L'objet de cette thèse est de proposer une méthode de calcul de la puissance mécanique développée par les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM) pour se déplacer sur le terrain. Cette méthode est basée sur un modèle mécanique 3D intégrant la cinématique des segments du Sujet et des éléments du FRM, et les efforts exercés par le Sujet sur le FRM. La vérification expérimentale de ce modèle a nécessité l'utilisation simultanée d'un système vidéographique 3D et d'un fauteuil roulant instrumenté (FRET-1) permettant la mesure des efforts appliqués par le Sujet sur le siège et sur les mains courantes du FRET-1 au cours d'un déplacement en ligne droite sur le plat. Les paramètres de résistance au roulement ont été calculés ainsi que la puissance dissipée par ces résistances. La puissance cinétique et la puissance du poids du système {Sujet + FRM} ont également été calculées puis utilisées pour calculer la puissance mécanique interne du système {Sujet + FRM}. La méthode présentée dans cette thèse ouvre des perspectives intéressantes en termes d'évaluation des capacités physiques des utilisateurs de FRM, d'optimisation des techniques de propulsion et d'amélioration de l'accessibilité des lieux publics et privés.

L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier, selon une approche intégrative, les facteurs intrinsèques et extrinsèques influençant les performances mécaniques et neuromusculaires lors d’exercices de sprint de courte durée sur ergocycle. La première étude a examiné l’effet du genre et le type d’exercice sur la reproductibilité des indices de la relation force-vitesse sur ergocycle. Les résultats ont révélé que la reproductibilité de la relation force-vitesse était plus élevée chez les hommes et au niveau des membres inférieurs comparativement respectivement aux femmes et aux membres supérieurs. La deuxième étude a investigué l’effet de deux charges (8,7 et 11% de la masse corporelle, BM) sur la reproductibilité des indices de puissance mécanique au court d’un test de Wingate. Les résultats ont révélé une reproductibilité comparable entre les deux charges. Cependant, la puissance était plus élevée à 11% BM. La troisième étude a comparé les indices de puissance de la relation force-vitesse et du test de Wingate selon l’aptitude anaérobie des sujets. Les résultats ont montré que la puissance maximale était sous-estimée lors des tests de Wingate réalisés contre des charges non optimales (8,7% BM) notamment chez les sujets sportifs. La quatrième étude a exploré l’effet du contexte émotionnel sur la performance neuromusculaire lors d’exercices de sprints répétés. Les résultats ont révélé un effet positif du contexte plaisant comparativement au contexte déplaisant sur la performance neuromusculaire. Ces résultats suggèrent que la motivation extrinsèque affecte, via la valence émotionnelle (plaisir-déplaisir), la performance lors des exercices maximaux de courte durée. / The aim of the present work was to study, using an integrative approach, the effects of intrinsic and extrinsic factors that influence the mechanical and neuromuscular performances during sprint exercises on a cycle ergometer. The first study examined the effect of exercise and gender on the reliability of the mechanical measurements from the force-velocity tests. The results showed that the reliability of the force-velocity test was higher in men and lower limbs compared to women and upper limbs, respectively. The second study investigated the effect of two loads (8.7 and 11% of body mass, BM) on the reproducibility of mechanical power indices during a Wingate test. The results showed comparable reliability between the two loads. However, power output was significantly higher at 11% BM. The third study compared power indices computed from the force-velocity and Wingate tests among two groups of male subjects with different physical fitness. The results showed that the Wingate tests performed against non-optimal loads (8.7% BM) underestimated maximal power especially in powerful subjects. The fourth study investigated the effect of the emotional context on neuromuscular performance during repeated cycling sprints. The results revealed a positive effect of pleasant context on neuromuscular performance compared to the unpleasant context. These results suggest that extrinsic motivation affects via the emotional valence (pleasant-unpleasant) the performance during all-out exercises.

