Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec l'équipe cycliste professionnelle Bouygues Telecom, a pour objectif d'étudier les facteurs aérodynamiques et biomécaniques influant sur les performances de cyclistes en course contre la montre (CLM). L'effort de traînée aérodynamique représente 90% de la puissance développée par le coureur en CLM. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans la soufflerie S1L l'institut des Sciences du Mouvement qui a permis de mesurer l'effort de traînée subit par les coureurs en fonction de leur posture et du matériel utilisé. L'analyse par planimétrie de la surface frontale projetée des cyclistes en position de CLM a permis de définir un modèle estimant la surface frontale en fonction de différents paramètres posturaux. L’analyse approfondie des performances aérodynamiques de différents casques de CLM, à l’aide d’un système de mesure PIV-3C (Particle Image Velocimetry 3 Components), a permis de définir une géométrie optimisée de casques de CLM. L'approche biomécanique des performances des coureurs permet d'étudier l'impact de positions sur le rendement du pédalage de coureurs. Cette étude a été réalisée grâce à un modèle de dynamique inverse nécessitant la mise en œuvre de balances de mesure des efforts aux pédales et d'un système d'analyse du mouvement (VICON). Le modèle de dynamique inverse a permis de déterminer les torseurs d'efforts au niveau de chaque articulation en fonction de paramètres posturaux identiques à ceux étudiés dans l'approche aérodynamique. La synthèse des facteurs d'optimisation aérodynamique et biomécanique a permis d'obtenir une amélioration des performances en course de l'ordre de 3%. / The aim of this study is to determine the aerodynamic and biomechanical factors influencing cyclists performance during Time Trial stage (TT). The aerodynamic drag force represents over 90% of the power generated by the cyclist during TT stage. The aerodynamic optimization of the cyclist posture and equipment is thus a main objective. Experimentations were carried out in the wind tunnel S1L of the Institute of Movement sciences, in order to measure the aerodynamic drag force of cyclist according to different configurations. Measurements of the projected frontal led to a modeling of the cyclist frontal area value according to postural parameters. Aerodynamic performance of several TT helmets was characterized by measurement of the velocity fields in their downstream wake using a PIV-3C method (Particle Image Velocimetry 3 components). Results of this study have identified an optimized geometry of TT helmets. The aim of the biomechanical approach is to study the influence of the aerodynamic postural parameters studied on the performance of the cyclists. An inverse dynamics models is used to determine the torques and forces at each leg joint according to the saddle position and the power developed. The inverse dynamic calculation requires measurement of the pedal forces and the cycling motion. The motion analysis system VICON was used and two special 6 components sensors were design for this application. Results of this study have identified postural parameters increasing the performance. The synthesis of the factors influencing aerodynamic and biomechanical performances achieves a performance improvement of about 3%.

La robotique de service est un domaine émergent où il est nécessaire de commander des robots en interaction forte avec leur environnement. Ce travail présente une méthode adaptative de commande combinant de l'apprentissage de modèles de la mécanique à de la commande dans l'espace opérationnel de robots redondants. L'apprentissage des modèles cinématiques est obtenu soit par dérivation de modèles géométriques appris, soit par apprentissage direct. Ces modèles cinématiques, également appelés matrices Jacobiennes, peuvent être utilisés dans le calcul de pseudo-inverses ou de projecteurs pour la commande de robots. Cette combinaison de méthodes permet d'obtenir un contrôleur qui s'adapte à la géométrie du robot command é. En utilisant les mêmes algorithmes d'apprentissage, il est possible d'apprendre un modèle dynamique inverse du robot contr^olé de manière à le commander en couple plutôt qu'en vitesse, l'avantage étant de pouvoir s'adapter aux modifications dynamiques qui s'appliquent sur le robot comme par exemple l'application d'une force extérieure ou l'ajout d'un poids. Des expériences en simulation menées dans le cadre de cette thèse montrent comment réaliser plusieurs tâches hiérarchiques ou comment s'adapter à des perturbations avec des modèles appris. Des expériences sur le robot iCub ont également été menées afin de rendre compte de la plausibilité de l'approche proposée sur un système réel.

