Modélisation des coordinations posturales chez l'humain

par Vincent Bonnet

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal et génie informatique

Sous la direction de Philippe Fraisse et de Benoît Bardy.

Soutenue en 2009

à Montpellier 2 .

mots clés

• Coordinations posturales
• Contrôleur postural
• Humanoïdes
• Robotique -- Thèses et écrits académiques
• Robots humanoïdes -- Thèses et écrits académiques
• Mécanique humaine -- Thèses et écrits académiques

Résumé

L'objectif de ce travail est l'analyse systémique des coordinations posturales chez l'humain pour obtenir des modèles de connaissances pouvant traduire certaines caractéristiques physiologiques de nature biomécanique et neurobiologique. Les travaux de recherches concernant les coordinations posturales ont débuté dans les communautés de la biomécanique et des neurosciences il y a de nombreuses années et ont mis en évidence des patrons d'organisation posturaux complexes et non-linéaires chez l'homme. Dans ce travail, nous avons à partir d'une analyse biomécanique, montré que l'humain réalisait des mouvements supra-posturaux qui obéissent naturellement à certaines lois telles que le coût minimum en énergie ou le maintien du centre de pression à l'intérieur de sa base de support. En se basant sur ces observations, nous avons proposé le développement de modèles posturaux en boucle fermée à plusieurs degrés de description physiologique. Ces modèles représentatifs des caractéristiques musculo-squelettiques humaine et capables de rendre compte des phénomènes transitoires, nous ont permis de formuler-appuyer certaines hypothèses sur le fonctionnement du contrôle postural. Les modèles de connaissances proposés ont ensuite été identifiés et validés à partir de données expérimentales réelles issues de l'humain. Enfin, un modèle hors-ligne spécifique aux pathologies posturales observées chez des patients hémiplégiques est présenté et confronté à des données expérimentales.

Titre traduit

Modelling of the human postural coordination

Résumé

The work of this thesis contributes to the modelization of human postural coordinations. First, we per- formed a biomechanical analysis of a human supra-postural task. This analysis has shown that human postural coordination modes are governed by mechanical constraints, such as those resulting from main- tening balance or minimizing energy. Based on this analysis, two closed-loop models, with different levels of description in actuator dynamics and sensory feedback, have been developed to capture the complex postural behaviors observed in a head tracking task. Comparison with experimental results on humans shows the relevance of this modeling, since our musculoskeletal models are able to exhibit reasonably well the behavioral invariants observed in human postures. Finally, a biomechanical model is presented to capture the specific invariant observed with stroke patients and compared with real data.