Les études conduites au cours de ce travail de thèse ont montré que l’optimisation de la position du cycliste sur son vélo était un élément déterminant de la performance. Nos recherches ont porté sur quatre axes principaux : la conception et la validation d’outils de mesure, l’étude de la position aérodynamique, l’étude de la position assise et enfin l’étude de la position danseuse.L’ensemble des résultats obtenus montrent que la capacité de performance du cycliste peut être améliorée en position aérodynamique en augmentant le ratio entre la puissance mécanique (Pméca) et la surface frontale effective (SCx). Le confort représente également un des principaux facteurs de la performance en contre‑la‑montre (CLM) puisqu’il détermine l’aptitude du cycliste à maintenir sa position au cours du temps. Nos travaux montrent une amélioration du confort avec des semelles orthopédiques, chez les cyclistes affectés par une inégalité de longueur des membres inférieurs (ILMI), liée à une réduction des mouvements du bassin. Une correction orthopédique induit également une augmentation du rendement énergétique (+5,7 %). Ainsi, les cyclistes affectés par une ILMI sont recommandés de la compenser avec des semelles orthopédiques individualisées de façon à améliorer leur performance en CLM. Lors d’une étude préliminaire, nous avons également montré la relation entre les mouvements de la tête et le SCx, c’est pourquoi les cyclistes doivent réduire au maximum ces mouvements afin de minimiser leur SCx et ainsi maximiser leur performance. L’évaluation de la position aérodynamique doit être réalisée en conditions réelles de locomotion, que ce soit pour l’évaluation de S ou de SCx. Le développement de nos deux applications est donc un réel atout pour l’évaluation de la traînée aérodynamique (Ra) de manière individualisée dans les prochaines années puisqu’elles rendent le traitement plus accessible aux entraîneurs. Enfin, bien que nous ayons initié une nouvelle méthodologie d’évaluation de la position aérodynamique en associant numérisation 3D et modélisation numérique de la mécanique des fluides, cette méthode serait plutôt recommandée pour l’individualisation de l’équipement.La position assise peut également être optimisée en augmentant l’indice d’efficacité mécanique (IEM) du cycliste, quel que soit le niveau et le sexe. Cette augmentation de l’IEM passe principalement par une diminution de la force résistante (Fres) dans la phase de montée de la pédale. Malgré tout, le cycliste ne doit pas tirer sur la pédale pour générer un couple propulsif car cette stratégie est contre-productive d’un point de vue énergétique. Il serait intéressant d’étendre notre première étude, établie en laboratoire, sur le terrain pour analyser les adaptations biomécaniques du pédalage des cyclistes aux conditions rencontrées sur le terrain. Les différences observées en laboratoire, sur terrain plat et en montée laissent penser que les cyclistes adaptent leur pédalage selon les conditions dans lesquelles ils évoluent.Enfin, les travaux menés sur la position danseuse montrent que les cyclistes augmentent leur coût mécanique (CM) (+4,3 % en laboratoire vs. +19 % sur le terrain) par rapport à la position assise alors que la consommation d’oxygène reste stable entre les deux positions. Ces pertes mécaniques en position danseuse sont principalement dues à l’augmentation du coefficient de roulement (Cr) due aux oscillations latérales du vélo et donc à la torsion des pneus. Puisque les pertes mécaniques sont plus élevées sur le terrain que sur tapis roulant, d’autres facteurs semblent contribuer à cette différence comme la Ra (~10 W), le matériel utilisé par les cyclistes, le Cr de la route et la technique adoptée. Aussi, la position danseuse induit une augmentation du CM pour maintenir la vitesse de déplacement face aux variations de pente en montée. Les cyclistes sont donc fortement recommandés de réduire l’augmentation du CM en position danseuse comparée à la position assise. / The studies conducted during this PhD research showed that optimizing the position of the cyclist on the bicycle is a key factor influencing cycling performance. Our research focused on four main axes: the design and validation of measurement tools, the study of the aerodynamic position, the study of the seated position and the study of the standing position.All the results showed that the performance capacity of cyclists can be improved in aerodynamic position by increasing the ratio between the mechanical power (PO) and the drag area (ACd). Comfort is also a significant factor in time trial (TT) performance as it determines the ability of the cyclist to maintain position over time. Our works show that comfort can be improved via orthopaedic correction in cyclists affected by lower limb length inequality (LLLI) in the TT position, related to a reduction in pelvis movements. The orthopaedic correction also induces an increase in gross efficiency (+5.7%). Thus, this improvement in comfort could increase the PO and/or the amount of time the aerodynamic position can be maintained during a TT. Therefore, cyclists affected by LLLI should compensate LLLI with individualised foot orthotics to improve their TT performance. In a preliminary study, we also showed that there is a relationship between head movements and ACd. Therefore, cyclists should minimise these movements to minimise their ACd and maximise their performance. Aerodynamic position must be evaluated in real cycling locomotion, whether for the evaluation of A or ACd. We have developed two applications that are a real asset for the dynamic evaluation of aerodynamic drag (Ra) as they make the data analysis more accessible to