Le passage de la position assise à la position debout est une action qui se détériore rapidement avec l'avancée en âge à cause de divers troubles moteurs ou sensitifs. Les travaux de la thèse avaient pour but de déterminer les paramètres biomécaniques les plus pertinents pour caractériser les transferts assis-debout (STS) et assis-marche (STW). A l'aide d'un système d'analyse vidéo du mouvement, nous avons enregistré les paramètres cinématiques, cinétiques et électromyographiques de ces transferts réalisés par des sujets sains jeunes ou âgés. Ces paramètres ont été analysés et utilisés pour calculer par dynamique inverse les moments appliqués à chaque articulation pendant la réalisation de l'action. Les résultats indiquent qu'il existe deux stratégies dans la réalisation du STS l'une privilégiant la stabilité, l'autre favorisant la vitesse d'exécution. Pour le STW, il existe trois stratégies, la première privilégie la stabilité posturale alors que les deux autres autorisent un léger déséquilibre temporaire soit latéral soit vers l'avant. Les personnes âgées n'utiliseraient que la stratégie stable pour effectuer un STW. Ces travaux indiquent que le STS est un outil satisfaisant pour détecter des troubles de l'équilibre statique ou dynamique mais que le STW serait un outil intéressant pour mesurer des troubles de l'équilibre et des fonctions musculaires ou sensorielles plus spécifiques

Cette étude aborde le problème de la sécurité des passagers de transports en commun guidés. L'analyse de la bibliographie fait ressortir que le risque de chute, et donc de blessures, est particulièrement important pour les passagers debout. Il apparaît en outre que la situation des passagers debout dans les transports en commun est intermédiaire par rapport à ce qui est étudié de manière classique 1/ dans le domaine de la protection des usagers de transport; 2/ dans la littérature concernant l'équilibre perturbé. L'approche de ce problème doit donc être reconsidérée. Il est nécessaire d'acquérir des données pertinentes et de mettre en place des méthodes de traitements spécifiques. Les principaux résultats de ce travail sont : • un protocole expérimental permettant d'étudier les réactions de sujets volontaires dans des situations représentatives des transports en communs; • une méthode de reconstruction de mouvement originale, utilisant un modèle cinématique du corps humain et traitant le problème de manière semi-globale; • la mise en évidence et la description des principaux phénomènes du rattrapage d'équilibre, ainsi que de l'influence des différents paramètres; • une première approche de la prédiction de la cinématique du rattrapage en fonction des conditions initiales, dont les résultats s'avèrent encourageants; • une méthode de calcul des forces et moments articulaires, basée sur des principes classiques (approche récursive), mais adaptée à la complexité des mouvements et du modèle étudiés. Les méthodes mises en place dans cette étude, ainsi que ses apports dans la connaissance du rattrapage d'équilibre, constituent une première étape en vue de l'obtention d'un outil permettant d'évaluer et de limiter les risques encourus par les passagers debout.

