Contribution à l'analyse biomécanique de l'activité en kayak. Mise en place et validation d'une chaîne de mesure dynamométrique tridimensionnelle

THÈSE

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique -PPRIMME

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique - SIMMEA (Poitiers)

Secteur de recherche : Biomécanique et bio-ingénierie

Présentée par :

Franco Miller Munoz Nates

Contribution à l'analyse biomécanique de l'activité en kayak. Mise en place et validation d'une chaîne de mesure

dynamométrique tridimensionnelle Directeur(s) de Thèse :

Patrick Lacouture, Floren Colloud Soutenue le 19 décembre 2013 devant le jury

Jury :

Président Raphaël Dumas Maître de conférences, Université de Lyon 1 Rapporteur Antoine Nordez Maître de conférences, Université de Nantes

Rapporteur Philippe Pudlo Professeur des Universités, Université de Valenciennes Membre Patrick Lacouture Professeur des Universités, Université de Poitiers Membre Floren Colloud Maître de conférences, Université de Poitiers

Pour citer cette thèse :

Franco Miller Munoz Nates. Contribution à l'analyse biomécanique de l'activité en kayak. Mise en place et validation d'une chaîne de mesure dynamométrique tridimensionnelle [En ligne]. Thèse Biomécanique et bio-ingénierie. Poitiers : Université de Poitiers, 2013. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>

THÈSE

pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Énergétique et Aéronautique.

Secteur de recherche : Biomécanique et Bio-Ingénierie Présentée par :

Franco Miller MUNOZ NATES

CONTRIBUTION À L’ANALYSE BIOMÉCANIQUE DE L’ACTIVITÉ EN KAYAK. MISE EN PLACE ET VALIDATION D’UNE CHAÎNE DE MESURE DYNAMOMÉTRIQUE

TRIDIMENSIONNELLE

Directeur de thèse : Patrick LACOUTURE Co-Encadrement de thèse : Floren COLLOUD

Soutenue le 19 décembre 2013 devant la commission d’examen

JURY

Philippe PUDLO Pr. Université de Valenciennes (Rapporteur)

Antoine NORDEZ DR Université de Nantes (Rapporteur)

Raphaël DUMAS MCF-HDR Université de Lyon 1 (Examinateur)

Patrick LACOUTURE Pr Université de Poitiers (Examinateur)

Sommaire

Remerciements ... 5

Avant propos ... 6

Introduction ... 8

Chapitre 1 : Analyse de l’activité kayak et de son instrumentation ... 12

1.1 Evolution de l’instrumentation embarquée sur kayak en condition réelle de pratique ou sur ergomètre simulateur ... 12

1.2 L’instrumentation sur ergomètre kayak ... 13

1.2.1 Brevets et ergomètres disponibles sur le marché. ... 14

1.2.2 Ergomètres scientifiques en kayak ... 16

1.3 L’instrumentation sur kayak en condition réelle... 23

1.3.1 Outils de mesure disponibles sur le marché. ... 23

1.3.2 L’instrumentation embarquée. ... 24

1.4 Paramètres à évaluer suivant les conditions : ergomètre - bateau ... 28

1.4.1 Identification des paramètres à mesurer ... 29

1.4.2 Paramètres retenus suivant les conditions: ergomètre ou bateau ... 32

1.4.3 Les modifications apportées à la conception de l’ergomètre ... 34

Chapitre 2 : Conception de l’ergomètre kayak version « Poitiers-B » et les limites des outils expérimentaux ... 41

2.1 Systèmes de capture des mouvements ... 41

2.1.1 Le système Optoélectronique Vicon et ses limites. ... 42

2.1.2 Capture du mouvement en bateau ... 42

2.2 L’ergomètre Kayak version Poitiers-B et ses limites ... 44

2.2.1 Instrumentation dynamométrique de l’ergomètre de kayak Poitiers-B ... 45

2.2.2 Conception de la pagaie et ses limites ... 46

2.2.2.1 Conception et construction du manche ... 46

2.2.3 Caractéristiques des cordes filins ... 48

2.2.4 Caractéristiques du capteur couple-vitesse ... 52

2.2.4.1 Mesure de la vitesse de l’arbre de rotation ... 52

2.2.4.2 Identification du coefficient pour l’estimation de la vitesse de rotation fournie par le capteur de couple ... 54

2.2.5 Caractérisation des capteurs de force uni-axiaux ... 55

2.2.5.1 Mesure de la force exercée sur les filins ... 55

2.2.6 Caractérisation des codeurs rotatifs ... 56

2.2.6.1 Identification de l'orientation du filin de l’ergomètre ... 57

2.3 Synchronisation des mesures ... 61

2.3.1 Synchronisation des cartes d’acquisition ... 62

2.3.2 Synchronisation des données capteurs avec le système de capture de mouvement ... 64

2.4 Instrumentations du bateau et les limites ... 65

2.4.1 Création d’un modèle 3D du bateau ... 66

2.4.2 Fabrication du capteur vitesse ... 67

2.4.3 Commande du gouvernail (Safran). ... 68

2.5 Interface logiciel utilisateur ... 69

2.6 Conclusions et recommandations ... 70

Chapitre 3 : Caractérisation et validation des capteurs dynamométriques 3D intégrés au chariot et à la pagaie ... 72

3.1 Calcul du torseur des efforts appliqués au capteur ... 73

3.2 Capteurs préhension de la pagaie ... 75

3.2.1 Caractérisation du comportement des capteurs préhension 600 N (C1-A et C2-A) et 1000 N (C1-B et C2-B). ... 80

3.2.2 Caractérisation des capteurs 600 N (C1-A et C2-A) à partir d’un montage horizontal ... 81

3.2.3 Caractérisation des capteurs 600 N (C1-A et C2-A) à partir d’un montage oblique - Développement d’une méthode d’étalonnage ... 85

3.3 Caractérisation des capteurs préhension 1000 N (C1-B et C2-B)... 90

3.3.1 Caractérisation des capteurs 1000 N, C1-B et C2-B équipés d’un cylindre de révolution .... 97

3.3.2 Caractérisation du capteur équipé d’un cylindre de révolution et d’entretoises ... 100

3.4 Calcul du centre de pression pour un capteur cylindrique ... 102

3.5 Caractérisation et validation du capteur assise ... 111

3.5.1 Caractérisation du capteur assise ... 113

3.6 Caractérisation et validation des capteurs podaux ... 116

3.6.1 Solution proposée par la société Sensix ... 116

3.6.2 Caractérisation du capteur podaux ... 117

Chapitre 4 : Vers une validation de la chaîne de mesures implémentée sur

l’ergomètre ... 123

4.1 Matériel et protocole ... 123

4.1.1 Protocole expérimental ... 124

4.2 Validation du système de mesure ... 126

4.2.1 Analyse du système S3 (athlète) ... 131

4.2.2 Analyse du système S1 (athlète + pagaie) ... 139

4.1.2 Analyse du système S2 (pagaie) ... 144

4.3 Bilan sur la validation de la chaîne de mesure tridimensionnelle ... 150

Conclusion général et perspectives ... 153

Bibliographie... 157

Annexe A : ... 161

Caractérisation du capteur équipé d’un cylindre de révolution et de l’entretoise 12 mm placé sur la poignée d’un aviron... 161

I. Objectif ... 161

II. Protocole expérimental ... 161

III. Protocole expérimental ... 162

IV. Résultats ... 162

V. Discussion ... 163

Annexe B : ... 165

Figures représentant la norme des efforts mesurés pour différentes cadences de pagayage... 165

Remerciements

Apres avoir fait plus de 100 expériences, d’avoir branché et débranché des centaines des fois les capteurs, et enfin, d’avoir vécu cette merveilleuse expérience, je ne peux que remercier tous mes camarades de travail et mes encadrants de thèse qui m’ont très bien accueilli et qui ont toujours été présents pour débattre scientifiquement comme « non-scientifiquement ».

Je tiens à remercier les membres du jury pour s’intéresser à mes travaux.