coaches. Finally, although we have initiated a new method to assess ACd in the aerodynamic position by combining 3D scanning and computational fluid dynamics simulation, this method is also recommended for individualisation of cycling equipment.The seated cycling position can also be optimised by increasing the cyclists’ force effectiveness (FE), regardless of practice level or gender. This increase in FE is mainly due to a decrease in resistive force (Fres) during the upstroke phase of pedalling. Nevertheless, the cyclist should not pull on the pedal to generate propulsive torque because this strategy is counterproductive from an energy point of view. It would be interesting to extend our first study, which was set up in a laboratory, to the field to analyse the biomechanical adaptations of cyclists to the real conditions of locomotion. The differences observed in the laboratory, on level ground and over an uphill grade suggest that cyclists adjust their pedalling technique according to the conditions under which they are performing.Finally, studies of the standing cycling position show that cyclists increase their mechanical cost (MC) (+4.3% in the laboratory vs. +19% in the field) compared to the seated position; however, oxygen consumption was similar between the two positions. These mechanical losses (13 W in the laboratory vs. 49 W in the field) in the standing position are mainly due to increased rolling resistance coefficient (Crr), induced by the lateral sways of the bicycle and therefore torsion of the tyres. Because the observed mechanical losses are higher in the field than on the treadmill, other factors could contribute to this difference, such as Ra (~10 W), the equipment used by cyclists, the Crr of the road surface and the technique adopted. Also, the standing position induces an increase in MC to maintain constant speed when faced with uphill slope variations. Cyclists are therefore strongly recommended to reduce the increase of the MC in standing position compared to the seated position. This reduction in mechanical losses can be achieved by decreasing lateral sways and Ra.

Dans la continuité des travaux de recherches sur les systèmes de transmission mécanique embarqués, l’objectif de cette thèse est double : approfondir les modèles d’estimations des pièces d’un Actionneur Electromécanique (EMA) et étendre la vision transversale de la conception préliminaire aux aspects dynamiques. En effet, cette recherche permet, lors de la conception préliminaire basée sur les modèles, d’adapter les choix d’architectures et de technologies vis-à-vis des performances statiques et dynamiques à atteindre. Les modèles développés à partir des lois d’échelles sont étendus et exploités afin de modéliser les pièces élémentaires de l’EMA et de faire ressortir les règles de « bonnes pratiques » en conception préliminaire. On s’intéresse en particulier au dimensionnement des EMAs dans le domaine aéronautique. Dans un premier temps, nous avons donc créé des modèles d’estimation et des métamodèles des pièces de l’EMA. A cet effet, il est décomposé en carter et pièces élémentaires qu’il intègre.Dans un second temps, nous avons établis des règles de bonne conception et des pistes de dimensionnement de l’actionneur asservi en position. Contrairement aux recherches antérieures, qui se centraient sur le dimensionnement en puissance, nous avons pris en compte la synthèse de la commande pour établir ces règles. A partir de modèles de simulations, nous qualifions et quantifions l’influence des défauts (inertie et saturations, élasticité/jeu, frottement) sur les performances limites de l’EMA. En effet, les structures de commande usuelles et le choix des éléments de contrôle-commande sont intimement liés aux performances dynamiques et à ces défauts. Enfin, afin de se doter de moyens d’essais pour identifier finement un modèle de frottement dans des conditions aéronautiques de température, un banc d'essai sur le réducteur Harmonic Drive a été conçu et mis en œuvre. Il permet également d’amorcer la validation des règles de bonne conception / In the continuity of work of research on embedded systems of mechanical transmission, this these has two objectives: to improve estimation models of Electromechanical Actuator (EMA) pieces and to extend the cross-cutting vision of preliminary design to the dynamic aspects. Indeed, in the preliminary design based on models, this research should allow to adapt the choice of architectures and technologies to static and dynamic performance to achieve. The models developed from the scaling laws will be extended and exploited to modelize elementary pieces of the EMA and to highlight rules of "good practices" in preliminary design. We focus in particular on the design of EMA in aeronautic field. In the first time, we developed estimations models and métamodèles of elementary components of EMA which was decomposed in housing and elementary pieces.In a second time, we established rules of good practices for actuator sizing in control position loop. Contrary to older researches, we take into account control synthesis to create these rules. From simulations models, we quantified the influence of technological defects of components (inertia and saturations, elasticity (backlash), friction) on EMA performances. Indeed, the usual command structures and the choice of the elements of control are intimately linked to the dynamic performance and these defects.Finally, to give test way to identify with accuracy a friction model in aeronautical conditions of temperature, a test bench of Harmonic Drive was create, integrated and implemented. It allows booting the validation of rules of good practices in preliminary design.