L étude du mouvement humain : de la mécanique du geste à la conscience de l action. Bruno Watier

Transcription

1 L étude du mouvement humain : de la mécanique du geste à la conscience de l action Bruno Watier

2 Définitions Bio: qui se rapporte à la vie. Biomécanique: Application de la physique à tout organisme vivant, à l étude des forces générées ou subies par l organisme et de leurs effets sur son mouvement ou ses déformations.

3 Définitions Roy (1992) définit la biomécanique comme la science qui relie les forces internes et externes aux corps humains ainsi que les effets produits par ces forces.

4 Définitions Nous vivons dans un univers soumis à un certain nombre de règles et de principes qui régissent le mouvement de tous les corps. Le corps humain faisant partie de cet univers, il est soumis à ces mêmes lois. On peut donc examiner le mouvement du corps humain de la même façon que la physique mécanique examine le mouvement général de tous les corps (fusée, voiture, ) en faisant appel aux mêmes lois, les mêmes concepts et en utilisant les mêmes méthodes.

5 Définitions Mécanique: Etude du comportement des corps solides, liquides ou gazeux lorsque différentes actions, appelées forces, s exercent sur eux. La mécanique Newtonienne se divise en deux parties essentielles: Cinématique: Etude des mouvements en fonction du temps sans se préoccuper des causes de ces mouvements Dynamique: Etude des relations entre les mouvements et leurs causes.

6 Un peu d histoire! Archimède ( av J.C.) Mathématicien < π < 7 3 Parabole Spirale

7 Archimède ( av J.C.) Mécanicien Principe d Archimède: tout corps plongé dans un fluide reçoit une poussée,

8 Archimède ( av J.C.) Mécanicien Miroirs Roue et vis sans fin

9 Archimède ( av J.C.) Mécanicien Centre de gravité LEVIER

10 Un peu d histoire! Aristote ( B.C.) S'intéresse à l'étude du mouvement chez l'animal et chez l'homme. Description de la marche humaine. Établit une comparaison entre les leviers et les segments corporels.

11 Un peu d histoire! Galilée ( ) Mathématicien, physicien et astronome Inventeur de la méthode expérimentale en sciences

12 Galilée ( ) astronome Système solaire de Galilée Procés Abjuration de Galilée

13 Galilée ( ) physicien Trajectoire parabolique Animation

14 da Vinci, Leonardo ( ) Artiste, ingénieur et scientifique. S'intéresse à l'anatomie comme science. Il étudie les problèmes reliés à l'équilibre et aux notions de centre de gravité en plus d'aborder la locomotion et la posture humaine de même que certains gestes quotidiens: s'asseoir, se lever, etc. Ses premières expertises sur l'étude du vol des oiseaux ont fourni les fondements de l'aérodynamique.

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18 Un peu d histoire! Borelli ( ) De motu animalium 1680

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23 Un peu d histoire! Newton, Isaac ( ) Mathématicien, physicien et astronome 3 lois de Newton Calcul différentiel

24 Newton, Isaac ( ) Mathématicien, physicien et astronome corollaire 2 Livre I «De ce principe (principe des leviers), il est aisé de déterminer les forces exercées par les tendons sur les os pour créer le mouvement»

25 Un peu d histoire! Muybridge, E. ( ) & Marey, J. ( ) Ces deux scientifiques furent véritablement les pionniers de l'utilisation de la photographie comme moyen d'observation du mouvement humain et animal.

26 Un peu d histoire! Muybridge, E. ( ) & Marey, J. ( )

27 Muybridge, E. ( ) & Marey, J. ( )

28 Muybridge, E. ( ) & Marey, J. ( )

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30 Quelques animations Animal Marche Course

31 De nos jours! Approche quantitative: décrit et analyse le mouvement par l utilisation de données numériques. Les données sont recueillies au moyen d instrumentations diverses (caméras, plateformes de force, accéléromètres, ). Les mesures de déplacement, vitesse, accélération et de force sont obtenues directement ou sont dérivées de données initiales.

32 Etude du mouvement Approche quantitative: cette approche nécessite cependant une instrumentation complexe et sophistiquée comme des caméras haute fréquence et des systèmes d acquisition vidéo qui limitent les milieux d étude et les mouvements possibles à cause de contraintes techniques comme l éclairement. Cette approche très technique permet ensuite la publication de résultats dans des revues scientifiques

33 Les matériels utilisés pour l approche quantitative Analyse cinématique: Caméra vidéo Accéléromètre Motion capture Système laser Système ultrason Système magnétique

34 Analyse cinématique par système vidéo

35 Système vidéo

36 Analyse cinématique par système vidéo Vitesse (m.s-1) vitesse 0 EXP 100m NOV 100m EXP 800m NOV 800m Angle cuisse-jambe EXP 100m NOV 100m EXP 800m NOV 800m

37 Analyse cinématique par système vidéo

38 Analyse cinématique par système vidéo Problème: Précision (dépend de la résolution des caméras) Fréquence d acquisition (normalement 25Hz soit une image tous les 0,04 secondes) Au tennis, une balle reste en contact avec la raquette 7ms et à 200 km/h, elle parcourt plus de 2 mètres en 0.04 secondes On trouve cependant des caméras allant de 25 à 5000 Hz.