A mis padres, mi hermano y mi bella esposa muchísimas gracias, siempre están en mi mente y en mi corazón.

Avant propos

Au bout de quatre années de thèse, j’ai l’immense plaisir de pouvoir présenter et conclure mes travaux à travers ce document récapitulatif. Cela reste cependant une conclusion partielle puisque la thématique de recherche liée à l’analyse biomécanique de l’activité kayak en ligne, débutée en 2004 au sein de l’équipe RoBioSS qui m’a accueilli, continuera. Mon travail fait en effet suite à celui de Mickaël BEGON (années 2003-2006) et celui de Vincent FOHANNO (2008-2011).

L’objectif scientifique qui m’a été proposé pour ce contrat doctoral était de concevoir un ergomètre kayak instrumenté sur la base des travaux de mes prédécesseurs et prenant en compte le cahier des charges élaboré conjointement avec les sportifs et les entraîneurs de la Fédération Française de Canoë Kayak (FFCK) en relation avec l’équipe RoBioSS. Il s’agissait, en particulier, d’améliorer le dispositif frénateur de l’ergomètre tout en essayant de rapprocher la gestuelle développée sur l’ergomètre de celle réalisée sur l’eau, d’une part, et de développer et de valider une chaîne de mesure des efforts d’interaction kayakiste/ergomètre ou bateau, d’autre part. De plus, cette chaîne de mesure devrait pouvoir s’installer aussi bien sur l’ergomètre que dans le bateau.

C’est donc un travail d’ingénierie de conception et de mise en œuvre d’une instrumentation qui m’a été confié. Travail d’autant plus délicat lorsqu’il s’agit d’intégrer des capteurs dans une structure qui doit être démontable, légère et soumise à des sollicitations extrêmes. Aussi, mon profil d’ingénieur, développé au cours de ma formation initiale m’a conduit à concourir à cet appel d’offre de bourse BDI (Bourse de Docteur d’Ingénieur) déposé par le CNRS et alloué au laboratoire de Poitiers.

Après entretien, ma candidature a été sélectionnée et je découvrais le champ de la biomécanique et ses exigences en termes de qualité des mesures dans un contexte pluridisciplinaire. Les collaborations multiples, avec les sportifs, les entraîneurs au sein d’une structure innovante comme le Centre d’Analyse d’Images et Performance Sportive (CAIPS) conventionnée entre le CREPS Poitou-Charentes et le laboratoire m’ont aussi permis de comprendre les enjeux du sport de haut niveau tant du point de vue de la performance que de la formation des cadres fédéraux.

Le travail réalisé au cours de cette thèse, même s’il peut ne pas être perçu comme un travail de recherche fondamentale, n’en est pas moins fondamental car il constitue l’étape préalable indispensable sans laquelle on ne saurait conduire une analyse biomécanique du geste de pagayage en kayak en ligne à des fins de performance sportive.

Si les objectifs qui m’ont été assignés ont été atteints pour une grande part, ma frustration est, bien sûr, de n’avoir pas pu, en partie par manque de temps, réaliser les expérimentations sur l’eau, dans un bassin de carène et de conduire véritablement une analyse comparative, Kayak vs Bateau. Cette étape étant programmée pour 2014, mon statut d’Attaché Temporaire d’Enseignement et de Recherche à la Faculté des Sciences du Sport jusqu’en septembre 2014 devrait toutefois me permettre d’assister et d’intégrer l’équipe en charge de ce travail. C’est donc avec sincérité que je souhaite mettre à disposition de l’équipe de recherche et d’un prochain doctorant les compétences acquises au cours de ce travail de thèse

Introduction

Les méthodes modernes d’entraînement utilisent, depuis quelques années, des appareillages spécifiques appelés ergomètres sur lesquels, en particulier, des programmes de renforcement musculaire sont proposés par les entraîneurs. De tels dispositifs favorisent la continuité d’un entraînement pendant les périodes peu favorables à une pratique sportive en situation dite écologique. Ainsi au cours de l’hiver, le coureur à pied conduit des séances sur tapis roulant, d’autant plus pertinentes lorsque celui-ci est équipé d’une plateforme de forces pour évaluer les impulsions lors des appuis successifs. Pour une autre application sportive, les judokas de haut niveau de la Fédération Française de Judo et des Sports Associés disposent d’un ergomètre de musculation spécifique en l’appareil dénommé « Mannequin de Mayeur » (Figure 1B) pour effectuer des randori sur les techniques de projection avant (Uchi Mata) et arrière (Osoto gari) [1, 2]. Dernièrement, le laboratoire a développé un ergomètre Ergo Top ski (Figure 1C) pour la Fédération Française de Ski pour l’entrainement en ski de fond [3] et un ergomètre natation (Figure 1A), en collaboration avec la Fédération Française de Natation a été également conçu [4].

L’un des intérêts d’utiliser ce genre d’outils est que l’entraîneur peut avoir accès à des informations difficilement accessibles en situation réelle de pratique. En effet, la plupart des ergomètres sont instrumentés pour recueillir des forces produites par l’athlète, ou encore des vitesses d’exécution de geste, etc. Toutefois, ces informations ne sont pertinentes qu’à la condition que le geste reproduit sur l’ergomètre soit identique à celui réalisé sur le terrain sportif, tant du point de vue de la cinématique que des dynamiques interne et externe du système. Cette reproductibilité reste un enjeu scientifique majeur.

Depuis quelques années des simulateurs pour le geste du kayak ont été développés afin de reproduire le mouvement de pagayage en environnement contrôlé. Les deux premières analyses biomécaniques significatives sur ergomètre, à notre connaissance, ont été proposées par Stothart [5] et Campagna [6]. Elles ont été suivies par celle de Larsson [7] et dernièrement au sein de l’équipe par Begon [8]. Ces dispositifs sont conçus pour établir des modèles optimaux pour les performances sportives individuelles et, in fine, le développement de méthodes d’entraînement les plus efficaces. Véritables machines d’entrainement ces ergomètres sont souvent identifiés selon leur façon de reproduire la force de traînée : les deux systèmes les plus utilisés sont les ergomètres qui utilisent la force de résistance de l'air et ceux

qui utilisent la force de résistance produite par des champs magnétiques, voire, qui associent les deux.

En ce qui concerne le développement d’une instrumentation embarquée dans un kayak, une proposition est faite par Colli [9, 10] puis par Janssen [11]. Le dernier travail publié dans ce domaine est, à notre connaissance, celui de Sturm [12].

Ce travail de thèse s’inscrit dans cette problématique scientifique dont l’objet est la conception d’un ergomètre permettant la pratique du kayak en ligne. Les objectifs dévolus à cette étude sont donc de concevoir un ergomètre kayak capable de reproduire les conditions d’une pratique écologique tant d'un point de vue de la gestuelle (cinématique) que des efforts générés (dynamique) d’une part, et de proposer et de valider une instrumentation afin de recueillir l’ensemble des efforts d’interaction kayakiste/ergomètre, d’autre part. De plus, cette instrumentation devra être suffisamment exigeante en termes de poids, d’encombrement, pour être installée dans un kayak pour des mesures in situ. Ainsi, au cours de ce programme de recherche, mon travail a aussi consisté, à développer les outils (software et hardware) permettant les validations des concepts propres à l’analyse de la performance développés tant sur ergomètre qu'en condition écologique de pratique du kayak. La question des moyens à mettre en œuvre se pose de façon prégnante en ce qui concerne les variables biomécaniques, éléments de base de la technique puisqu’il s’agit de quantifier l'ensemble des facteurs déterminants de la performance (force, endurance, souplesse, technique, etc.) et d'apporter des outils à l’entraineur, pour une évaluation objective de ces performances.

