Analyse et simulation des mouvements optimaux en escalade

Analysis and Simulation of Optimal Motions in Rock Climbing

• Auteur / Autrice : Simon Courtemanche
• Direction : Lionel Reveret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 20/10/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : James L Crowley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Quaine, Thomas Robert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Grisoni, Franck Multon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Simulation, Méthodes de

Recherche linéaire (optimisation mathématique)

Mécanique humaine

Escalade sur paroi artificielle

Escalade libre

Activité motrice

Analyse du mouvement

Mots clés libres

Graphique 3D

Analyse de mouvement

Escalade

3D Graphics

Motion analysis

Climbing

Biomécanique

Capture de mouvement

Dynamique Inverse

Biomechanics

Motion capture

Inverse Dynamics

Résumé

À quel point les mouvements humains sont-ils optimaux ? Cette thèse aborde cette question en se concentrant particulièrement sur les mouvements en escalade, étudiés ici sous trois aspects complémentaires que sont la collecte expérimentale de séquences de grimpe, l'analyse biomécanique de ces données, et la synthèse de gestes par optimisation temporelle. La marche fut l'objet de nombreux travaux, avec de bons résultats notamment en animation [Mordatch 2013]. Nous nous intéressons ici spécialement au problème original des mouvements d'escalade, dont la diversité et leur caractère multicontact présentent une complexité intéressante pour l'évaluation des caractéristiques du mouvement humain. L'hétérogénéité du répertoire gestuel rencontrée en escalade s'explique par plusieurs facteurs que sont l'évolution sur des parois de formes variées, la multiplicité des niveaux d'expertise des pratiquants, et des disciplines différentes au sein même de l'activité, à savoir le bloc, la difficulté, ou encore l'escalade de vitesse. Notre démarche d'exploration de ce sport se décompose en trois étapes : la collecte de données par une capture de mouvements multicaméra avec marqueurs, couplée à un ensemble de capteurs de force montés sur un mur de bloc en laboratoire ; une analyse du geste par dynamique inverse, prenant exclusivement des données cinématiques pour entrées, basée sur une minimisation des couples internes pour résoudre l'ambiguïté du multicontact, intrinsèque à l'activité d'escalade, validée par comparaison avec les mesures capteurs ; et enfin, l'utilisation d'un critère d'efficacité énergétique pour synthétiser la meilleure temporisation associée à une séquence de déplacements donnés. Les enregistrements expérimentaux se sont fait à l'université McGill qui dispose d'un mur instrumenté de 6 capteurs de forces, et d'un dispositif de capture de mouvements 24 caméras, nous ayant permis de collecter des données sur une population de 9 sujets. L'analyse de ces données constitue la deuxième partie de cette thèse. Le défi abordé est de retrouver les forces externes et les efforts internes à partir uniquement des déplacements du grimpeur. Nous supposons pour cela une répartition optimale des efforts internes. Après analyse, cette répartition s'avère être plutôt uniforme que proportionnelle aux capacités musculaires des différentes articulations du corps. Finalement, dans une troisième et dernière partie, nous nous intéressons à la temporisation des gestes en escalade, en prenant en entrée la trajectoire du grimpeur, éventuellement issue de cinématique inverse pour s'affranchir de la nécessité d'une capture par marqueurs et caméras infra-rouges. En sortie, une temporisation idéale pour cette trajectoire est trouvée. Cette temporisation s'avère réaliste, mais manque d'une modélisation des instants d'hésitation et de prise de décision, ainsi que d'un modèle d'établissements de contact, phénomène présentant un délai temporel non pris en compte pour l'instant.

How optimal are human movements ? This thesis tackles this issue by focusing especially on climbing movements, studied here under three complementary aspects which are the experimental gathering of climbing sequences, the biomechanical analysis of these data, and the synthesis of gestures by timing optimization. Walking has been largely studied, with good results in animation [Mordatch 2013]. We are interested here especially in the original question of climbing motions, whose diversity and multicontact aspect present an interesting complexity for the evaluation of the human motion characteristics. The heterogeneity of climbing gestures can be linked to several factors which are the variety of wall shapes, the multiplicity of climber skill levels, and different climbing categories, namely bouldering, route climbing or speed climbing. Our exploratory approach of this sport consists in three steps: the data collection by multicamera marker-based motion capture, combined with a set of force sensors mounted on an in-laboratory bouldering wall; a gesture analysis by inverse dynamics, taking only kinematic data as inputs, based on the minimization of internal torques to resolve the multicontact ambiguity, intrinsic to the climbing activity, validated by comparison with sensor measurements; and finally, the use of the energy efficiency criterion for synthesizing the best timing associated with a given sequence of movements. Experimental recordings were made at McGill University which has a climbing wall instrumented of 6 force sensors, and a motion capture device of 24 cameras, which allowed us to collect data on a population of nine subjects. The analysis of these data is the second part of this thesis. The addressed challenge is to find the external forces and internal torques from the climber's movements only. To this end we assume an optimal distribution of internal torques. After analysis, the distribution turns out to be rather uniform than proportional to the muscle capacity associated to each body joint. Finally, in a third and last part, we focus on the timing of climbing gestures, taking as input the path of the climber, possibly after inverse kinematics in order to overcome the need for a capture with markers and infrared cameras. As output, an optimal timing for this path is found. This timing is realistic, but lacks of a modelization for hesitation and decision making instants, as well as a model for the contact establishment, with the associated temporal delay currently not taken into account.