Analyse biomécanique 3D de la marche humaine : comparaison des modèles mécaniques

3D biomechanical analysis of human walking : comparison of mechanical models

• Auteur / Autrice : Chris Hayot
• Direction : Patrick Lacouture, Sophie Sakka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et bio-ingéniérie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Modélisation tridimensionnelle

Locomotion humaine

Biomécanique

Résumé

Les modèles mécaniques simplifiés de la marche visent à étudier le comportement du marcheur en s'appuyant sur la trajectoire de son centre de masse. L'objet de cette thèse est d’analyser la précision de ces modèles en se référant à la modélisation plurisegmentaire de l'individu, et de proposer un modèle mécanique simplifié plus réaliste de la marche dans l'espace tridimensionnel. Une étude préliminaire de la théorie des déterminants de la marche est réalisée. L'influence de ces déterminants est évaluée d'une part sur la trajectoire du centre de masse et, d'autre part, sur la force d'appui au sol. Tenant compte des résultats issus de cette étude, une méthode originale de simulation de la trajectoire 3D du centre de masse est proposée. L'analyse énergétique-mécanique des différents modèles mécaniques simplifiés prolonge ces travaux. Cette analyse est dans un premier temps basée sur la trajectoire du centre de masse, abordant la formulation mathématique du travail des forces externes. L'étude des forces internes appliquées au système plurisegmentaire poursuit ensuite l'analyse énergétique-mécanique de la marche. Différentes formulations du calcul du travail des forces internes, toutes basées sur le Théorème de l'Energie Cinétique, sont développées. Ce chapitre souligne l'importance de dissocier le travail mécanique moteur du travail freinateur afin d'approcher le coût energetique-mechanique réel de la marche.

Simplified mechanical models of gait aim to analyze the walker behavior leaning upon the whole body center of mass trajectory. The purpose of this work was to (i) study the accuracy of those models in relation to the multilink modelling ; and (ii) propose a more realistic simplified mechanical model of human gait. A preliminary study of the gait determinants theory was realized. The respective contribution of gait determinants was firstly evaluated on the center of mass trajectory. Secondly, we evaluated their influence on the ground reaction force. Considering the results of this study, an original simplified mechanical model was proposed to simulate the 3D center of mass trajectory : the 3D Extended Inverted Pendulum (EIP3D) model. An energetic-mechanical analysis of different simplified mechanical models extended this study. First, the analysis was based on the center of mass trajectory, getting onto the mathematical formulation of external mechanical energy and external work. The study of internal forces applied to the multilink system then proceeded the energetic-mechanical analysis of gait. From the Kinetic Energy Theorem, different formulations of the internal work calculation were presented. This chapter underlined the significance to dissociate positive work from negative work to approach the actual energetic-mechanical cost of human gait.