L'objectif du travail présenté, au-delà de la conception de l’ergomètre kayak, est de développer une chaîne de mesure amovible, car transférable dans un bateau, capable d’enregistrer les efforts exercés à la pagaie, sur le siège et les cale-pieds. Ainsi, nous avons été confrontés aux problématiques propres i) au domaine de la mesure puisqu’il nous a fallu définir les exigences attendues sur plusieurs critères dont les plus courants sont l’étendue de mesure, la sensibilité, la résolution, la précision, la reproductibilité, etc. ii) à l’intégration de ces capteurs sur l’ergomètre, tout en préservant la qualité de l’information recueillie, iii) et enfin, au recueil et aux traitements des signaux acquis pour leur interprétation en lien avec les attendus des entraineurs et des athlètes.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une collaboration entre l'axe RoBioss de l'Institut P', le Centre d’Analyse d’Images et Performance Sportive, structure conventionnée entre le CRITT

Sport-Loisirs, Le CREPS et l’Université de Poitiers et la société SENSIX, qui développe des capteurs de mesure d’efforts 6 composantes.

Le document écrit qui relate ce travail est organisé en trois parties.

La première composée d’un chapitre dans lequel un état de l’art de l’instrumentation et une élection de paramètres lors de la conception de la chaîne de mesure sont effectués. La deuxième partie comprend deux chapitres dédiés à la conception, la validation et la mise en place des différents capteurs utilisés pour l’ergomètre et adaptables aussi au bateau. La troisième partie est concentrée sur les résultats obtenus lors d’expériences faites avec le simulateur de kayak. Enfin, ce document se termine par une conclusion/perspectives et des recommandations d’utilisation des différents dispositifs.

Figure 1 : Ergomètres développés en collaboration avec l’équipe RoBioSS A) Ergomètre natation. B) Ergomètre judo. C) Ergomètre Ski de fond

12

Chapitre 1

: Analyse de l’activité kayak et

de son instrumentation

Les premiers kayaks ont été élaborés, il y a plus de 4000 ans, par les peuples arctiques avec l’objectif de se déplacer, de pêcher ou encore de chasser. Aujourd’hui, les besoins ne sont plus les mêmes. La pratique du kayak moderne peut être une activité sportive de loisirs mais aussi de haut niveau puisqu’elle fait partie du programme des Jeux olympiques. Dans ce contexte de recherche d’une performance, l’analyse biomécanique du comportement du kayakiste dans son embarcation peut aider l’entraîneur à mieux comprendre les mécanismes mis en jeu. Cette analyse suppose de pouvoir quantifier, en particulier, les efforts d’interaction générés à l’interface kayakiste/bateau. Nous souhaitons, dans ce chapitre, proposer un état de l’art des différents travaux qui portent sur la mise en œuvre d’une instrumentation dite embarquée car installée soit dans un kayak c'est-à-dire en condition réelle de pratique, soit sur un ergomètre simulateur. Cela nous conduira à sélectionner les paramètres jugés déterminants pour concevoir un ergomètre simulateur de kayak.

1.1 Evolution de l’instrumentation embarquée sur kayak en condition

réelle de pratique ou sur ergomètre simulateur

Dans les compétitions internationales de kayak, les différences constatées entre le vainqueur, et le second peuvent être infimes. La victoire se gagne avec de très faibles écarts de temps et les moindres détails dans la préparation du champion, comptent. C’est pourquoi, les laboratoires de recherche, en lien avec le milieu sportif, cherchent à développer des appareils et des chaînes de mesures spécifiques pour :

- Permettre aux sportifs de continuer leur entraînement pendant la période hivernale, peu favorable aux séances sur l’eau,

- Evaluer les qualités physiques de ces sportifs sur des machines spécifiques à l’activité, - Quantifier le comportement des sportifs en situation réelle de la pratique c'est-à-dire,

en ce qui nous concerne, directement dans le bateau. En effet, la performance est aussi dépendante de l’équipement et de la technique utilisés. Les équipements évoluent grâce aux études faites sur les différents matériaux, les formes de coque de bateau. Si

13 les méthodes de simulations en hydrodynamique existent, il est essentiel de pouvoir tester ces solutions sur l’eau.

Diverses études scientifiques ont été réalisées soit dans le cadre du laboratoire à l'aide d’ergomètre kayak (à sec) soit en condition réelle de pratique (sur l’eau). L’analyse présentée ici fournit un aperçu de la recherche en kayak en ligne particulièrement, en liant les aspects biomécaniques et d’ingénierie présentés dans la littérature. Nos propos soulignent surtout les avancées sur la mesure des paramètres dynamiques qui influencent la performance et l’efficacité du pagayage.

1.2 L’instrumentation sur ergomètre kayak

Depuis quelques années, des simulateurs pour le geste du Kayak ont été construits ; ce sont de véritables machines d’entrainement qui peuvent être utilisées pour une préparation en salle (à sec). Leur utilisation a pour objectif de soumettre l'athlète aux conditions d’effort au plus près de celles rencontrées sur l’eau. Il s’agit en particulier de simuler, de la meilleure façon possible, le comportement hydrodynamique du kayak. Les ergomètres sont donc identifiés selon leur façon de reproduire la force de traînée. Deux systèmes sont les plus souvent utilisés. Soit la force de résistance est obtenue à l’aide de volant muni de palmes, qui en fonction de leur vitesse de rotation, sont plus ou moins freinées par l’air, soit la force de résistance est produite par des aimants qui freinent un volant en rotation ; les deux systèmes peuvent aussi être réunis pour accentuer la force de résistance pour des séances d’entraînement qualifiées par les entraîneurs de « stao-dynamiques ».

A l’heure actuelle, aucune machine d’exercice du kayak n’est capable de reproduire fidèlement la cinématique expérimentée en condition réelle, en raison du grand nombre de contraintes liées à la nature de cette activité qui engendrent une grande complexité dans les interactions avec le milieu naturel. De plus, la plupart de ces ergomètres utilisés dans le centre d’entraînement ne sont pas instrumentés, alors que la mesure des efforts produits par l’athlète est une donnée importante pour assurer, en temps réel, son suivi.

Malgré cette difficulté de conception, l’utilisation d’un ergomètre est de plus en plus présente, dans le milieu sportif pour conduire des entraînements plus pertinents. D’importants progrès ont été réalisés, tant du point de vue de leur conception que de leur instrumentation grâce au travail des chercheurs mais aussi de certains industriels spécialisés dans le domaine sportif.

14

1.2.1 Brevets et ergomètres disponibles sur le marché.

Plusieurs brevets existent pour les appareils d’exercice en kayak. La plupart ne reproduit pas fidèlement la cinématique du mouvement de pagayage, et encore moins la dynamique produite : forces aux interactions mains/pagaie, pieds/repose pieds. Le plus souvent, les brevets prennent seulement en compte le mouvement des bras mais négligent les autres coordinations gestuelles comme la cinématique des membres inférieurs, les torsions des ceintures scapulaires et pelviennes. Les efforts externes produits ne sont pas mesurés car ces ergomètres ne sont pas instrumentés en capteurs d’efforts. Aucune mesure n’est effectuée pendant l’activité de l’athlète.

Figure 2 : Brevets qui prennent en compte une pagaie liée au bâti; A) brevet 6,106,436-2000 [13]et b) Brevet 4,717,145-1988[14]

Les dispositifs de la Figure 2 disposent d’une barre en T (5) reliée à un châssis par l’intermédiaire d’une jonction articulée (n°42). La barre T est utilisée en position assise pour simuler les mouvements des bras lors du pagayage en kayak. Cette barre est également utilisée pour générer une résistance au mouvement grâce à un frein aérodynamique.

La Figure 3 A) montre un dispositif qui utilise un volant d’inertie pour offrir une résistance. Divers ajustements du volant peuvent être faits afin de modifier la force de résistance, et de simuler ainsi les différents types de résistance rencontrés durant l’activité. La Figure 2 B) schématise un dispositif avec deux cordes attachées aux bouts des pagaies et un tambour d’enroulement avec un ressort qui simule la résistance.

15

Figure 3 : Brevets avec une pagaie attachée à des cordes; A) Brevet 6,328,677 – 2001 [15] et B) Brevet 5,624,357 - 1997[16]

La plupart de ces dispositifs ne reproduit pas fidèlement le mouvement de la rotation des ceintures et sollicite différemment les principaux muscles impliqués. De plus, tous ces dispositifs présentent un siège fixe avec pour conséquence de ne pas prendre en compte les mouvements des membres inférieurs. Ces types de machines ne fournissent pas de sensations réalistes aux kayakistes et peuvent aussi générer des lésions musculaires.

