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Article

1 - MODÉLISATION DU CORPS, LOIS ET MOUVEMENTS

2 - PLATEFORMES D’ÉVALUATION DU GESTE SPORTIF

3 - OUTILS DE SIMULATION

4 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : MED8070 v1

Outils de simulation
Biomécanique du sport

Auteur(s) : Patrick LACOUTURE

Date de publication : 10 sept. 2016

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RÉSUMÉ

La biomécanique du sport étudie le geste du sportif en interaction avec son environnement matériel de pratique. Cet article présente les principales références théoriques et techniques pour appréhender de telles analyses qui  s’articulent autour d’une modélisation la plus réaliste possible du corps humain en mouvement , de plateformes d’analyse 3D du mouvement de plus en plus précise en privilégiant les mesures en situation réelle de pratique et d’outils de simulation incluant des ergomètres spécifiques à l’activité pour valider les modèles théoriques.

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ABSTRACT

Sports Biomechanics

Sports biomechanics is a discipline that studies the athletes’ movement in interaction with the physical environment. This article introduces the main theoretical and technical references to apprehend such analyzes that revolve aroundi)a performant biomechanical modeling of the human body in motion,ii)a 3D motion analysis platforms increasingly focusing on accuracy measurements in real conditions of practice,iii )some simulation tools including specific ergometers to validate the theoretical models.

Auteur(s)

  • Patrick LACOUTURE : Professeur des Universités Institut Pprime, UPR 3346 CNRS, Université de Poitiers, Poitiers, France

INTRODUCTION

L’essentiel des activités physiques et sportives consiste à mettre en mouvement son corps, par ses propres moyens en associant parfois un matériel dédié, et cela en interaction avec le milieu environnant. Ainsi, marcher, courir, sauter, lancer, c’est mettre en mouvement son propre corps, et si nécessaire, dans le but de propulser un engin : boulet, javelot, disque, etc.

En conséquence, sauter en hauteur revient à élever sa propre masse le plus haut possible ; sauter en longueur, à propulser sa propre masse le plus loin et le plus haut possible ; courir, revient à transporter sa propre masse le plus vite possible, etc.

L’approche scientifique qui, à la fois décrit et explique ces mouvements est la mécanique du mouvement, aussi dénommée la science du mouvement. Cette approche scientifique, qui devient aujourd’hui de plus en plus biomécanique par l’intégration de modèles musculaires et des lois de commandes qui activent ces muscles – est telle, qu’elle est capable de mettre en relation l’activité musculaire contrôlée et coordonnée, au service d’une analyse explicative de la locomotion humaine par l’application des lois de la mécanique des systèmes poly-articulés. Il s’agit donc de relier et de comprendre, à l’aide de ces lois, les causes et leurs effets sur les mouvements afin d’expertiser les gestes réalisés. Cette formulation n’exclut bien évidement pas les deux autres approches scientifiques tout aussi essentielles pour analyser la locomotion humaine, que sont la physiologie et les neurosciences intégrées, l’une par l’analyse des apports énergétiques indispensables au fonctionnement musculaire, et l’autre à travers la formulation des lois de commandes du mouvement propres au contrôle moteur. L’analyse de la locomotion du vivant inclut donc de nombreux facteurs – on parle alors d’une approche multifactorielle dans l’analyse des activités physiques et sportives.

La démarche n’est pas toujours aisée ; le mouvement du corps est constaté par chacun d’entre nous, et l’on a tendance à y apporter notre propre explication. Pour autant, on rejoint les propos de Paul MOUY  lorsqu’il écrit dans son ouvrage « Logique et philosophie des sciences » : « l’erreur est de croire que les faits contiennent déjà l’explication. Il faut l’y introduire... La base de la méthode expérimentale, c’est l’invention de la formule mathématique ». C’est cette formule mathématique que l’on va introduire en étudiant dans son intégralité, l’homme en mouvement dont le but est de réaliser une performance sportive.

Le point commun à tous les gestes sportifs est que les athlètes, pour se mouvoir, mettent en mouvement leurs segments corporels, selon une technique gestuelle spécifique à la pratique sportive. Ces mouvements segmentaires sont possibles grâce à l’action de muscles que l’on appelle les « actionneurs du mouvement ». Ces mouvements se réalisent, lorsqu’ils sont volontaires, sous la gouvernance d’une commande centrale ; cela qualifie une coordination gestuelle que l’on devra aussi objectiver, et reconnue sous le vocable « geste technique ».

Dans ce contexte, cet article propose au lecteur d’aborder les éléments théoriques et expérimentaux nécessaires pour analyser une performance sportive, qui se déclinent en trois points décrits ci-après.

