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Les mouvements du corps humain et son interaction avec le monde extérieur sont étudiés au sein du Laboratoire d'Analyse du Mouvement Humain (ULg). Brassant des applications qui vont de la performance des sportifs de haut niveau à la modélisation de tâches quotidiennes comme la marche, ce laboratoire s'intéresse également à l'interaction qu'un individu est capable de développer avec une structure de génie civil. Notamment, l'étude de la faculté d'une personne à pouvoir mettre une passerelle en vibration, par effet de vandalisme, a permis de mieux comprendre l'étroite interaction menant à la synchronisation, heureusement imparfaite, entre un vandale et une passerelle.
Citation preview
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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