Processus de morphotype adaptatif pour un ajustement ergonomique optimal et une modélisation du confort thermique des vêtements pour les personnes souffrant d’un handicap rachidien

Adaptive morphotype process for optimal ergonomic fit and thermal comfort modelling of garments for persons with spinal disabilities

• Auteur / Autrice : Sara Mosleh
• Direction : Pascal Bruniaux, Yan Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Soochow University (Suzhou, China)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Partenaire(s) de recherche : Université : Politecnico di Torino
• Jury : Président / Présidente : Imed Kacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Tartare, Jiazhen He
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Imed Kacem, Jun Li

Mots clés

Mots clés contrôlés

Patients

Scoliose

Ergonomie

Bien-être

Thermorégulation

Modèles mathématiques

Colonne vertébrale

Modélisation tridimensionnelle

Conception assistée par ordinateur

Vêtements

Handicapés

Mots clés libres

Confort thermique

3D adaptive model of skeleton

3D model of garment

Thermal comfort

3D ease allowance

Résumé

Ces travaux de recherche visent à concevoir un vêtement pour personnes handicapées en termes de confort ergonomique et thermique. Une nouvelle technique de conception pour développer un modèle global 3D adaptatif de vêtement à partir du squelette humain et de l'enveloppe anatomique de la personne est proposée en utilisant des technologies de numérisation 3D. Ce modèle global est composé d'un modèle de squelette, d'un modèle de vêtement connectés entre eux par l'enveloppe corporelle de la personne, et d’un modèle de régulation thermique. L'ensemble des paramètres du modèle global permettent de l'adapter au squelette de la personne, puis à ces formes corporelles afin de produire un vêtement confortable et performant. Le modèle de squelette a le pouvoir de s'ajuster à la morphologie et aux dimensions des os de la colonne vertébrale et du thorax, de contrôler les positions relatives de ces os dans les trois plans caractéristiques : sagittal, coronal et transversal. La personne souffrant de scoliose, il a été nécessaire de détecter avec précision le parcours 3D de la colonne vertébrale à partir des images d’un scanner médical EOS. Un modèle de détection de point de repère spécifique à chaque vertèbre est utilisé pour obtenir automatiquement la position des vertèbres calculée selon la hauteur et l'angle polaire 3D de chaque vertèbre. Les os du thorax suivent le parcours des vertèbres.Une fois le modèle du squelette ajusté à la personne, il permet alors de détecter les points anthropométriques et les contours morphologiques de celle-ci. Pour cela, le modèle a été placé dans l’enveloppe corporel de la personne issue d’un scanner 3D humain. La position des contours morphologiques est donnée par des repères reliés au squelette. Ces liens forts avec le squelette sont essentiels pour que le vêtement s'adapte automatiquement à l'évolution de la pathologie du patient dans le temps. A ce stade, nous avons pu connecter notre modèle graphique de vêtement, intégrant l’aisance 3D du vêtement, à ces données anthropométriques et morphologiques.Le contrôle de l’aisance 3D du vêtement est essentiel car il gère l'espace d'air entre le corps et le vêtement dans notre modèle de régulation thermique. Dans un contexte de confort thermique, un système de vêtements se compose du corps humain, d'une couche d'espace d'air sous les vêtements, d'une couche de tissu et d'une couche limite adjacente au tissu. De plus, pour un système complet, il faut considérer le transfert de chaleur de la peau à l'environnement, influencé par la thermorégulation du corps humain, l'entrefer, le tissu et les conditions environnementales. Le modèle de régulation thermique que nous avons proposé peut prédire le taux de transfert de chaleur et la température dans le vêtement, la peau et la lame d'air, ce qui, en optimisant la lame d'air, nous permet de maintenir le corps dans une situation de confort thermique.

This research aims to design a garment for people with disabilities in terms of ergonomic and thermal comfort. A new design technique for developing a 3D adaptive global garment model from the human skeleton and the anatomical shape of the person is proposed using 3D scanning technologies.This overall model is made up of a skeleton model, a garment model connected to each other by the person's body shape, and a thermal regulation model. All the parameters of the overall model make it possible to adapt it to the person's skeleton, then to these body shapes in order to produce a comfortable and efficient garment.The skeleton model has the power to adjust to the morphology and dimensions of the bones of the spine and thorax, to control the relative positions of these bones in the three characteristic planes: sagittal, coronal and transverse. For the person suffering from scoliosis, it was necessary to accurately detect the 3D path of the spine from the images of an EOS medical scanner. A specific landmark detection model for each vertebra is used to automatically obtain the position of the vertebrae calculated according to the height and the 3D polar angle of each vertebra. The bones of the thorax follow the path of the vertebrae. Once the skeletal model has been adjusted to the person, it then makes it possible to detect the anthropometric points and the morphological contours of the latter. For this, the model was placed in the body shape of the person resulting from a 3D body scanner. The position of the morphological contours is given by reference marks connected to the skeleton. These strong links with the skeleton are essential so that the garment automatically adapts to the evolution of the patient's pathology over time. At this stage, we were able to connect our graphic model of the garment, integrating the 3D ease of the garment, to these anthropometric and morphological data.The garment's 3D ease control is essential because it manages the air space between the body and the garment in our thermal regulation model. In the context of thermal comfort, a clothing system consists of the human body, a layer of air space under the clothing, a layer of fabric, and a boundary layer adjacent to the fabric. In addition, for a complete system, one must consider the heat transfer from the skin to the environment, influenced by the thermoregulation of the human body, air gap, tissue and environmental conditions. The thermal regulation model we have proposed can predict the rate of heat transfer and temperature in the garment, skin and air space, which by optimizing the air space allows us to maintain the body in a situation of thermal comfort.