39 Accéléromètre

40 Accéléromètre Problème: Précision Sensibilité Peu utilisé en biomécanique

41 Dispositif de motion capture

42 Dispositif de motion capture

43 Dispositif de motion capture

44 Dispositif de motion capture

45 Dispositif de motion capture Problème: Coût Très utilisé

46 Dispositif ultrasons Problème: Interférence sonore Précision Connexion

47 Approche quantitative Mesure des forces: Plateforme de forces Capteurs de force

48 Mesure des forces Plateforme de forces

49 Plateforme de forces

50 Capteurs de force Mesure des forces

51 Approche quantitative Mesure de l activité musculaire: EMG (électromyographie)

52 Activité musculaire par EMG

53 Activité musculaire

54 Activité musculaire par EMG Problème: Impossible de déterminer l activité des muscles profonds NE DONNE PAS LA VALEUR DE LA FORCE MUSCULAIRE

55 Approche quantitative Modélisation: Par éléments finis (EF) Solide rigide

56 Modélisation Bassin soumis à un choc latéral pendant la conduite t = 0 ms t = 38 ms t = 12 ms

57 Modélisation

58 Modélisation Problème: Très complexe à mettre au point Nécessite des phases de validation expérimentale Très utilisé

59 Applications Biomécanique Ergonomie Médecine Robotique Sport Optimisation de la conception des postes de travail Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception de prothèses et Etude du mouvement pour sa reproduction par des machines Compréhension du geste Amélioration de la performance Adaptation du matériel orthèses

60 ERGONOMIE Optimisation d un cockpit d avion en fonction des mouvements Douleurs de dos Analyse de taches Calcul des efforts

61 ERGONOMIE

62 ERGONOMIE

63 Applications Biomécanique Ergonomie Médecine Robotique Sport Optimisation de la conception des postes de travail Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception de prothèses et Etude du mouvement pour sa reproduction par des machines Compréhension du geste Amélioration de la performance Adaptation du matériel orthèses

64 Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception d implants

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67 Applications Biomécanique Ergonomie Médecine Robotique Sport Optimisation de la conception des postes de travail Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception de prothèses et Etude du mouvement pour sa reproduction par des machines Compréhension du geste Amélioration de la performance Adaptation du matériel orthèses

68 Animation cinématographique Reproduction du mouvement par des machines

69 Robotique humanoïde bio-inspirée Quelques progrès à réaliser

70 Robotique humanoïde bio-inspirée

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72 Applications Biomécanique Ergonomie Médecine Robotique Sport Optimisation de la conception des postes de travail Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception de prothèses et Etude du mouvement pour sa reproduction par des machines Compréhension du geste Amélioration de la performance Adaptation du matériel orthèses

73 Compréhension du geste Amélioration de la performance Adaptation du matériel

74 Démarche en Biomécanique Pour l amélioration de la performance et la minimisation des risques de traumatismes, il est primordial de déterminer les limites du corps humain et particulièrement du système musculo-squelettique (os, muscles, ligaments, ).

75 Connaissance cinématique du corps humain Détermine les limites physiologiques du mouvement du corps humain (amplitude maximale, vitesse maximale, )

76 Connaissance cinétique du corps humain Détermination des limites de contraintes admissibles par le corps humain Efforts musculaires Efforts ligamentaires Efforts osseux

77 Qu est-ce qu une articulation? Liaison entre 2 os (au moins) Fonctions: Structure rigide (bâti) Mobilité (pour répondre à des besoins) membre inf = marcher membre sup = manger tête = voir etc... Protection cage thoracique / cœur poumons colonne vertébrale / Moelle épinière

78 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse surfaces articulaires = guide du mouvement Surfaces articulaires

79 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse surfaces articulaires = guide du mouvement Rotation

80 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse surfaces articulaires = guide du mouvement

81 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse surfaces articulaires cartilage ( frottement) liquide synovial Pièce d usure

82 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse Ligaments maintien de l articulation (stabilité) guide du mouvement freins Ligaments

83 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse Ligaments maintien de l articulation (stabilité) guide du mouvement freins Insertion Lig Lat Ligne d action

84 Qu est-ce qu une articulation? Structure osseuse Ligaments Muscles participe au maintien (ex épaule) Moteur

85 Articulation = cinématique tridimensionnelle complexe Qu est-ce qu une articulation?