Tourner le volant d'une automobile peut s'avérer difficile pour les conducteurs ayant des déficiences motrices des membres supérieurs. En effet, ce mouvement demande une grande mobilité et une force musculaire non négligeable. A ce jour, les directions assistées automobiles sont réglées uniquement sur le ressenti des conducteurs sans déficiences motrices. Le projet ANR VTT VolHand, dans lequel ce travail de recherche s'inscrit, ambitionne d'apporter une réponse à cette problématique. L'objectif de cette thèse est de renseigner la biomécanique du geste déjà chez le conducteur sans déficiences motrices (sain). Pour cela, l'interaction main/volant, ainsi que la cinématique (ex. angles articulaires) et la dynamique (ex. efforts sur volant, efforts articulaires) du geste de tourner le volant sont étudiés au travers de plusieurs analyses multidimensionnelles multivariables (atemporelle et temporelle). La méthode originale proposée s'appuie sur un découpage flou du volant et des variables cinématiques et dynamiques. La population expérimentée compte une centaine de sujets, dont 23 sujets sans déficience motrice. La plateforme expérimentale regroupe principalement un simulateur automobile compact permettant le recueil des efforts développés par chaque main, une consigne de suivi de trajectoire incitant le conducteur à reproduire un angle désiré et un système optoélectronique mesurant le geste de tourner le volant.Les résultats de l'analyse de l'interaction main/volant mettent en évidence 3 profils de conducteurs : les conducteurs croiseurs, les conducteurs croiseurs asymétriques et les conducteurs non croiseurs. L'analyse des variables cinématiques et dynamiques montrent que les variables dynamiques résultant du tirer/pousser le volant sont discriminantes. Deux nouveaux profils sont alors identifiés : les pousseurs moyens et les tireurs. En majorité, les conducteurs sains tendent à croiser les mains et à pousser sur le volant lors de la réalisation d'un geste de tourner le volant à basse vitesse.Plusieurs perspectives sont proposées à court terme, à moyen terme et à long terme. L'une d'entre elles concerne l'adaptation de l'assistance aux caractéristiques motrices des conducteurs avec déficience motrice.

Cette thèse propose une solution au problème de la génération de mouvements pour les robots humanoïdes. Le cadre qui est proposé dans cette thèse génère des mouvements corps-complet en utilisant la dynamique inverse avec l'espace des tâches et en satisfaisant toutes les contraintes de contact. La spécification des mouvements se fait à travers objectifs dans l'espace des tâches et la grande redondance du système est gérée avec une pile de tâches où les tâches moins prioritaires sont atteintes seulement si elles n'interfèrent pas avec celles de plus haute priorité. À cette fin, un QP hiérarchique est utilisé, avec l'avantage d'être en mesure de préciser tâches d'égalité ou d'inégalité à tous les niveaux de la hiérarchie. La capacité de traiter plusieurs contacts non-coplanaires est montrée par des mouvements où le robot s'assoit sur une chaise et monte une échelle. Le cadre générique de génération de mouvements est ensuite appliqué à des études de cas à l'aide de HRP-2 et Romeo. Les mouvements complexes et similaires à l'humain sont obtenus en utilisant l'imitation du mouvement humain où le mouvement acquis passe par un processus cinématique et dynamique. Pour faire face à la nature instantanée de la dynamique inverse, un générateur de cycle de marche est utilisé comme entrée pour la pile de tâches qui effectue une correction locale de la position des pieds sur la base des points de contact permettant de marcher sur un terrain accidenté. La vision stéréo est également introduite pour aider dans le processus de marche. Pour une récupération rapide d'équilibre, le capture point est utilisé comme une tâche contrôlée dans une région désirée de l'espace. En outre, la génération de mouvements est présentée pour CHIMP, qui a besoin d'un traitement particulier. / This thesis aims at providing a solution to the problem of motion generation for humanoid robots. The proposed framework generates whole-body motion using the complete robot dynamics in the task space satisfying contact constraints. This approach is known as operational-space inverse-dynamics control. The specification of the movements is done through objectives in the task space, and the high redundancy of the system is handled with a prioritized stack of tasks where lower priority tasks are only achieved if they do not interfere with higher priority ones. To this end, a hierarchical quadratic program is used, with the advantage of being able to specify tasks as equalities or inequalities at any level of the hierarchy. Motions where the robot sits down in an armchair and climbs a ladder show the capability to handle multiple non-coplanar contacts. The generic motion generation framework is then applied to some case studies using HRP-2 and Romeo. Complex and human-like movements are achieved using human motion imitation where the acquired motion passes through a kinematic and then dynamic retargeting processes. To deal with the instantaneous nature of inverse dynamics, a walking pattern generator is used as an input for the stack of tasks which makes a local correction of the feet position based on the contact points allowing to walk on non-planar surfaces. Visual feedback is also introduced to aid in the walking process. Alternatively, for a fast balance recovery, the capture point is introduced in the framework as a task and it is controlled within a desired region of space. Also, motion generation is presented for CHIMP which is a robot that needs a particular treatment.

