Mardi 25 février

L'analyse du mouvement humain en interaction avec son environnement Vandalisme : quand les passerelles balancent… Cédric SCHWARTZ et Vincent DENOËL, ULg - Laboratoire d’Analyse du Mouvement Humain

Avec le soutien de :

     

Laboratoire  d’Analyse  du  Mouvement  Humain  

Localisa7on  :   Faculté  des  Sciences  Appliquées,  Sart  Tilman  

Equipe  :    

•   Prof  V.  Denoël  (Faculté  des  Sciences  Appliquées)  • Prof  O.  Brüls  (Faculté  des  Sciences  Appliquées)  • Prof  J.-­‐L.  Croisier  (Faculté  de  Médecine)  

•   Prof  B.  Forthomme  (Faculté  de  Médecine)  

• Dr  C.  Schwartz  (LAMH)  

•   G.  Berwart  (LAMH)  

•   Doctorants  

 Geste  3D  •   Cinéma)que  et  ciné)que  

 Mul7-­‐disciplinaires  •   Collabora)on  Médecine  /  Ingénieur  /  Fédéra)on  

 LAMH  •   Mars  2012  

Créa)on  du  LAMH  

Intérêt  de  l’analyse  du  mouvement  

Clinique  

Ergonomie  

Sport  

Génie  civil  

…  

Intérêt  de  l’analyse  du  mouvement  

Clinique  

Ergonomie  

Sport  

Génie  civil  

…  

Comment  analyser  le  mouvement  ?  

IRM  /  CT  

Centrale  iner7elle  

Optoelectronique  

Broches  

…  

Comment  analyser  le  mouvement  ?  

IRM  /  CT  

Centrale  iner7elle  

Optoelectronique  

Broches  

…  

Comment  analyser  le  mouvement  ?  

IRM  /  CT  

Centrale  iner7elle  

Optoelectronique  

Broches  

…  

Comment  analyser  le  mouvement  ?  

IRM  /  CT  

Centrale  iner7elle  

Optoelectronique  

Broches  

…  

Limita)ons  de  l’analyse  du  mouvement  

segmenta)on  

Artéfacts  de  mouvement  de  peau  

Limita)ons  de  l’analyse  du  mouvement  

Les  ou)ls  

Système  d’analyse  3D  

1.  Fonc)onnement  •  Marqueurs  à  la  surface  de  la  peau  •  Communica)on  infra-­‐rouge  •  Fréquence  maximale  d’acquisi)on  :  800  Hz  

2.  Données  brutes  •  Posi)on  3D  des  marqueurs  

3.  Exemples  d’informa)ons  •  Posi)on  d’un  segment  •  Vitesse  d’un  objet  •  Déforma)ons  d’une  structure  

Laboratoire  

Les  ou)ls  

Plateforme  de  force  

1.  Fonc)onnement  •  Plateforme  intégrée  au  sol  •  Fréquence  d’acquisi)on  :  1000  Hz  •  Synchronisa)on  avec  les  mesures  3D  

2.  Données  brutes  •  Forces  et  moments  3D  

3.  Exemples  d’informa)ons  •  Forces  de  poussée  ver)cales  et  horizontales  •  Interac)on  /  synchronisa)on  homme-­‐structure  