Egalement, les ergomètres actuels commercialement disponibles sur le marché (Dansprint, WEBA, KayakPro, K1 Trainer, Vasa Figure 4) présentent des similitudes avec les dispositifs brevetés décrits précédemment. Ces ergomètres comprennent généralement un volant d’inertie qui est relié à la pagaie par deux cordes, un siège et un cale-pied rigide fixé au châssis. Ils sont instrumentés en capteurs de couple et de position angulaire disposés au niveau de l’axe de rotation du volant. Aussi, à partir de ces mesures, une interface indique des valeurs de puissance, de distance, de vitesse et de cadence à chaque coup de pagaie. Aucune information n’est donnée quant aux développements théoriques utilisés. On peut se douter qu’en termes de puissance, ces ergomètres se limitent à évaluer la puissance mécanique résistante et assimile cette dernière à la puissance mécanique externe produite par l’athlète. Or cette dernière, même correctement calculée, n’est pas la puissance mécanique interne produite par le kayakiste alors que c’est celle-ci que l’on cherche à évaluer. Par ailleurs, les modèles mathématiques utilisés, quand ils existent, pour simuler la distance parcourue ou encore la résistance aérodynamique et hydrodynamique ne sont pas communiqués pour pouvoir analyser les valeurs des paramètres affichés. De plus, ces machines d’exercice de kayak ne prennent pas en compte l’ensemble des efforts produits dans les membres inférieurs, par les

16 mains sur les pagaies ; ainsi la mesure de forces produites pendant l’activité n’est pas complète.

Figure 4 : Ergomètres kayak; A) Dansprint (Tirée de http://dansprint.com). B) Vasa (Tirée de

http://vasatrainer.com)

1.2.2 Ergomètres scientifiques en kayak

Les ergomètres construits à des fins de recherches scientifique sont conçus non seulement pour simuler une performance sportive mais aussi pour évaluer les progrès (ou pas) réalisés par les athlètes. Ils ont également pour objectifs d’identifier les paramètres mécaniques caractéristiques du geste spécifique, d’établir des modèles optimaux pour les performances sportives individuelles et, in fine, d’aider au développement de méthodes d’entrainement plus efficaces.

De telles analyses scientifiques sont de plus en plus fréquentes dans le milieu du kayak ; les deux premières analyses biomécaniques significatives sur ergomètre ont été proposées par Stothart et al.[5] et Campagne et al.[6] (Figure 5).

Figure 5 : Ergomètres présenté pour A) Stothart et al. 1986 (Copyright Stothart et al 1986) et B) Campagne et al. 1986 (Copyright Campagne et al. 1986)

17 En particulier, Stothart et al. ont basé leur étude sur le développement et la conception d’un ergomètre composé d’un châssis, d’un manche de pagaie en carbone modifié afin de faire varier sa longueur et instrumenté avec des jauges de déformation. Une unité de résistance Biokinetics Ergometer (fabriquée par Isokinetics Inc, Albany en Californie) est installée ; elle a été initialement conçue pour un ergomètre de natation et adaptée pour le mouvement de kayak. La vitesse est contrôlée par un circuit électronique et un générateur ; les vitesses de pagayage peuvent aller jusqu'à 7,43 mètres par seconde. Enfin, un affichage numérique indique le « travail cumulé » pendant l’exercice.

Campagne et al. présentent un ergomètre composé de deux unités : l’unité de résistance (Biokinetics Ergometer) et le châssis de pagayage ; la distance entre ces deux unités est réglable. Le siège de l'ergomètre a été conçu pour permettre une rotation autour de son axe longitudinal et des absorbeurs de choc hydrauliques ont été installés de chaque côté pour réduire les mouvements importants. Ces premières études sont basées spécifiquement sur l’instrumentation. Malheureusement, faute de publications, nous n’avons aucune information sur la dynamique mesurée par ces ergomètres et son protocole de validation.

Figure 6 : Ergomètre présenté par Larsson et al. (1988) (Copyright Larsson et al. 1988)

Consécutivement à ces travaux, Larsson et al. [7] ont développé un ergomètre kayak (Figure

6), dans le but d’évaluer la consommation d’oxygène VO2max durant l’entrainement afin de

la comparer à celle obtenue sur deux autres appareils simulant deux autres disciplines sportives le cyclisme et la natation. Leur ergomètre était composé d'un siège de kayak séparé d’une structure à usages multiples avec un volant d’inertie et un frein aérodynamique. Le nombre de révolutions du volant d’inertie est enregistré sur un appareil appelé « le cat-eye » (Cateye mate cc-3000) composé d’un capteur magnétique (inductif) ; à partir des révolutions par minute mesurées, les valeurs de vitesse de déplacement, la distance parcourue, le temps

18 passé sur l’ergomètre et la vitesse maximale sont calculés ; malheureusement ces valeurs n’ont pas été publiées.

Leurs résultats en termes de consommation maximale d’oxygène montrent que l’utilisation d’un ergomètre pour l’entrainement a permis d’accroitre la puissance aérobie des pagayeurs, car leur VO2max avant l’utilisation de l’ergomètre était de 4.6 lmn-1 (plage mesurée entre 3.8 et 5.21 lmn-1) et 12 mois après, elle était de 5.0 lmn-1 (plage mesurée entre 4.2 et 5.71 lmn-1). Petrone et al. [17], ont développé une expérimentation pour mesurer les forces appliquées par un athlète pagayant à bord d’un bateau. Leur travail présente la conception et la mise en place d’une chaîne de mesure sur le siège et le cale-pieds. Ce set d’instrumentation est mis en place sur un ergomètre et des résultats préliminaires sont présentés.

Le siège est composé de 3 jauges de déformation qui calculent les six composantes de l’effort appliqué dessus. Quant à la mesure de l’effort dans le cale-pied, elle est séparée entre le pied droit et le pied gauche ; elle évalue les deux composantes de la force, tangentielle et normale, sous chaque pied. Cette étude ne s’intéresse pas aux forces latérales exercées au cale-pied parce que les auteurs prennent comme hypothèse que ce degré de liberté est restreint en raison de l’espace limité des pieds à l’intérieur du bateau ; il n’y aurait donc pas d’influence sur la mesure de l’effort. L’étalonnage de deux capteurs est fait en statique en utilisant des masses connues.

La Figure 7 présente les dix composantes des forces prises en compte dans leur analyse des données pour une cadence de 90 coups/min. Ces résultats montrent que les efforts au départ du test sont environ deux fois plus importants. Cette instrumentation est l’une des premières approches pour mesurer les efforts générés sous les appuis podaux.

Figure 7 : A) Composantes des forces prises en compte dans la conception des capteurs assise et cale-pied. B) Valeurs maximale et minimale des forces mesurées à 90 coups/min. (Copyright Petrone et al., 1998)

19 Suite à ces travaux, Mimmi et al. [18, 19] développent un nouvel ergomètre de kayak qui utilise deux hélices pour simuler la résistance aérodynamique, ainsi qu’un filin qui relie ces hélices à la pagaie. Ce système et fixé sur un arbre mécanique (Figure 8).

Figure 8 : A) Ergomètre présenté par Mimmi et al. (2006). B) Graphique des forces acquises pour une cadence de 75 coups/min. (Copyright Mimmi et al., 2006)

Les mesures et calculs de la force de traction et de la vitesse de rotation sont respectivement effectués par deux capteurs de force et un codeur incrémental ; sur la pagaie, deux jauges de déformation sont installées aux extrémités et calculent la force de traction exercée.

Les résultats montrent qu’avec cette instrumentation, il est possible de bien identifier des changements de phase du mouvement de pagayage : la phase d’attaque (phase de passée dans l’eau) et une phase de récupération (phase aérienne), à chaque coup.

