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De l’expérimentation à l’étude dynamique et énergétique de mouvements humains

By Olivier Coussi

Abstract

A general methodology for dynamic motion analysis combining motion data acquisition and dynamic modeling is developed to determine all components of joint stress during human motion. The movements studied naturally obey the laws of the dynamics of multibody systems. These describe how joint forces, segment inertia, gravity and supporting forces combine to generate the observed movement. The calculation methods presented are based on the implementation of these laws, in order to carry out a quantitative analysis of the physical phenomenon that is movement, in terms of energy expended and effort delivered. Two distinct approaches are proposed to achieve two partially overlapping balances: a global analysis based on the use of the kinetic energy theorem and a local analysis that implements the classical laws of dynamics. The multi-resolution analysis technique by wavelet transformation is introduced for the processing and filtering of kinematic motion data acquired by optoelectronic systems. Three reference movements are analyzed: flexion-extension, walking in the sagittal plane and pedalling. The approach implemented contains the experimental means of validating the results obtained. The principles of optimal control theory are used to simulate optimal movements in the sense of a criterion for a flexion-extension movement whose duration is specified. Simulated optimal movements are compared to real movement in order to study the criteria of optimality when performing human movements.Une méthodologie générale d'analyse dynamique des mouvements associant acquisition de données sur le mouvement et modélisation dynamique est développée pour aboutir a la détermination de toutes les composantes d'efforts articulaires lors de mouvements humains. Les mouvements étudiés obéissent naturellement aux lois de la dynamique des systèmes multicorps. Celles-ci décrivent la manière dont se conjuguent les efforts articulaires, les inerties segmentaires, la gravite et les efforts d'appui pour engendrer le mouvement observe. Les méthodes de calcul qui sont présentées reposent sur la mise en œuvre de ces lois, afin de procéder a une analyse quantitative du phénomène physique qu'est le mouvement, en termes d'énergie dépensée et d'efforts délivres. Deux approches distinctes sont proposées pour aboutir a deux bilans se recouvrant partiellement : une analyse globale fondée sur l'utilisation du théorème de l'énergie cinétique et une analyse locale qui met en œuvre les lois classiques de la dynamique. La technique d'analyse multi-résolution par transformation en ondelettes est introduite pour le traitement et le filtrage des données cinématiques du mouvement, acquises par des systèmes optoélectroniques. Trois mouvements de référence sont analysés : la flexion-extension, la marche dans le plan sagittal et le pédalage. La démarche mise en place contient les moyens expérimentaux de validation des résultats obtenus. Les principes de la théorie de la commande optimale sont utilisés pour la simulation de mouvements optimaux au sens d'un critère pour un mouvement de flexion-extension dont la durée est spécifiée. Les mouvements optimaux simules sont comparés au mouvement réel afin d'étudier les critères d'optimalité lors de la réalisation de mouvements humains

Topics: Human mechanic, mathematical optimization, walking (locomotion), wavelets, Biomechanics modeling, ondelettes, Biomécanique et modélisation, Mécanique humaine, optimisation mathématique, marche (locomotion), [SPI.AUTO]Engineering Sciences [physics]/Automatic, [SPI.MECA.BIOM]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Biomechanics [physics.med-ph]
Publisher: HAL CCSD
Year: 1997
OAI identifier: oai:HAL:tel-02113880v1

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