L'objectif de ce travail a été d'acquérir une meilleure connaissance de la motricité humaine tant au niveau clinique que fondamentale à travers deux études bien précises. La première portait sur une étude clinique à savoir, l'influence d'injection ciblée de toxine botulique au niveau du couple musculaire rectus fémoris – semitendinosus sur la vélocité mise en jeu au cours de la marche globale d'enfants infirmes moteurs cérébraux (IMC). La deuxième portait quant à elle sur une question plus fondamentale, à savoir, la modélisation biomécanique avancée du système musculo-squelettique au cours de la phase d'appui de la marche. En ce qui concerne l'étude clinique, le but a donc été à la fois biomécanique et clinique. D'un point de vue expérimental, plusieurs étapes ont été nécessaires avant la mise en place du protocole final utilisé à l'heure actuelle. De plus, un long travail d'analyse a été réalisé avec le clinicien responsable de ce projet, le docteur Dohin, afin d'établir et de sélectionner les critères cinématiques et cinétiques qui nous ont semblés pertinents. Ainsi, cette étude a été l'occasion de valider les critères discriminatifs d'évaluation en analyse quantifiée de la marche (AQM) pour des résultats visant à améliorer ou à restaurer la marche chez les enfants infirmes moteurs cérébraux. Au niveau fondamental, le but de notre étude a été la mise en place d'un protocole expérimental et des méthodes de calculs permettant d'évaluer quantitativement le fonctionnement du système ostéo-articulaire et musculaire non pathologique. Pour cela, une modélisation avancée a été développée afin d'appréhender le rôle des différentes structures : géométrie articulaires, ligaments, muscles, dans le fonctionnement des articulations humaines à travers des mouvements tel que la marche. D'un point de vue expérimental, l'acquisition de via points directement sur le sujet, permettant ainsi la personnalisation des bras de levier selon la morphologie de notre sujet, a été une étape importante et originale de notre travail. Afin de vérifier la pertinence de nos bras de levier « personnalisés », nous avons dans un premier temps, utilisé une technique d'optimisation statique « classique » visant à minimiser le critère : sommes des contraintes musculaires au carré. Les résultats obtenus sont tout à fait cohérents avec ceux présentés dans la littérature et avec le mouvement étudié. D'un point de vue modélisation, nous avons décidé d'affiner la représentation numérique du comportement du muscle pour rendre le modèle plus proche de la réalité. Ainsi, le comportement mécanique du complexe musculo-tendineux c'est-à-dire les relations forces longueurs, forces vitesses d'élongations et forces activations ont été prises en compte grâce au modèle rhéologique de Hill. Pour cela une étude bibliographique poussée a été nécessaire afin de cerner les nombreuses contraintes liées aux comportements mécaniques du complexe musculo-tendineux. Suite à cette étude bibliographique, nous avons sélectionné la modélisation mathématique la mieux adaptée à nos besoins. Les équations mathématiques mises en place dans notre travail contiennent donc de nombreux paramètres physiques tel que : la force isométrique maximale, la section physiologique, la longueur optimale de la fibre musculaire, l'angle de pennation, la longueur du tendon à partir de laquelle une force est développé... Une fois les forces musculaires calculées à partir du modèle rhéologiques de type Hill, ces dernières ont été implémentées dans la fonction d'optimisation classique. Plusieurs critères ont été alors testés. Le but étant d'essayer de comprendre l'influence du critère sur nos résultats et lequel serait à utiliser afin de prédire au mieux les forces musculaires mises en jeu au de la phase d'appui de la marche. Puis pour finaliser notre étude, les réactions articulaires au niveau de la cheville et du genou ont été calculées à partir des différentes configurations. Dans un premier temps, à partir des forces musculaires prédites par l'optimisation statique classique puis à partir de l'optimisation statique avec le critère modifié. Ceci nous a permis de voir au niveau de la réaction articulaire l'influence de la prise en compte des paramètres physiologiques des muscles. Cette donnée est très importante dans le domaine de la rééducation fonctionnelle et pour les concepteurs de prothèse.