Cette recherche nous amène à remarquer que la force de traction mesurée sur l’arbre par le capteur de force est supérieure à celle mesurée sur la pagaie par la jauge de déformation car le kayakiste ne fixe pas toujours la main sur la pagaie au même endroit. La force mesurée n’est donc pas la force résultante. Cependant, la force mesurée sur l’arbre est indépendante de l’orientation de la pagaie mais est sensible au coefficient d’élasticité du filin et des coefficients de friction.

Malheureusement, faute de publication, nous n’avons pas plus d’informations sur les résultats expérimentaux obtenus avec cet ergomètre. Mais ce travail, exposé lors d’un colloque en Italie, nous montre l’importance de bien choisir les types de capteurs à utiliser les emplacements pour leur intégration sur l’ergomètre.

Les travaux effectués au sein de notre laboratoire par Begon,[20, 21, 22, 23, 24], montrent un nouvel ergomètre équipé d’une instrumentation déjà plus complète que celles décrites précédemment. Chaque extrémité de la pagaie est reliée à un volant d’inertie par

l’intermédiaire d’un filin. Le d’avant en arrière ; il est relié pagaie-chariot d’osciller cons nouveau coup de pagaie.

Figure 9 : A) Ergomètre présenté par B forces

Le chariot est divisé en deux côtés gauche et droite. Pour c sur chaque pièce (siège et cale force uni-axial à jauges de con au chariot. Enfin, deux capteu entre les extrémités de la pag droit et côté gauche. Pour obte le capteur selon la direction d angle cardan sont mis en place

e chariot qui supporte l’assise et le cale-pied elié au bâti grâce à un élastique permettant a onstamment grâce à la force de résistance

nté par Begon et al. (2007). B) Chariot composé par un siège forces mesurées (Copyright Begon et al., 2009)

ux parties afin de mesurer les forces asymétri r cela, 4 capteurs piézoélectriques uni-axiaux

ale-pieds) pour mesurer la force antéropostérie ontrainte mesure la tension de l’élastique qui re teurs uni-axiaux, également à jauges de contrai agaie et les filins, afin de mesurer les efforts btenir, au cours du mouvement, la direction de l

n du filin, deux goniomètres basés sur des po ce (Figure 9).

20 eds roule sur un bâti t au système

athlète-e généréathlète-e à chaquathlète-e

un siège et un cale-pieds. C)

étriques, développées sont installés, deux rieure. Un capteur de i relie l’arrière du bâti traintes, sont installés ts sur la pagaie, côté e la force exercée sur potentiomètres et un

21 Cette instrumentation mesure les composantes longitudinales (axe longitudinal de l’ergomètre) des forces de contact entre l’athlète et l’ergomètre au niveau de la pagaie, du siège et des cale-pieds. Le mouvement des athlètes est enregistré à l’aide d’un système cinématographique au cours d’une phase statique, une phase de démarrage et une phase de pagayage à une cadence régulière.

La Figure 10 indique 95% de l’intervalle de confiance des courbes des forces générées sur l’ergomètre au niveau de la pagaie, du repose-pied et du siège, que ce soit du côté gauche ou du côté droit. Ces courbes témoignent du comportement antisymétrique du pagayage. Egalement, Begon et al. montrent que les forces les plus grandes ont été mesurées sous les appuis podaux, puis aux interactions fesses/siège et enfin mains/pagaie. Ces valeurs maximales sont générées lors de la phase de traction et, plus précisément, quand la projection de la pagaie dans le plan sagittal est verticale.

Figure 10 : force mesurées sur l’ergomètre à la pagaie le cale-pied et le siège (Copyright Begon et al. 2009)

De plus, les résultats indiquent que le comportement des kayakistes est reproductible sur chaque cycle mais qu’il peut exister une large variabilité entre les athlètes. De cette manière, par exemple, la force mesurée au niveau du siège et aux cale-pieds (du côté opposé au coup de pagaie) peut être négative chez certains kayakistes et positive chez d’autres ; en effet,

22 certains utilisent des sangles aux pieds pour le fixer au support dans la recherche d’une meilleure efficacité du coup de pagaie. Finalement, ces travaux ont montré que les valeurs maximales des forces produites sont dans l’ordre suivant : pale, pied puis fesses.

Plus tard, Sturm et al.[25], présentent la mise en œuvre d'un système de capteurs sans fil autorisant un processus de mesure beaucoup plus mobile en minimisant le système filaire. Ce système enregistre les efforts exercés aux cale-pieds et à la pagaie et est installé sur un ergomètre commercial (Dansprint). La mesure de la flexion de la pagaie est effectuée grâce à quatre jauges de déformation placées aux extrémités de la pagaie. Deux capteurs de pression mesurent séparément les efforts aux cale-pieds. La technologie Bluetooth est utilisée comme technique de télécommunication entre les capteurs et l’ordinateur à une fréquence d’échantillonnage de 150 Hz (Figure 11).

Figure 11 : L’ergomètre présenté par Sturm et al. et son instrumentation associée. (Copyright Sturm et al., 2010)

Trois différents niveaux de puissance sont alors évalués : 80W, 120W et 160W. Les auteurs, à notre connaissance, n’ont pas publié les plages de mesures des forces produites ; ils se concentrent essentiellement sur les caractéristiques des profils des courbes des forces mesurées au cours du temps. Egalement, ils montrent que l’apparition d’un pic de force sous les appuis podaux est plus tardive que pour la force exercée sur la pagaie.

Aussi, différents travaux, comme ceux de Saga et al.[26], Davranche et al.[27], Limonta et al.[28], Fohanno et ses collaborateurs. [29], utilisent pour leurs études, des ergomètres soit commerciaux, comme le Dansprint ou Etindus, soient développés au sein de leur laboratoire dans le but d’étudier la cinématique segmentaire des athlètes et leur technique de pagayage à l’aide de systèmes de capture du mouvement. Cependant, certaines de ces études se focalisent essentiellement sur les différents facteurs de réponse des groupes musculaires du haut du corps. Dans ces travaux, l’évaluation de la dynamique mise en jeu n’est pas une priorité.

23 De même, plusieurs études utilisant des ergomètres de kayak commerciaux se concentrent sur les paramètres physiologiques. En effet, celle réalisée par Larsson et al.[7] montre que l'absorption maximale d'oxygène (VO2 max), la fréquence cardiaque et le volume respiratoire par minute (VE) sont similaires aux valeurs obtenues sur kayak en condition aquatique. Des mesures similaires sont trouvées par Ochiana et al.[30], ils obtiennent des valeurs élevées de corrélation entre la fréquence cardiaque et la concentration d'acide lactique dans le sang, tout en comparant la condition sur ergomètre à la condition réelle de pratique.

1.3 L’instrumentation sur kayak en condition réelle

L’évaluation de la performance sportive, particulièrement pour les activités qui se pratiquent en milieux contraints comme l’eau, doit se réaliser en condition réelle. De plus, l’influence des équipements utilisés, ici le kayak et la pagaie, est prépondérante sur le comportement du sportif. D’ailleurs, l’évolution des records mondiaux peut souvent être mise en parallèle avec l’apparition de nouveaux matériaux. Il est donc important de comprendre et d’évaluer la performance sportive de l’athlète en interaction avec son matériel de pratique (bateau et pagaie), afin d’étudier les relations complexes entre environnement-athlète-équipement. En conséquence, utiliser une instrumentation capable de prendre en compte toutes les interactions entre l’homme, le bateau, la pagaie et l’environnement afin d’identifier l’ensemble des paramètres déterminants de la performance en kayak, tel est le souhait de tout entraîneur.

1.3.1 Outils de mesure disponibles sur le marché.

Les produits commerciaux existants sont principalement développés autour de la pagaie. La société Talon Technology Ltd, basée en Australie, a conçu et instrumenté une pagaie avec un capteur de déformation intégré pour mesurer la charge appliquée sur une pale ; un capteur trois composantes repère la position de la pale dans l’espace. Les données acquises pendant le pagayage sont stockées et ultérieurement téléchargées sur un ordinateur via USB puis traitées par un logiciel spécifique.

