentes formes de muscles squelettiques sont présentes dans le corps humain. On y trouve principalement des muscles dont les fibres sont parallèles à l’axe du muscle qui génère sa force. Ces muscles ont un nombre important de fibre en série et permettent une importante réduction de sa longueur lors d’une contraction. Parmi les muscles à fibre parallèles, on distingue trois formes de muscles. Les muscles fins (dits "strap") sont souvent très longs avec de petits ten-dons comme le sartorius. Les muscles fusiformes sont aussi de forme allongée, ils possèdent des ventres volumineux et des tendons proéminents aux deux extrémités du muscle. Enfin, les muscles convergents (ou triangulaires) s’insèrent sur un tendon commun et s’étalent sur une vaste zone à l’autre extrémité. Ils sont connus pour leur versatilité de contraction selon les fibres recrutées lors d’une contraction, on peut citer comme exemple le pectoralis major, voir figure
A.1.1.
Contrairement aux muscles à fibres parallèles, les fibres pennées forment un angle avec la ligne d’action du muscle. Ces muscles possèdent un nombre important de fibres en parallèle ce qui rend ces muscles capables de produire plus de forces que les muscles à fibre parallèle pour une réduction de longueur moindre (Oatis and Mansour, 2009). On trouve des muscles unipennés, bipennés ou multipennés, selon le nombre d’angle avec la ligne d’action du muscle et le nombre de tendons attachés. Les muscles gastrocnemius sont pennés et permettent de produire beaucoup de force avec une faible réduction de la longueur musculaire.
FIGUREA.1.1 – Les muscles squelettiques du corps se présentent généralement sous sept formes
différentes. Source : OpenStax College. Anatomy & Physiology, cnx.org/content/col11496/1.6/, CC BY-SA