Contribution à l'identification des paramètres géométriques et inertiels pour la modélisation dynamique du corps humain

Contribution to the identification of geometric and inertial parameters for the dynamic modelling of the human body

• Auteur / Autrice : Bertrand Bru
• Direction : Guillaume Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Robotique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Cinématique

Biomécanique

Mécanique humaine

Modèles mathématiques

Résumé

La personnalisation de modèles biomécaniques du corps humain est primordiale car ils permettent, par exemple, le développement d’outils pour l’évaluation des patients dont les pathologies affectent leurs mouvements. Les tables anthropométriques couramment utilisées ne permettent pas une individualisation des paramètres inertiels segmentaires (PIS) spécifiques à chaque individu. L’identification, notion élaborée par les roboticiens, constitue une alternative à ce problème mais son application chez l’être humain reste difficile et les premières tentatives n’ont pas été concluantes. Une méthode de localisation des axes instantanés de rotation (AIR) a été développée. Contrairement aux autres méthodes qui déterminent la position de l’AIR par l’intermédiaire du centre de rotation et d’un vecteur directeur, cette méthode permet de localiser l’AIR sans faire d’hypothèse sur la nature de l’articulation, et de déterminer les translations le long de cet axe. La procédure d’identification externe des PIS repose sur la formulation des équations du mouvement. Cette méthode consiste à mettre en relation les forces et les moments résultants enregistrés par une plateforme de force avec la cinématique des segments. L’identification se fait à l’aide d’une minimisation au sens des moindres carrés. Après avoir été validée à l’aide de simulation d’un système composé de trois solides, la méthode d’identification a permis l’estimation des PIS personnalisés des segments du membre supérieur de sujets humains. Ce travail a permis l’obtention d’un modèle biomécanique propre à chaque sujet étudié. Cette procédure a l’avantage de n’utiliser que des systèmes classiquement utilisés en analyse du mouvement

The development of personalised biomechanical models of the human body is fundamental in motion analysis because they allow, for example, the development of tools for evaluating patients whose movements are affected by their pathologies. The anthropometric tables currently used do not allow for the individualisation of body segment parameters (BSP) specific to each person. Identification, a concept developed in robotics, constitutes an alternative solution to this problem but its application to the human body is complex and initial attempts were unsuccessful. A new method for locating the instantaneous axis of rotation (IAR) has, therefore, been developed. Contrary to other methods, which represent the IAR as a centre of rotation and a direction vector, this method enables the estimation of the IAR position without making any assumptions about the kind of joint that is modelled. Moreover, this method allows the translation along the axis to be determined. The identification procedure of the BSP was possible through a reformulation of the equations of motion. This method links the resulting forces and moments acquired from a force plate with the kinematics of the body. The BSPs are obtained by solving the linear system in a least square sense. After being tested within the context of simulation of a system composed of three rigid bodies, the identification method was used to identify the personalised BSP of the body segments of the upper limb of human subjects. This work has allowed a biomechanical model to be obtained, which is specific to every subject who participated in the study. This procedure has the advantage of only requiring devices widely used in movement analysis