Egalement, la société One Giant Leap, basée en Nouvelle-Zélande, présente une manche de pagaie instrumentée où différents types de pales peuvent être intégrés. D’après cette société, cet outil offre la possibilité de mesurer la « puissance » développée par cycle, la fréquence de pagayage, la vitesse de déplacement du bateau et la fréquence cardiaque. Il utilise le protocole

24 de communication sans fil ANT+ pour charger les données vers un appareil à l’aide d’une application préinstallée.

Malheureusement, les modèles mathématiques utilisés pour le calcul des paramètres proposés par chaque dispositif ne sont pas connus, ce qui ne nous permet pas d’évaluer et d’analyser, ni les fondements théoriques, ni la pertinence des résultats issus de ces instrumentations.

1.3.2 L’instrumentation embarquée.

La première installation de capteurs dans le but d’analyser la discipline du kayak est proposée par Colli et al.[9, 10].

Figure 12 : Pagaie instrumentée et système d’enregistrement. (Copyright Colli et al., 1993)

Colli et al. basent leur étude sur la pagaie du kayak. Leur instrumentation est composée principalement de : deux jauges de contrainte qui détectent la force que le kayakiste applique de chaque côté de la pale avec une précision de 1N et d’un ordinateur récepteur, installé dans le bateau, pour réceptionner les données toutes les 10 millisecondes (100 Hz) via une interface RS232 pour transmettre les données vers un autre dispositif (Figure 12).

25 Leur étude est principalement basée sur le système athlète-pagaie. A partir de la force mesurée par le capteur, la fréquence d’échantillonnage et la cadence de pagayage par minute, beaucoup de paramètres, comme la force maximale, les temps nécessaires pour arriver à cette force, la force moyenne, la durée du coup de pagaie et le rapport entre la force maximale et le temps maximal, sont calculées. Ces valeurs sont identifiées pendant la phase d'attaque et la phase de récupération en utilisant différentes fréquences de pagayage.

À partir de l’information enregistrée, Colli et al. montrent des caractéristiques différentes entre les athlètes ; certains définis comme « puissants » développent des niveaux de forces importants (+37%) des premiers instants de la phase d’attaque de la pagaie (la force maximale atteint son pic 32% plus rapidement), contrairement à d’autres pour lesquels la force maximale développée est moindre ; par contre, la durée de la phase d’attaque est plus longue (37% plus importante) avec des impulsions identiques ; si les masses en mouvement étaient comparables alors la variation de vitesse subie par le système bateau+athlète serait également identique. Information que les auteurs ne nous donnent malheureusement pas (Figure 13). Jensen et al. [11] présentent un travail dont l’objectif est d’évaluer la validité et la fiabilité de la vitesse et de l'accélération mesurées par un accéléromètre positionné sur le kayak ; une camera vidéo filme le test. Dans cette expérience, quatre unités minimaxX sont utilisées. L'appareil contient lui-même aussi un accéléromètre triaxial, trois gyroscopes (fréquence d’échantillonnage de 100 Hz), trois magnétomètres (30 Hz) et une unité GPS non-différentielle (5Hz). Les accéléromètres utilisés possèdent une fonction GPS ; certains sont sensibles à des accélérations de 2 g et d’autres à des accélérations de 6 g. Deux caméras sont également utilisées de fréquence d’échantillonnage de 100 Hz ; elles sont placées au bord de l’eau, orientées perpendiculairement à la ligne de course du kayak, à une distance d'environ 30 m. La synchronisation des signaux est assurée par le déclenchement d’un trigger.

26

Figure 14 : Comparaison de la vitesse instantanée du kayak pour un cycle de pagayage, obtenues par les unités accéléromètre basés sur GPS et l’enregistrement vidéo (Copyright Jensen et al. 2010)

Le sujet, pour cette étude, est un kayakiste expérimenté. Trois cadences de pagayage sont enregistrées : 60, 84 et 108 coups/min. La vitesse calculée à partir des images vidéo est prise comme référence.

En conclusion, les résultats dévoilent une sous-estimation de la vitesse de 0,14 à 0,19 m/s pour les GPS-accéléromètres (Figure 14). Ces expériences ont été effectuées le matin et l’après-midi, ce qui permet d’identifier que l’heure du jour a un effet sur la vitesse mesurée (l’après-midi indique les différences les plus faibles). Finalement, les auteurs de cet article concluent que la vitesse obtenue à partir des unités GPS-accéléromètre n’est pas recommandée pour identifier les variations de la vitesse entre les coups de pagaie (analyses de micro-phases en kayak).

En 2011, Helmer et al. [31] mesurent l’effort résultant transmis par la pale de la pagaie à l’eau lors des sessions d’entraînement en kayak. De cette façon, il devient possible d’évaluer ainsi l’efficacité de la technique de pagayage. Pour cela, un capteur de force étanche est conçu puis installé sur la pale. Ce capteur mesure aussi la profondeur d’immersion de la pale et calcule la durée de la phase d’attaque. De plus, le protocole inclut un teeshirt (e-textile) avec deux jauges de déformation aux coudes afin de capturer des informations sur la technique de pagayage. Un accéléromètre est aussi placé à l’extérieur du bateau. Ces dispositifs ont été synchronisés dans un système commun d'acquisition de données sans fil sous Labview (Figure 15 A).

27

Figure 15 :A) Système de surveillance en condition réelle de pratique du kayak. B) Données capturées par les gauges de déformation, l’accéléromètre et le capteur de profondeur (Copyright Helmer et al. 2011)

La procédure de calibration des capteurs n’est pas détaillée mais les auteurs de cette étude ont rencontré des problèmes lors de la mesure de la profondeur à basse pression. De surcroît, d’autres problèmes liés à l’étanchéité des capteurs sont survenus qui ont pu influencer la mesure. Leurs résultats préliminaires montrent des mesures de profondeur de la pale du côté droit et du côté gauche ainsi que l’accélération et les angles du coude du côté droit et du côté gauche. Même si le capteur de pression n’a pas vraiment permis de calculer la force appliquée à l’eau par la pale, cette étude montre une instrumentation embarquée importante.

Plus récemment encore, Sturm et al. [12] ont apporté des améliorations au système de mesure des efforts appliqués à la pagaie, évalués sur ergomètre précédemment [25]. Leur système sans fil est nettement modifié. Le système est maintenant composé de deux capteurs de déformation conçus par leur laboratoire et mis en place sur le manche de la pagaie. De plus, l’utilisation d’une centrale inertielle est utilisée pour identifier le mouvement de la pagaie au cours du pagayage. Ce nouvel article décrit la procédure d’étalonnage pour évaluer la validité de leurs mesures. Pour résultat, ils trouvent une erreur moyenne de 0.4% lors des mesures de la force à partir de la flexion de la pagaie. Egalement, ils commentent que la précision de la

28 mesure est affectée par l’endroit où les capteurs sont placés sur le manche. Les données montrent aussi que l'étalonnage avant le déroulement d’une expérience augmente la précision de la mesure.

Plusieurs autres études sont effectuées en condition écologique de pratique, soit en eau vive, soit en bassin de carène où certains paramètres météorologiques sont contrôlés. Funato et al. [32] utilisent un bassin de carène (réservoir) avec un canal de circulation d’eau pour simuler le déplacement du bateau. Dans cette proposition, la vitesse de déplacement de l’eau est contrôlée et certains paramètres mécaniques comme la force de propulsion et l’angle d’inclinaison du bateau sont surveillés à l’aide d’un système de guidage attaché à l’avant du kayak (l’étrave). Ce travail est présenté avec l’objectif de développer de nouvelles méthodes de formation et d’entraînement pour les kayakistes. Egalement, des analyses de la cinématique du kayakiste sont réalisées à partir d’enregistrements vidéo Baker et al. [33] et ont pour but une meilleure description ou compréhension de la technique de pagayage, afin de donner plus d’informations aux sportifs et entraîneurs.

