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Contribution à  la caractérisation mécanique des critères de qualités du départ de la course vitesse sur 100 m

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par Khalil Ben Mansour
Université de Poitiers - Doctorat 2008
  

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Ch~~~~~ .~~~~~~~ 3

Méthodes de traitement et d'analyse de la gestue~~e

de depart du sprint

L'objectif de ce chapitre est de déterminer la configuration segmentaire la plus précise de l'athlète, à chaque instant, lors d'un départ de sprint. Le repérage de chaque segment dépend directement des méthodes de traitement et d'analyse de données cinématographiques adoptées. Un déroulement rigoureux de ces étapes permet la modélisation des différents segments du corps de l'athlète par des solides indéformables reliés entre eux par des liaisons parfaites. On parle alors de système poly-articulé de solides rigides. L'hypothèse de la rigidité des segments étant primordiale à l'application des principes de la mécanique classique, elle contraint l'expérimentateur à trouver des solutions au problème que pose le mouvement relatif des marqueurs définissant un segment donné.

En effet, en se basant sur le suivi de marqueurs collés sur la peau, l'étude de la gestuelle doit tenir compte, d'une part, des perturbations provoquées par l'élasticité de ce tissu biologique, et d'autre part, de la présence de masses molles. Ces perturbations n'ont pas seulement pour effet de faire varier la longueur des segments mais aussi de modifier la position des marqueurs par rapport à la structure osseuse sous jacente (saillies osseux), ce qui biaise l'estimation des centres articulaires, des axes anatomiques segmentaires et toutes les grandeurs calculées qui en dépendent. Dans ce qui suit seront donc présentées les différentes

étapes de traitement de données cinématographiques afin de garantir une application rigoureuse des différents principes permettant l'étude mécanique de la gestuelle du départ de course vitesse.

1-Capture du mouvement d'un depart de course vitesse

L'une des étapes les plus importantes est la mise en place du système d'acquisition destiné à capturer la gestuelle d'un athlète qui effectue un départ de course vitesse à partir d'une position en quadrupédie. Dans ses travaux, Boucher (2005) discute les problèmes liés au placement des caméras ainsi qu'à la calibration du volume d'étude. Il aboutit à un protocole d'évaluation de la précision des coordonnées des marqueurs [Bouc 05]. Ces recommandations sont prises en compte lors de la capture du mouvement du départ de sprint.

L'outil de capture d'image utilisé est un système optoélectronique Motion Analysis43 comportant six caméras équipées chacune d'un projecteur émettant une lumière rouge à fréquence réglable (200 Hz dans le cas de cette étude). Ce système est piloté par une interface EVaRT permettant, outre la capture et la reconstruction tridimensionnelle des données, leur traitement par des procédures de filtrage. Les marqueurs utilisés sont dits marqueurs passifs. Ils renvoient la lumière (émise par les projecteurs) dans la direction du rayon incident grâce à leurs propriétés rétrofléchissantes (Scotch Light). Suite à la définition d'un référentiel galiléen, la calibration du champ d'étude et l'acquisition simultanée des coordonnées 2D des marqueurs par au moins deux caméras, puis le calcul des coordonnées 3D de chaque marqueurs par des procédures d'optimisation (Annexe-4), il devient possible de définir la situation complète (position et orientation) d'un segment dans l'espace 3D (§-VII-2).

Les acquisitions cinématographiques sont couplées aux mesures des forces instantanées exercées distinctement au niveau de chaque appui (main droite, main gauche, pied droit et pied gauche). L'échantillonnage des 40 voies analogiques issues des six dynamomètres se fait à une fréquence de 1000 Hz. La répartition des voies est la suivante :

m 6 × 2 voies pour les deux blocs de départ instrumentés (Sensix) ;

m 6 × 2 voies pour les deux appuis mains instrumentés (Médicapteurs) ;

m 8 × 2 pour les deux plates formes de force (PFF) (Kistler).

43Le système Motion Analysis ( www.motionanalysis.com) utilisé lors de cette étude nous a été prêté par le Professeur Laurence Chèze - Université Claude Bernard Lyon1

Les PFF sont placées sous les blocs de départ instrumentés. Elles sont utilisées de façon simultanée avec les blocs de départ pour trois raisons : la première est que les blocs de départ instrumentés permettent l'estimation du centre de pression des forces exercées au niveau des pieds (§-VI.2.1). La deuxième consiste à contrôler l'angle d'inclinaison des cales pieds, en considérant les forces recueillies et exprimées dans les référentiels respectifs des PFF et blocs instrumentés. La troisième est d'ordre pratique, elle permet aux blocs de départ, une fois fixés sur les PFF, d'être à la même hauteur que les appuis mains instrumentés.

Un BUZZER délivrant simultanément un bip sonore et une impulsion électrique de +9 V permet de marquer l'instant du signal de départ.

Toutes les grandeurs cinématographiques et dynamométriques enregistrées sont exprimées dans le référentiel galiléen R0 représenté à la figure ci-dessous (figure 76).

Sens du
déplacement

Orientation de g0 = ( O| X 0 ,Y0 ,Z0)

a X0 : horizontal positif dans le sens du déplacement

a

Y0: horizontal positif vers la gauche du coureur

. Z0 : vertical positif vers le haut

n C1 et C2 :

Blocs de départ instrumentés

n C3 et C4 :

Appuis mains instrumentés

n PFF1 et PFF2 : Plates formes de force

Figure 76 Chaîne de mesure cinématographique et dynamométrique

L'estimation des forces exercées sur l'athlète constitue d'une part un point de contrôle pour retrouver l'accélération du centre de gravité égale à la somme des accélérations linéaires

segmentaires définies par cinématographie ( a G = E aGi), et d'autre part, elles représentent le
point de départ du raisonnement par récurrence permettant le calcul des efforts intersegmentaires suite à l'application du modèle dynamique inverse (§-VIII).