– Il s’agit tout d’abord de fixer le cadre théorique validé pour évaluer les paramètres déterminants de la performance sportive analysée. Ce cadre repose sur des lois et principes associés à une modélisation multisegmentaires du corps. Sur cette base, l’analyse en translation et en rotation du corps dans l’espace peut être conduite sans oublier, bien entendu, le coût énergétique induit par cette performance analysée, ici, d’un point de vue mécanique et non d’un point de vue physiologique.

– Cette analyse théorique est étroitement associée à une approche expérimentale qui donne accès aux paramètres déterminants de l’action motrice. Cela suppose d’utiliser une instrumentation spécifique constituée de capteurs validés. La qualité des mesures dépend, bien entendu, de la mise en œuvre de plateformes expérimentales performantes afin d’évaluer les paramètres cinématiques et dynamiques ; principalement développées en laboratoire, ces plateformes favorisent de plus en plus l’acquisition des données en ambulatoire aidées en cela par la miniaturisation des composants électroniques (conditionnement des signaux, stockage en grand nombre des données à des fréquences d’échantillonnage élevées). L’utilisation d’objets connectés suscite cependant des réserves quant à la pertinence des informations qu’ils proposent.

– Enfin, la validation des modèles et des approches théoriques est rendue possible par le développement d’outils de simulation tels que les ergomètres ou développements plus théoriques ; cette approche permet d’évaluer l’impact d’une consigne donnée par l’entraîneur ou encore l‘influence d’un matériel sur le mouvement réalisé.

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KEYWORDS

kinematic measurements   |   dynamic measurements   |   sport's performance   |   simulation of movement   |   sports interaction/equipment   |   mechanical multibody systems

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-med8070


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3. Outils de simulation

Les outils de simulation peuvent être répartis en deux catégories.

La première concerne les ergomètres, appareils sur lesquels le sportif réalise son geste comme s’il se trouvait sur le lieu de sa pratique sportive. La seconde est une simulation plus théorique. Ce domaine de recherche concerne l’optimisation et la simulation des mouvements dynamiques des systèmes anthropomorphes, développées sur des plateformes dédiées comme les humains, les robots humanoïdes, et sur des personnages humains virtuels aussi appelés avatars. Il s’agit alors de programmer le mouvement d’un avatar capable de reproduire, de simuler le geste du sportif. Ces deux approches sont très utiles pour étudier l’influence d’un matériel, d’une posture, d’une technique gestuelle, d’une consigne d’entraîneur sur le geste produit.

3.1 Ergomètres

Un ergomètre est une machine permettant au sportif de reproduire son geste « à l’identique » de celui réalisé en situation réelle de sa pratique sportive.

L’ergomètre a ainsi l’avantage de pouvoir pratiquer lorsque les conditions météorologiques, par exemple, sont très mauvaises. De plus, l’entraîneur peut proposer des exercices spécifiques à son athlète, ce qu’il ne pourrait pas faire en situation réelle de pratique. Parmi l’ensemble des ergomètres disponibles sur le marché, on peut citer le rameur, le tapis roulant, le cyclo ergomètre, etc. Toute la difficulté réside dans l’appréciation de ce que l’on appelle « à l’identique ». Cette notion de reproductibilité du geste sur ergomètre s’appuie sur au moins trois impératifs :

  • tout d’abord, la gestuelle réalisée doit être similaire à celle rencontrée en situation écologique, c’est-à-dire sur le terrain. Il s’agit ici d’évaluer et de comparer la cinématique des chaînes segmentaires sollicitées. Cette analyse se fait par l’intermédiaire d’une analyse d’images de la gestuelle ;

  • pour autant, la validation de la cinématique n’est pas suffisante ; encore faut-il que la dynamique interne soit également comparable. Par dynamique interne, on considère les efforts articulaires, les forces musculaires, l’activité musculaire. Ces similitudes, cinématique...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MOUY (P.) -   Logique et philosophie des sciences.  -  Librairie Hachette (1944).

  • (2) - BEGON (M.), LACOUTURE (P) -   Modélisation anthropométrique pour une analyse mécanique du geste sportif. Partie 1 : Modèles, leurs caractéristiques et leur validation. Partie 2 : Estimation des centres articulaires et détermination de la cinématique du squelette.  -  Movement and Sport Sciences, n° 2, p. 35-60, (2005).

  • (3) - ZATSIORSKY (V.M.), SELUYANOV (V.N.) -   – The mass and inertial characteristics of the human body.  -  Biomechanics 8-B, Champaingn : Human Kinetics, Matsui H, Kobayashi K, editors, p. 1152-1159 (1983).

  • (4) - WINTER (A.D.) -   Biomechanics and motor control of human movement.  -  2nd Edition, Wiley-Interscience, New-York Publication, John and Sons, Inc., États-Unis (1990).

  • (5) - De LEVA (P.) -   Adjustements to Zatsiorsky-Seluyanov’s segment inertia parameters.  -  Journal of Biomechanics, n° 29, vol. 9, p. 1223-1230 (1996).

  • ...

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