Contribution à la modélisation, l'analyse et la simulation du pédalage en cyclisme sur piste

Contribution to the modeling, analysis and simulation of pedaling in track cycling

• Auteur / Autrice : Paul Labat
• Direction : Floren Colloud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBHGC Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak

Mots clés

Mots clés libres

Biomécanique

Cyclisme

CInématique

Dynamique

Biomechanic

Cycling

Kinematic

Dynamic

Résumé

Le cyclisme sur piste est une discipline Olympique comprenant plusieurs épreuves. Le très haut niveau de concurrence stimule l'innovation au sein des différentes nations. Lors de la phase de départ, les athlètes utilisent une technique de pédalage spécifique en position de « danseuse » pour maximiser la production d'une force efficace au niveau des pédales afin de générer une accélération la plus importante possible sur les 250 premiers mètres. A l'heure actuelle, la majorité des travaux de recherche sur le pédalage a été réalisée en laboratoire sur ergocycle à inertie en utilisant des systèmes de capture du mouvement de type Vicon et EMGs sur le membre inferieur [1]–[5]. Cependant, l'un des enjeux principaux est d'analyser précisément la cinématique globale (haut du corps compris) de l'individu en condition écologique dans l'objectif d'améliorer sa performance en compétition. L'objectif de la thèse est d'analyser, de modéliser et de simuler le pédalage dans sa globalité (haut du corps compris) en condition écologique de terrain afin d'améliorer la performance des cyclistes sur piste et de prévenir les blessures. La thèse s'inscrit dans le développement d'une collaboration déjà en place entre les co-directeurs de thèses : Floren Colloud (Institut de Biomécanique Humaine Gorges Charpak, ENSAM Paris) et Sylvain Dorel (laboratoire Motricité Interaction Performance, Nantes Université) et la Fédération Française de Cyclisme (FFC) et sa cellule Recherche & Performance basée au vélodrome national de Saint-Quentin en Yvelines (Iris Sachet et Emmanuel Brunet) et enfin Paul Fisette (Université Catholique de Louvain, Belgique). L'analyse et la simulation du corps entier lors du pédalage en condition écologique de pratique constitue l'originalité majeure de notre approche. En effet, elle devrait apporter des éléments concrets d'aide à la décision pour les entraineurs et les athlètes dans les domaines touchant au positionnement sur le vélo et aux réglages de l'interaction athlète-vélo. Le modèle multicorps dynamique mis en place au cours de la thèse sous Robotran, sera basé sur l'analyse des données expérimentales réalisées par la FFC au cours du projet THPCA 2024. La thèse est dans la continuité de mon stage de Master 2 de recherche en Biomécanique dont l'objectif principal est d'acquérir et d'analyser la cinématique du cycliste lors du départ en cyclisme sur piste. Les résultats expérimentaux de mon stage seront utilisés pour alimenter notre modèle. Cette modélisation sera personnalisée aux caractéristiques anthropométriques des athlètes en utilisant les mesures issues de tests isocinétiques, d'extensibilité musculaire et d'examens EOS. Notre modèle dynamique de l'ensemble du départ devrait permettre de simuler rapidement l'impact de certaines variables d'entrée (position des pieds sur les pédales, angulation de manivelle au départ, largeur de guidon, action du haut du corps…) sur la performance et ainsi nous serons en mesure de déterminer une configuration à privilégier. Cette configuration sera validée par une campagne finale d'essais. La thèse devrait ainsi participer à apporter des gains de performance pour les championnats du monde de cyclisme de 2027 et lors des Jeux Olympiques de Los Angeles 2028.

Track cycling is an Olympic discipline comprising several events. The very high level of competition stimulates innovation among the different nations. During the start phase, athletes use a specific pedaling technique in the ''Standing'' position to maximize the production of efficient pedal force, in order to generate the greatest possible acceleration over the first 250 meters. Nowadays, most pedaling research has been carried out in laboratory on inertial ergocycles, using Vicon-type motion capture systems and EMGs on the lower limb [1]-[5]. However, one of the main challenges is to accurately analyze the overall kinematics (including upper body) of the individual in ecological condition, with the aim of improving his or her performance in competition. The aim of this thesis is to analyze, model and simulate pedaling in its entirety (including the upper body) in ecological field conditions, in order to improve the performance of track cyclists and prevent injuries. The thesis is part of an ongoing collaboration between thesis co-directors Floren Colloud (Institut de Biomécanique Humaine Gorges Charpak, ENSAM Paris) and Sylvain Dorel (Laboratoire Motricité Interaction Performance, Nantes Université) and the Fédération Française de Cyclisme (FFC) and its Research & Performance unit based at the Saint-Quentin en Yvelines national velodrome (Iris Sachet and Emmanuel Brunet), and Paul Fisette (Université Catholique de Louvain, Belgium). The major originality of our approach is the analysis and simulation of the whole body during pedaling under ecological conditions. In fact, it should provide concrete decision-support elements for coaches and athletes in areas relating to positioning on the bike and adjustments to athlete-bike interaction. The dynamic multi-body model set up during the thesis, using Robotran, will be based on the analysis of experimental data collected by the FFC during the THPCA 2024 project. The thesis is a continuation of my Master 2 research internship in Biomechanics, the main objective of which was to acquire and analyze the kinematics of the cyclist at the start in track cycling. The experimental results of my internship will be used to feed our model. This model will be customized to the anthropometric characteristics of the athletes, using measurements from isokinetic tests, muscle extensibility and EOS scans. Our dynamic model of the entire start should enable us to quickly simulate the impact of certain input variables (position of feet on pedals, crank angulation at start, handlebar width, upper body action, etc.) on performance, and so we'll be able to determine a preferred configuration. This configuration will be validated by a final test campaign. The thesis should thus contribute to performance gains for the 2027 Cycling World Championships and the Los Angeles 2028 Olympic Games.