Le sujet participant à cette étude est un athlète de niveau régional, ayant une masse de 85 kg, une taille 1,80 m. Sa meilleure performance sur 100 m est de 10,74 s.

1.1-Le moclele poly-articule

L'orientation d'un corps dans l'espace tridimensionnel 0 nécessite son repérage par au moins trois marqueurs non colinéaires.

Au cours des enregistrements dynamiques (§-.2.1) du geste de départ, le coureur est équipé de 41 marqueurs. Ces marqueurs sont dits techniques. Ils assurent la modélisation de l'athlète par 15 corps poly-articulés (figure 77.a).

À ces marqueurs, s'ajoutent 12 autres marqueurs pour définir la situation des quatre dynamomètres (figure 77.b) répartis au niveau des appuis de l'athlète lors de la position Prêt.

(a) (b) (c)

g0

Figure 77 Modèles filaires définis suite à l'emplacement de 41 marqueurs techniques (a), et 13 marqueurs
anatomiques positionnés sur l'athlète (c), ainsi que 12 marqueurs positionnés
sur les quatre dynamomètres (b)

Afin de déterminer les positions des centres articulaires et construire des repères segmentaires suivant les recommandations de l'ISB44 [Wu 02, Wu 05], des enregistrements statiques (§-VII.2.1) sont effectués après avoir ajouté à l'ensemble des 53 marqueurs, déjà présents, 13 autres marqueurs dits anatomiques (figure 77.c).

Le positionnement des marqueurs sur l'athlète est soigneusement défini afin de d'estimer précisément les repères anatomiques segmentaires. Les positions des marqueurs par rapport aux repères anatomiques d'un segment Si sont définies dans le paragraphe qui suit.

Positions des 41 marqueurs techniques sur le corps de l&athlete (figure 77.a)

Tête (1) oreille droite, (2) oreille gauche et (3) os frontal

Tronc (4) processus épineux de la 7ème cervicale [C7], (5) bord proximal du

manubrium sternal, (6) apophyse épineuse de la 10ème vertèbre thoracique [T10], (7) apophyse épineuse de la 5ème lombaire [L5]

Bras

Bras droit (8) pointe antérosupérieure de l'acromion de la scapula droite [Acro D], (9)

biceps brachial droit [Biceps D] et (10) épicondyle latéral de l'humérus droit [EpicLat D]

Bras gauche (14) [Acro G], (15) [Biceps G], (16) [EpicLat G]

Avant-bras

Av. bras droit (11) bord latéral du radius droit [BLR D], (12) processus styloïde ulnaire droit [PSU D]

Av. bras gauche (17) [BLR G], (18) [PSU G]

Mains

Main droite (13) partie distale du 5ème métacarpien droit [MétaCarp5 D]

Main gauche (19) [MétaCarp5 G]

Pelvis (20) épine iliaque postérosupérieure droite [EIPS D], (21) épine iliaque

postérosupérieure gauche [EIPS G], (23) épine iliaque antérosupérieure droite [EIAS D] et (24) épine iliaque antérosupérieure gauche [EIAS G]

44 ISB : International Society of Biomechanics ( http://isbweb.org/)

Cuisses

Cuisse droite (24) grand trochanter [GT D], (25) quadriceps fémoral [Quad D] et (26) condyle latéral [CondLat D]

Cuisse gauche (33) [GT G], (34) [Quad G], (35) [CondLat G]

Jambes

Jambe droite (27) tubérosité tibiale antérieure [TTA D], (28) crête tibiale inférieur [CTI D]

(29) triceps sural droit [TS D]

Jambe gauche (36) [TTA G], (37) [CTI G], (38) [TS G]

Pieds

Pied droit (30) malléole externe du péroné droit [ME D], (31) tubérosité calcanéenne

droite [TC D], (32) 5ème orteil droit [Ort D]

Pied gauche (39) [ME G], (40) [TC G], (41) [Ort G]

Positions des 12 marqueurs sur les dynamometres (figure 77.b)

Les faces supérieures des deux blocs de départ instrumentés et des deux appuis mains instrumentés sont équipées chacune de trois marqueurs : (44-43-44) appui main droit, (45-46-47) appui main gauche, (48-49-50) cale pied droit, (51-52-53) cale pied gauche (figure 77.b). Ces marqueurs sont conservés tout le long des enregistrements dynamiques. Leurs coordonnées définissent les positions relatives des dynamomètres, d'une part, et permettent de contrôler la précision des mesures en mode statique lors des différents types d'acquisitions, d'autre part.

Position des 13 marqueurs anatomiques sur le corps de l&athlete (figure 77.c)

Thorax (55) Appendice xiphoïde

Bras (62), (63) épicondyle médiale de l'humérus droit [EpicMed D] et gauche

[EpicMed G]

Avant-bras (64), (65) processus styloïde du radius droit [PSRad D] et gauche [PSRad G]

Cuisse (66), (67) condyle médial droit [CondMed D] et gauche [CondMed G]

Jambe (58), (59) malléole médiale droite [MalMed D] et gauche [MalMed G]

(56), (67) base de la patella droite [Pat D] et gauche [Pat G]

Pieds (60), (61) premier orteil du pied droit [Ort1 D] et gauche [Ort1 G]

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9Impact, le film from Onalukusu Luambo on Vimeo.