Finalement l’instrumentation embarquée en condition réelle de pratique ou en simulateur ergomètre a montré une évolution très importante depuis les premières études dans les années 80. L’évolution constatée dans la mesure des efforts produits pendant le mouvement de pagayage et la capture de la cinématique a aidé à faire évoluer non seulement la technique du kayakiste mais aussi l’équipement utilisé. Cette évolution est reflétée dans la diminution des temps lors des épreuves internationales en kayak au cours des dernières années.

A partir de l’ensemble de ces informations il est possible d’aborder la sélection des paramètres et la conception d’un ergomètre et son instrumentation.

1.4 Paramètres à évaluer suivant les conditions : ergomètre - bateau

Le kayak est un sport cyclique qui sollicite plus particulièrement la partie supérieure du corps ; c’est une activité exigeante techniquement et physiquement. Pour les athlètes de haut niveau, la fédération développe des formations novatrices pour améliorer le développement de la « force », et de l'endurance. Pour cela, la pratique du kayak sur ergomètre devient de plus en plus fréquente ; l'objectif de ces dispositifs est double. Tout d’abord faciliter les séances d’entraînement en période hivernale, puis évaluer les qualités physiques des athlètes. Encore faudrait-il que l’ergomètre soit capable de reproduire les conditions de la pratique sur l'eau aussi précisément que possible.

29 Cependant, à l'heure actuelle aucune machine d'exercice de kayak n’est capable de reproduire fidèlement la cinématique réalisée dans un vrai kayak en raison de la nature complexe de l'exercice.

En outre, comme nous l’avons vu précédemment dans la revue bibliographique, la mesure des efforts appliqués est incomplète. Par ailleurs, lorsque des mesures cinématiques sont réalisées, seuls les mouvements des bras sont étudiés.

Aussi, afin de répondre aux besoins des entraîneurs et des athlètes de disposer d’une instrumentation fiable et complète installée soit sur un ergomètre soit dans un bateau, nous avons souhaité établir les critères de conception de cet ensemble. Pour cela, des réunions ont été organisées entre les kayakistes, les formateurs, les entraîneurs et les scientifiques afin d’établir un cahier des charges pour concevoir un nouvel ergomètre de kayak et son instrumentation associée.

1.4.1 Identification des paramètres à mesurer

Les élites kayakistes, les entraîneurs et les scientifiques utilisent des ergomètres à des fins d’entrainement, d’expertise des qualités physiques et d'analyse des coordinations gestuelles dans un environnement contrôlé.

Ces études reposent sur le recueil de trois familles de paramètres, i) Les paramètres cinématiques et cinétiques. Cela suppose d’acquérir au cours du temps, les mouvements segmentaires du kayakiste, de la pagaie et du bateau ; ii) Les paramètres dynamiques obtenus par la mesure de l’ensemble des efforts d’interactions athlète/bateau, athlète/pagaie, pagaie/eau et bateau/eau ; iii) et en dernier lieu d’autres facteurs externes prenant en compte les conditions environnementales, indispensables si l’on souhaite procéder à des simulations prédictives d’une performance.

i) Les Paramètres cinématiques. Ces paramètres caractérisent les déplacements linéaire et

angulaire des segments corporels, ceux de la pagaie et du bateau et la pagaie. Certaines études utilisent des caméscopes [34, 35, 36] ; d’autres [20, 21, 22, 23, 24, 29] disposent de systèmes plus complets, optoélectroniques de capture d’image composés de plusieurs caméras. Sensibles au rayonnement infrarouge, ces dispositifs sont principalement employés dans les laboratoires. Des marqueurs rétro-réfléchissants sont disposés sur des points anatomiques de l’athlète (centre articulaire), et ils doivent être détectés par au moins deux caméras pour

30 calculer la cinématique articulaire. Cela suppose, que ces marqueurs soient vus sur toute la durée de la scène filmée. Par conséquent, la structure de l’ergomètre, comme celle du bateau ne doit pas occulter ces marqueurs ; ceci est particulièrement vrai pour capturer la cinématique des membres inférieurs.

De nouvelles techniques se développent actuellement, comme les systèmes

électromécaniques, MEMS appelés classiquement centrales inertielles. Ces capteurs connaissent un développement important et supposent encore quelques phases de développement. Ils seront très utiles en particulier pour les mesures en bateau.

Concernant la cinématique du bateau, celle-ci peut être décrite à travers six degrés de liberté. Peu étudiée en kayak, cette cinématique a surtout été étudié pour l’activité aviron [37, 38, 39]. Il est en effet important d’évaluer l’influence des mouvements de lacet, de tangage et de roulis du bateau sur l'efficacité de la propulsion du bateau, et leur lien avec la technique du kayakiste et les conditions météorologiques.

ii) Les paramètres dynamiques. La mesure de ces derniers influence considérablement la

conception de l’ergomètre et bien entendu la mise en œuvre de la chaîne de mesure. En effet, nous avons souhaité pouvoir évaluer l’ensemble des interactions identifiées entre les systèmes ergomètre-athlète-pagaie. De plus, la chaîne de mesure doit pouvoir être installée dans le bateau pour des évaluations in situ.

Ainsi, le torseur dynamique de chaque système doit pouvoir être connu à chaque instant du mouvement. Par torseur nous entendons la résultante dynamique et la résultante du moment

dynamique définies respectivement par ∑ et ∑ . Ce torseur est dépendant de la

cinétique des systèmes étudiés, exprimée par le Principe Fondamental de la Dynamique et le théorème du moment cinétique :

(1)

où et sont la masse du système et l'accélération de son centre de gravité. et

(2)

31 L’étude bibliographique et la concertation conduite avec les acteurs sportifs nous a permis d’identifier qu’en termes de forces à mesurer en 3D, nous devions retenir :

- , forces appliquées à la pagaie par les mains droite et gauche ;

- , forces appliquées sous les pieds droit et gauche ;

- , , les forces appliquées sur le siège, à droite et à gauche respectivement. La difficulté de dissocier ces deux forces nous conduira à les mesurer globalement.

Donc, pendant le pagayage, les forces extérieures qui agissent sur chaque système Athlète (Equation. (3)), Bateau (Equation (4)) et pagaie (Equation (5)) sont :

! ! ! ₍₃₎

" # $ % # $ # $ ₍₄₎

& ₍₅₎

où , , , et , sont les forces appliquées aux pales droite et gauche,

aux pieds droit et gauche et sur le siège. , _!, _{# $} , , _!, _{# $} et

, !, # $ représentent les masses, les accélérations des centres de gravité et les poids

de chaque sous système : pagaie, athlète et bateau. et _" définissent respectivement les forces de résistances aérodynamique et hydrodynamique. & est la force de propulsion (action de l’eau sur la pagaie) et enfin %' la poussée verticale exercée sur le bateau immergé. Associés à ces mesures de forces résultantes, il s’agira de connaitre la position de leur point d’application afin de déterminer leur moment respectif.

iii) Les paramètres environnementaux en kayak sont liés aux conditions météorologiques

locales, comme les températures de l’air et de l’eau, la pluviométrie ou l’ensoleillement. De plus, des paramètres psychologiques peuvent être liés à la présence d'un auditoire ou d’autres kayakistes. Wellner et al. [40] ont étudié les effets émotionnels et de motivation dans un scénario d'aviron virtuel : trois participants sur dix ont montré des améliorations significatives dans leur fréquence de pagayage. Cependant, à notre connaissance, aucun de ces effets ne peuvent être quantifié de manière fiable.

32 En termes de bilan, le Tableau 1 répertorie les paramètres présélectionnés lors d’une analyse de la discipline de kayak du point de vue cinématique, dynamique ou environnemental.

Tableau 1: Paramètres pour l'évaluation du geste de pagayage en kayak

Spécification Type de paramètre

Rotation du tronc (mouvements relatifs des vertèbres thoraciques, de la ceinture scapulaire et du bassin).

Cinématique

Mouvement de pédalage (mouvement des membres inferieures). Cinématique Coordination temporelle de certains segments telle que celle entre

la rotation du thorax et du bassin.

Cinématique

Les amplitudes articulaires. Cinématique Rotation du bateau autour des axes verticale, longitudinale et

médio-latérale (correspondant au lacet, roulis et tangage).