L'objectif de ce travail est d'élaborer un modèle mécanique de la hanche saine susceptible d'être utilisé comme référence pour pouvoir ensuite analyser le comportement de hanches pathologiques en évaluant l'effet des traitements préconisés par comparaison des différents comportements simulés. Dans ce contexte, un modèle éléments finis générique de l'articulation de la hanche est développé. Il est également nécessaire de déterminer l'état de chargement de l'articulation de la hanche pour notre simulation. L'analyse du mouvement permet le calcul des données cinématiques et dynamiques à partir des mesures expérimentales. A partir de ces données, un modèle musculo-squelettique associant une méthode de dynamique inverse et d'optimisation statique, permet de déterminer les efforts musculaires mis en jeu par les muscles croisant l'articulation de la hanche. L'évaluation des forces développées par les muscles de la hanche permet de calculer la réaction de contact articulaire exercée par le fémur sur le bassin. C'est cette réaction que nous implémentons dans le modèle éléments finis. Ainsi, les simulations du comportement de la hanche saine sont réalisées pour la phase d'appui de la marche et la phase d'appui de la montée d'escaliers. Nous traitons ensuite d'une application clinique visant à évaluer l'influence du port d'une orthèse podale sur le comportement mécanique d'une hanche arthrosique. La démarche suivie est la même que celle mise en place pour l'étude du comportement de la hanche saine. L'état de chargement de la hanche arthrosique est déterminé chez le patient pendant la marche et la montée d'escaliers évoluant successivement avec puis sans orthèses.

La panne de moteur est une situation critique pour la sécurité du vol. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la gestion de la trajectoire avion d’urgence dans le cas d’une panne totale de moteur en un certain point de vol alors que l’avion a déjà pris une certaine vitesse et une certaine altitude après le décollage. Dans cette étude, on considère que la trajectoire de vol plané le long d’un plan vertical peut conduire directement à un lieu atterrissage sûr. Les performances d’un avion de transport sont d’abord analysées, et les lieus atteignables sont établis à partir d’une situation donnée initiale. Une fois une zone de sécurité accessible existe le problème qui est abordée ici est de développer un système de guidage qui permet à l’avion d’effectuer une trajectoire faisable vers la zone d’atterrissage. La programmation dynamique inverse est utilisée pour construire en arrière des ensembles de trajectoires faisables vers conditions finales compatibles avec panne de moteur. Afin d’obtenir un dispositif en ligne pour générer des directives efficaces pour le pilote automatique ou le pilote humain (par un directeur de vol), un réseau de neurones est construit à partir de la base de données générée. Ensuite, les résultats de simulation sont analysés pour validation, et d’autres améliorations de l’approche proposée sont prises en considération. / Engine-out is an undoubted critical situation for flight safety. The objective of this thesis is to improve the management of emergency manoeuvres for transportation aircraft once all engines go out at a given point during the flight. Here we consider the evolution of the gliding aircraft along a vertical plane possibly leading directly to a safe landing place. The gliding qualities of standard transportation aircraft are first analyzed and reachable areas from given initial situations are established. Once a safe reachable area exists the problem which is tackled here is to develop design principles for a guidance system which makes the aircraft perform a feasible glide trajectory towards such landing area. Reverse dynamic programming is used to build backwards sets of feasible trajectories leading to final conditions compatible with engine-out landing. To get an on-line device to produce efficient directives for the autopilot or the human pilot (through a flight director), a neural network is built from the generated database. Then simulation results are analyzed for validation and further improvements of the proposed approach are considered