Laboratoire  

Les  ou)ls  

EMG  de  surface  

1.  Fonc)onnement  •  Electrode  à  la  surface  de  la  peau  •  Synchronisa)on  avec  les  mesures  3D  

2.  Données  brutes  •  Amplitude  du  signal  électrique  

3.  Exemples  d’informa)ons  •  Appari)on  de  fa)gue  •  Coordina)on  musculaire  

Laboratoire  

Les  ou)ls  

Modélisa7on  numérique  

1.  Fonc)onnement  •  Modèle  musculo-­‐squeleWque  •  Dynamique  inverse  

2.  Données  brutes  •  Forces  internes  

3.  Exemples  de  retour  aXendu  •  Sollicita)on  ligamentaire/tendineuse  •  Es)ma)on  de  l’ac)vité  musculaire  

Numérique  

Les  ou)ls  

DarYish  

1.  Fonc)onnement  •  Logiciel  de  traitement  vidéo  2D  

2.  Données  brutes  •  Vidéos  prises  par  des  caméscopes  

3.  Exemples  de  retour  •  Retour  visuel  direct  •  Ralen)s  

Terrain  

Exemple  1  :  Ski  

Evalua7on  des  membres  inférieurs  

•  Deux  skieuses  •  Sous  contrat  avec  la  FWB  •  Niveau  Jeux  Olympiques    

•  Contexte  •  Une  blessée  (suivi  de  la  rééduca)on)  •  Une  non  blessée  (suivi  annuel)  

0  

2  

4  

6  

8  

10  

12  

Non  blessée   Blessée  

Force  ver7cale  (N

/kg)  

Poussée  maximale  lors  d’un  «  squat  jump  »  

Droite  Gauche  

Exemple  1  :  Ski  

5  %   17  %  

•   Contexte  :  suivi  après  blessure  •   Message  :  déficit  fonc7onnel  de  la  jambe  blessée  (poussée  et  récep7on)                                                →  réathlé7sa7on  souhaitable  

Exemple  1  :  Ski  

temps

Hanche  Cheville  

Genou  

Gén

éra7

on  

Absorp7o

n  

Phase  excentrique   Phase  concentrique  

Puissance articulaire lors d’un « drop jump »

Exemple  2  :  Tennis  

Evalua7on  du  service  

•  Joueur professionnel •  Classement dans les 100 premiers ATP

•  Contexte •  Suivi longitudinal •  Optimisation de la performance

Exemple  2  :  Tennis  

-­‐4  

-­‐3  

-­‐2  

-­‐1  

0  

1  

2  

3  

2011   2012  

Force  ho

rizon

tale  (N

/kg)  

Poussée  horizontale  

Joueur  Moyenne  AFT  

•   Contexte  :  op7misa7on  de  la  performance  •   Message  :  projec7on  dans  le  terrain  plus  faible  que  la  moyenne  des  joueurs  

Remédia(on

Exemple  3  :  Sports  de  lancer  

Préven7on  lésionnelle  

•  Joueurs de haut-niveau −  Volley, Handball, Badminton

•  Contexte -  Détecter des raideurs d’épaule -  Evaluer l’effet de rééducations préventives

26

Exemple  3  :  Sports  de  lancer  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

80  

Sédentaires   Athlètes    non  raides   Athlètes  raides  

Angula7o

n  (°)  

Rota7on  interne  maximale  de  l’épaule  

Passerelles &

Vandalisme

Vincent  Denoël  LAMH,  Laboratoire  d’Analyse  du  Mouvement  Humain  Dynamique  des  Structures,  Structural  Engineering  Division,    

Structures &

Analyse du mouvement

Mardi  25  février  2014,  Château  de  Colonster  

Sollicitations de piétons

Med  Sci  Sports  Exerc.  2007;39(9):1632-­‐1641.    

Sollicitation périodique Cadence personnelle, effet de groupe ?

Phénomène de résonance linéaire

Sollicitation périodique Cadence personnelle, effet de groupe ?

Passerelle  Simone  de  Beauvoir,  Paris,  2006  Dietmar  FeichPnger  Architectes  Eiffel  ConstrucPon  Metallique,    Taylor  Devices  

Phénomène de résonance linéaire

Vibrations de passerelles

Passerelle  Léopold  Sédar-­‐Senghor  ,  Paris,  1999  Mimram,  Eiffel  ConstrucPon  Métallique  AVLS  (horiz.  0.81Hz,  vert.  4  modes  <3Hz)  

Millenium  Footbridge,  London,  2000  Foster  and  Partners,  Sir  Anthony  Caro  Ove  Arup  &  Partners,  Chris  Wise  (horiz.  0.48  Hz)  

Résistance

Déformations

Vibrations & Confort

Critères de dimensionnement:

