Dynamical synthesis and analysis of healthy and pathological human walking

par Alexandra Pimenta dos Santos

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Faïz Ben Amar et de Eric Desailly.

Soutenue le 27-11-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique / ISIR (laboratoire) .

Le président du jury était Franck Multon.

Le jury était composé de Philippe Thoumie.

Les rapporteurs étaient Laurence Chèze, Philippe Fraisse.

  • Titre traduit

    Synthèse dynamique et analyse de la marche humaine saine et pathologique


  • Résumé

    Les enfants atteints de paralysie cérébrale présentent souvent des troubles de la locomotion. La chirurgie orthopédique vise à améliorer la marche de ces enfants. La perspective de ce travail est de simuler ces effets.Dans ce sens, un modèle anthropométrique 3D représentant un humain, avec des pieds articulés, est développé. La marche est simulée avec une technique d’optimisation LQP, sous contraintes. Les simulations sont réalisées dans le simulateur dynamique multi-corps XDE.Trois types de contact pied-sol sont implémentés. La marche humaine non pathologique est générée avec les déroulements de pieds standards. Des données issues de la capture du mouvement sont utilisées afin d’améliorer les allures de marche générées. Des vitesses de marche et des longueurs de pas supérieures à celles généralement obtenues avec des robots humanoïdes marchant avec des pieds plats sont atteintes. Ces valeurs, ainsi que la cinématique du plan sagittal, sont proches de celles rencontrées chez l’humain. Les deux autres contacts pied-sol développés concernent la marche sur la pointe des pieds et pieds plats avec déroulement du talon. Différentes longueurs de pas et vitesses de marche sont atteintes pour ces deux types de contact. L’effet virtuel de la modification des limites articulaires est testé sur les marches non pathologiques et sur la pointe des pieds. Le système de simulation développé permet de générer des allures de marche en tenant compte de ces modifications. Dans certains cas, les marches générées reproduisent certaines caractéristiques des marches des enfants atteints de paralysie cérébrale.Des limites et des perspectives de l’approche développé dans ce travail sont discutés.


  • Résumé

    Children with cerebral palsy generally develop gait impairments. Orthopaedic surgery aims to improve the gait and the function of those children by specific procedures. The perspective of this work is to simulate their effects. In order to do that, an anthropomorphic 3D human model with an articulated foot is developed. A task-oriented Linear Quadratic Programming is used to dynamically simulate walking through constrained optimization. The motion is simulated in the multibody dynamics XDE framework. Three different patterns of foot contacts with the ground are implemented. Asymptomatic human walking is first generated with all the normal foot rockers. Experimental data from motion capture systems is used to improve the generated gait patterns. Greater walking speeds and step lengths than usually obtained with flat feet humanoid robots are simulated. They are close to those of healthy human walking, as well as sagittal kinematics. Dynamical data stay within the magnitudes encountered in human walking. Toe walking and flat feet walking with heel off motion, currently observed in children with cerebral palsy, are the two other developed patterns. Different steps lengths and walking speeds are possible for these two types of motion. The virtual effect of modifying joint limits constraints is tested on different asymptomatic or toe walking simulations. The developed simulation system is able to deal with these changes and to produce walking motions. In some cases, the generated gait patterns reproduce features of cerebral palsy children's walking. Limits and perspectives of this dynamic simulation approach are extensively discussed.


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