Cinématique

Mesure de la vitesse de déplacement du bateau. Cinématique Efforts à la pagaie. Dynamique Efforts au siège. Dynamique Efforts au cale-pieds. Dynamique Resistances aérodynamique et hydrodynamique. Dynamique Masses du bateau, du kayakiste et de la pagaie. Dynamique Présence du public. Environnemental Présence d’autres kayakistes. Environnemental Paramètres météorologiques. Environnemental

Cependant, certaines de ces variables ne seront pas prises en compte lors de la conception de l’ergomètre en raison de leur difficulté à les simuler comme les mouvements de roulis, de lacet et de tangage du bateau ou des limites que nous nous imposons par la non prise en compte des paramètres environnementaux.

1.4.2 Paramètres retenus suivant les conditions: ergomètre ou bateau

Le défi plus contraignant, qui constitue le principal développement de ce travail de thèse a été de repenser l’ensemble de la chaîne de mesure afin de ne retenir que les principaux paramètres suivant les conditions de pratique sur ergomètre ou en bateau. Pour cela plusieurs réunions/discussions ont eu lieu, intégrant des kayakistes dont un champion du monde, des

33 biomécaniciens et des ingénieurs. De ces rencontres a été établi le Tableau 2 qui précise, en fonction des conditions expérimentales, ergomètre ou bateau, les paramètres mesurés et l’emplacement où les capteurs devront être intégrés.

Par ailleurs, comme nous l’avons souligné dans l’introduction de ce mémoire, cette chaîne de mesure tridimensionnelle devra être amovible pour être installée dans un bateau. Les paramètres suivants ont été choisis pour le développement de l’instrumentation sur l’ergomètre et pour être mesurés en condition écologique référencée bateau.

Tableau 2 : Paramètres retenus et positionnement des capteurs pour l'évaluation du geste de pagayage en kayak suivant les conditions ergomètre/bateau

Paramètre retenu Point de mesure Condition

Mesure dissociée droit/gauche des efforts exercés sur la pagaie.

Centre de pression du contact Mains droite et gauche à la pagaie

Ergo/Bateau

Mesure dissociée droit/gauche des

efforts exercés sur les cale-pieds. Contact entre le pied et le cale-pied Ergo/Bateau Mesure des efforts sur le siège. Contact entre les fesses et le siège Ergo/Bateau

Mesure de la vitesse de

déplacement du bateau. Contact entre le bateau et l’eau Bateau Mesure de la force de traction du

filin. Contact entre le filin et les oreilles Ergo Mesure des efforts exercés lors du

déplacement du chariot. Contact entre l’élastique et le chariot Ergo Mesure de la vitesse de rotation du

volant d’inertie. Axe de rotation du volant Ergo

Mesure du couple entre les côtés

droit et gauche. Axe de rotation du volant Ergo

Mesure du déplacement des

glissières. Liaison entre le filin et les oreilles Ergo

Le choix d’utiliser la même chaîne de mesure, outre le facteur coût évident, a été motivé par la nécessité d’éviter une variabilité des résultats qui pourraient être due à la mise en œuvre d’une deuxième chaîne de mesure. Pour réaliser cela, un cahier des charges a été élaboré (Voir Chapitre 2) avec la société Sensix pour le développement de cinq capteurs d’effort à six composantes étanchéifiés pour la mesure des efforts tels que décrits au Tableau 2. L’étendue de mesure pour chaque capteur est définie à partir de la revue bibliographique.

1.4.3 Les modificatio Une première version d’un erg la société ETINDUS. Cet ergo qui roule d’avant en arrière s développé dans le travail de th filins mettant en rotation un ar résistance hydrodynamique. piézoélectriques unidirectionn siège/chariot et cale-pieds/char liaison du chariot avec le bâti.

Figure 16 : Ergomètre Etindus enregistrent les efforts crées au ni

représen

Forts de cette expérience renf modifier profondément ce pre aux enjeux d’une analyse scie ligne en intégrant les param conception sont présentées ci-a Tout d’abord nous avons sou Poitiers-B » soit démontable p forme tubulaire facilement em conçue pour recevoir des équip

18) sur lequel sont disposés l’a déplacer sur le bâti vers l’a

ifications apportées à la conception de l’erg rgomètre kayak a été conçue sur la base d’un d gomètre est composé d’un chariot mobile équip

sur deux rails sous l’action d’un élastique d thèse de M. Begon en 2006, d’une pagaie relié arbre sur lequel est fixé un frein aérodynamiq e. Cependant, l’instrumentation se limitait

nnels (axe longitudinal de l’ergomètre) disp hariot (Figure 16). Un capteur de force mesurait

tindus (Poitiers-A) modifié (Copyright Begon, 2007). Des cap es au niveau des pales, pieds, siège et de la liaison entre le eprésentant le kayak. (Rapport interne CAIPS/FFCK)

enforcée par les données bibliographiques, no premier ergomètre pour disposer d’un outil ca cientifique la plus exhaustive possible de l’ac amètres tels que décrits précédemment. Les

après.

souhaité que le nouvel ergomètre dénommé « e pour être facilement transporté sur les lieux d emboitable, la structure extrêmement rigide

uipements tels que le chariot réalisé en carbone l’assise et le cale-pieds. Quatre roues permette l’avant à chaque coup de pagaie ; un élast

34 e l’ergomètre

dispositif réalisé par uipé de quatre roues, de rappel (principe eliée au bâti par deux ique pour simuler la ait à des capteurs isposés à l’interface rait la force élastique,

Des capteurs de force le bâtit et le chariot

nous avons souhaité capable de répondre ’activité de kayak en es modifications de é « Ergomètre kayak x d’entrainement. De de (Figure 17) a été ne (Figure 17, Figure ttent au chariot de se astique de rappel le

35 repositionne lorsque la pagaie n’est plus active. De plus, un ajustement de la distance entre l’assise et le cale-pieds est possible pour s’adapter à la morphologie des kayakistes.

Figure 17 : Chariot mobile sur le bâti de l’ergomètre

Figure 18 : Chariot muni de quatre roues pour assurer son déplacement

De profondes modifications ont été apportées au niveau du dispositif de frein, de la liaison pagaie/bâti par l’intermédiaire des filins, et de l’implémentation de capteurs. Des poulies sont placées soigneusement afin de conserver un angle de tire de la corde à 180° ou 90°. Ce placement des poulies nous permettra d’établir et de valider plus facilement les modèles théoriques.

En premier lieu, le frein aérodynamique a été associé d’un frein magnétique pour augmenter la résistance. Cet ajout permet la réalisation d’exercices de musculation spécifique appelés par les entraîneurs « développement de l’endurance de force ». Puis deux « oreilles » rabattables sont équipées de glissières sur lesquelles se déplacent les éléments C1 et C2 (Figure 19) sous l’action produite par le kayakiste sur la pagaie

Figure 19 : Glissières placées sur les « pen

Par ces déplacements, on assu situation bateau. De plus, à positionné pour quantifier la f installée sur le bâti est plus c l’extrémité des deux « oreilles l’élastique qui relie le chariot a (B sur la Figure 20), des codeu

Figure 20 : Nouvelle version de l’erg capteur de force un

sur les « oreilles » de l’ergomètre, afin de maintenir la force pendant la phase de traction à angle droit

ssure une trajectoire de bout de pagaie voisine à chaque extrémité des « oreilles » un cap a force de traction (A sur la Figure 20). Enfin s complète. Outre l’ajout des capteurs de force lles », un capteur de force uniaxial mesure la ot au bâti, un capteur mesure le couple exercé s

eurs rotatifs évaluent la vitesse de rotation du v

de l’ergomètre kayak Potiers-B Instrumentée par : A) Un co force uniaxial B) un capteur couple-vitesse et un codeur rota

36

r la force exercée sur le filin

ine de celle créée en capteur de force est fin, l’instrumentation rces en S disposés à force de rappel de é sur l’axe de l’arbre

volant d’inertie.

A) Un codeur rotatif et un eur rotatif