Vibrations induites par les piétons/coureurs/joggers: centaines d’articles

pertinents depuis 1999

Vandalisme, excitations volontaires

ExcitaPon  volontaire  de  la  passerelle  UCSD  Tablier  béton,  passerelle  suspendue  (2009)  

ExcitaPon  volontaire  de  la  passerelle  de  Dolhain  Montage  à  blanc,  atelier  Bemelmans  (Ba_ce)  Eng.  BECS  (2008)  -­‐  3.2  Hz  //    6  m/s²  

ExcitaPon  de  la  passerelle  de  Herve  Eng.  BEG-­‐Canevas  

Risques RéacPons  négaPves  ?  FaPgue  Image  ?  Nuisances  sociales  

Modèle  de  sollicitaPon  ?  InteracPon  avec  le  support  ?  

Interaction Homme-Structure

Excitation étudiée: Flexion des genoux (Bouncing, yobbing, bobbing)

Non ! L’accélération maximale:

-  Peut être bien plus grande que 9,81 m/s²

-  Dépend du mouvement du support

?

Interaction Homme-Structure

Eléments de la mise en résonance

-­‐  PercepPon  du  mouvement  

-­‐  Musculature,  faculté  d’acPvaPon  

-­‐  ApprenPssage  de  l’exercice  

-­‐  Faculté  de  maintenir  un  opPmum  

1. Choisir L périodique

à résonance paramétrique

Interaction Homme-Structure

Expliquer à un enfant comment faire remonter une balançoire ?

à Contrôleur avec Feedback

2. Choisir L en fonction des valeurs de

l’angle et de la vitesse angulaire

Interaction Homme-Structure Systèm

e  passif  

Systèm

e  acPf  

Optimum ?

Pompage d’énergie max par cycle

[maximiser la puissance transmise]

Analyse au Laboratoire du Mouvement

1.  Passerelle  en  bois       ƒ   M   f*    Hz    kg   Hz  

Config.  1   4,6   275   4,2  Config.  2   3,9   412   3,7  Config.  3   3,4   615   3,2  Config.  4   2,8   811   2,8  Config.  5   2,4   1154   2,3  

-­‐  Portée:  7  mètres  -­‐  Fréquence  propre  réglable  

 (ballast  &  plate-­‐forme)  

Analyse au Laboratoire du Mouvement

2.  Passerelle  en  acier       ƒ   M   ξ    Hz    kg   %  

Config.  1   4,9   1250   0.14  Config.  2   4,05   1856   0,31  Config.  3   3,65   2441,5   0,47  Config.  4   3,16   3110   0,40  Config.  5   2,66   4920   0,60  

-­‐  Portée:  12  mètres  -­‐  Fréquence  propre  réglable  

 (ballast  &  plate-­‐forme)  

Analyse au Laboratoire du Mouvement

Caméras  

InstrumentaPon  

Kistler  Force-­‐Plate  [1000  Hz]  

12  LED  AcPve  markers  [CODAMoPon  –  200  Hz]  

Analyse au Laboratoire du Mouvement

Garder  les  vibraPons  autour  d’une  valeur  cible  

Protocole  expérimental  …  meure  la  structure  en  résonance  le  plus  rapidement  possible          sans  décoller  les  talons,  puis  maintenir  les  déplacements  à  amplitude          maximale  le  plus  longtemps  possible…  

Viser  un  déplacement  maximum  

Résultats Passerelle  en  bois  

Exemple  –  ConfiguraMon  3  –  f  =  3.2  Hz  

ConfiguraPon  2    –  2,8Hz  

ConfiguraPon  4    –  3,9Hz  

•  Régime  transitoire  très  court,  •  puis  long  régime  staPonnaire  

Résultats Passerelle  en  acier  

Exemple  –  ConfiguraMon  3  –  f  =  3.65  Hz  

•  Régime  transitoire  très  long  •  Aueinte  d’un  régime  staPonnaire  ?  

Temps  [s]  

10 15 20 25 30-30

-20

-10

0

10

20

30

Accé

léra

tion

[m/s×]

10 15 20 25 30-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Dépl

acem

ent [

m]

Temps  [s]  

?0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Patricia

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Victor

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Theodora

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Vincent

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Alex

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Nicolas

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Patricia

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Victor

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Theodora

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Vincent

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Alex

0

10

20

30

2.66 3.16 3.65 4.05 4.9Freq [Hz]

Acc

max

[m/s

2]

Nicolas

Résultats Passerelle  en  acier  

•  Acc.  Max,  jusqu’à  2  ou  3  g  !  •  Forte  dépendance  vàv  Freq[Hz]  

[  Stats  sur  20  réalisaPons  ]  

Résultats Passerelle  en  bois  

Résultats Passerelle  en  bois  

Déphasage  des  angles  α,  β,  γ (par  rapport    au  dépl.)

•  On  est  loin  d’un  opPmum  passif  de    90°  !  •  Le  pompage  d’énergie  est  iniPé  dans  la  parPe  supérieure  du  corps  

Trajectoire  du  centre    de  gravité  du  corps  

TransiPon  entre  3  Hz  and  3.5  Hz  

Déphasage  des  angles  α,  β,  γ (par  rapport    au  dépl.)

Résultats Passerelle  en  bois  

Résultats Passerelle  en  acier  

5 10 15 20 25 30 35 40 45-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Temps [s]

Dépl

acem

ent [

m]

Déplacement au cours du temps

5 10 15 20 25 30 35 40 4560

80

100

120

140

160

180

Temps [s]

[Deg

ré]

Variation des angles alpha, beta et gamma au cours du temps

AlphaBetaGamma

5 10 15 20 25 30 35 40 45-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Temps [s]

Dépl

acem

ent [

m]

Déplacement au cours du temps

5 10 15 20 25 30 35 40 4560

80

100

120

140

160

180

Temps [s]

[Deg

ré]

Variation des angles alpha, beta et gamma au cours du temps

AlphaBetaGamma

AdaptaPon  de  la  posture  

Résultats Passerelle  en  acier  

5 10 15 20 25 30 35 40 450

100

200

300

400

[Deg

ré]

Déphasage de la force au cours du temps

Force

5 10 15 20 25 30 35 40 45-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

[m]

Déplacement au cours du temps

Temps [s]

AdaptaPon  du  déphasage  en  foncPon  de  la  réponse  

[  ConfiguraPon  5,  f  =  2,66  Hz  ]  

Résultats Systèmes  Perturbateurs  de  vandales  

Passerelle  

Plate-­‐forme  de  force  

Sol  Chaîne  

Résultats Systèmes  Perturbateurs  de  vandales  

Passerelle  

Lame  métallique  

Gap  

0,03  0,035  0,04  0,045  0,05  

0,055  0,06  0,065  

à  vide   2   2   1,5   1,5   1,5   1,5   1,5   0,5  

à  vide   0,8   0,8   0,8   0,8   1,25   1,25   1,25   1,25  

[m]  

Gap  [cm]    

Épaisseur    lame  [mm]  

Déplacement  maximal  

Avec  lame  

Résultats Systèmes  Perturbateurs  de  vandales    

Butée  réglable  

Butée  réglable  

Lame  

Masse     Gap  up  

Gap  down  

Structure  de  support  

0,064  0,065  0,066  0,067  0,068  0,069  0,070  0,071  0,072  

1   1,5   2   2,5   3,5   3,5   2,5   0,5   1   à  vide  

1   1   1   1   1   2   2   0,5   0,5   à  vide  

[m]  

Gap_down    

Gap_up  

Déplacement  maximal  

Homme/Vandale  =  Masse  +  Force  ?  

Conclusions

Preuves  de  l’interacPon  Homme-­‐structure  

Le système Homme-structure n’est pas

un système passif

10 15 20 25 30-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Dépl

acem

ent [

m] •  Existence  d’un  feedback  

•  ModélisaPon  énergéPque  

SollicitaMons  =  Challenges  de  l’ingénierie  civile    

Développements  futurs:  système  de  perturbaPon  de  vandalisme,  !  Importance  de  la  combinaison:  analyse  de  mouvement  avec  la  vision  GC  

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