Soutenance mémoire
Depuis longtemps, la biomécanique du soldat et en particulier sa locomotion est un sujet de préoccupation des armées terrestres pour garantir la liberté de mouvement du soldat tout en lui permettant de porter le matériel nécessaire à la réussite de sa mission. Lors des entraînements et des opérations extérieures, les soldats se déplacent avec leurs équipements et leurs provisions. De plus, cette charge portée par le soldat n’a cessé d’augmenter dans les armées au cours de l’histoire. Un soldat d’infanterie lors des guerres napoléoniennes portait environ 15 kg, alors qu’un soldat américain lors de la guerre du Koweït portait plus de 40 kg (Knapik and Reynolds, 2012). Les charges de marche d’urgence ont été reportées allant jusqu’à 68 kg (Coalition Task Force 82 and Coalition Joint Task Force 180, 2010).
D’une part, ces charges peuvent avoir des effets délétères sur les performances opérationnelles. Elles réduisent la mobilité (Carlton and Orr, 2014) et rendent plus vulnérables aux tirs ennemis (Billing et al., 2015). L’augmentation du port de charge augmente le temps nécessaire pour effectuer les mouvements de combat courants, tels que les courses de 30 m, les sprints, les rampes, le port d’une victime et le transport de munitions (Jaworski et al., 2015; Loverro et al., 2015). Parmi les autres effets de la charge, on peut citer la diminution de la conscience de la situation (Lim et al., 2017) et de la performance au tir (Jaworski et al., 2015).
D’autre part, le port de charge est un facteur aggravant de l’apparition des blessures. En dehors des blessures de combat, les troubles musculo-squelettiques (TMS) peuvent apparaitre sur le champ de bataille et sur les périodes d’entraînement. Dans une enquête sur les TMS dans l’armée de Terre française (Fuentes, 2011), 84,7 % des militaires interrogés ont été concernés par des TMS sur une période de 12 mois. Elles représentaient une entrave au travail dans plus de la moitié des cas quelle que soit la nature de la blessure.
Port de charge du soldat
Contexte historique
Depuis longtemps, la biomécanique du soldat et en particulier sa locomotion est un sujet de préoccupation des armées terrestre pour garantir la liberté de mouvement du soldat tout en lui permettant de porter le matériel nécessaire à la réussite de sa mission. Lors des entraînements et des opérations extérieures, les soldats se déplacent avec leurs équipements et leurs provisions. Cette charge a une incidence directe sur le confort, l’apparition de fatigue, les troubles musculo squelettiques et la performance militaire. De plus, la charge portée par le soldat n’a cessé d’augmenter dans les armées au cours de l’histoire . On note par exemple qu’un soldat d’infanterie lors des guerres napoléoniennes portait environ 15 kg, alors qu’un soldat américain lors de la guerre du Koweït portait plus de 40 kg. En effet, les équipements modernes adoptent de plus en plus de matériels électroniques, optroniques et de protection, en vue notamment d’accroître les capacités de communication, de navigation, d’observation et la sécurité du combattant, ce qui les rend en contrepartie plus lourds et plus complexes à distribuer sur le corps du fantassin. Dans des sources plus récentes, on reporte des charges de combat (c’est-à-dire les vêtements et équipements essentiels) allant jusqu’à 44 kg (Jaworski et al., 2015) et des charges de marche d’urgence (c’est-à-dire la charge de combat plus les fournitures et équipements supplémentaires) allant jusqu’à 68 kg (Coalition Task Force 82 and Coalition Joint Task Force 180, 2010) .
La préoccupation des armées, quant à la charge portée par les soldats, est une thématique récurrente. Déjà à leur époque, des pionniers de la biomécanique, comme Christian Wilhelm Braüne (1831-1892) et Otto Fischer (1861-1917) ont étudié la locomotion sans et avec port de charge sur nombre de soldats germaniques (Mannoni, 2018). Pour cela, ils ont développé des méthodes de mesures cinématiques tridimensionnelles et des systèmes graphiques uniques. Ils ont aussi réalisé des mesures très précises de volumes grâce à l’immersion de corps dans l’eau, et de position de centre de masse grâce à une technique de suspension en pendule simple. Ainsi, ils ont pu déterminer des équations de régression de position de centre de masse basées sur la taille et la masse des individus. En France cette fois-ci, avec son assistant Georges Demenÿ (1850-1917), Etienne-Jules Marey (1830-1904) avait aussi rendu service à l’armée française en étudiant la locomotion du soldat sous la direction du Lieutenant Andriveau (Mannoni, 2018). Avant cela, il avait été l’inventeur de la première méthode de capture du mouvement, la « chronophotographie », puis de la première plateforme de force, dite « table dynamométrique ». De ce fait, un grand nombre de soldats d’infanterie avait alors été mis à disposition par le ministère de la guerre pour évaluer l’influence du port de charge de 30 à 40 kg. L’idée sous-jacente était alors que les soldats bien entraînés utilisaient des positions de déplacement qui limitaient au maximum les dommages corporels et augmentaient l’économie musculaire. Ces positions détectées pouvaient alors être recommandées aux soldats.
Ainsi, l’étude du port de charge du soldat est une thématique historique pour les biomécaniciens et les militaires. Avec cette préoccupation majeure que si le soldat est trop chargé, il ne pourra remplir son objectif et la performance militaire pourrait être diminuée (Jaworski et al., 2015). On sait aujourd’hui que les charges peuvent réduire la mobilité (Carlton and Orr, 2014) et rendre plus vulnérables aux tirs ennemis (Billing et al., 2015). Des études ont montré que l’augmentation du port de charge augmente le temps nécessaire pour effectuer les mouvements de combat courants, tels que les courses de 30 m, les sprints, les rampes, le port d’une victime et le transport de munitions (Jaworski et al., 2015; Loverro et al., 2015). Parmi les autres effets de la charge, on peut citer la diminution de la conscience de la situation (Lim et al., 2017) et de la performance au tir (Jaworski et al., 2015). L’Organisation du Traité de l’Atlantique Nord (OTAN) a identifié et défini la mobilité comme un des cinq domaines de capacités pour le combattant parmi la létalité, la survivabilité, la viabilité et le C4I (commandement, contrôle, communications, ordinateurs et renseignement). On verra dans les prochaines sections l’incidence de cette diminution de la mobilité par le port de charge sur la biomécanique de la marche et les blessures.
Modification de la marche
La marche est l’activité principale de locomotion du soldat. La marche du soldat est modifiée par l’action qu’exerce la charge du soldat sur son corps. Les stratégies d’adaptation mises en place par les soldats ont été observées grâce à la mesure des paramètres spatio-temporels de la marche, des angles articulaires et des efforts. Ces études permettent d’en comprendre un peu plus sur les sur-sollicitations à l’origine des blessures.
Tout d’abord, la marche est définie comme un mode de locomotion consistant en un déplacement debout en appuis simultanés et alternatifs sur les membres inférieurs. C’est un mode de locomotion caractérisé par la présence constante d’au moins un pied sur le sol (Viel, 2000). sont présentées les différentes phases d’un cycle de marche alternant entre les phases d’appui unipodales et de phases de double support. La charge portée par le soldat a un impact sur ces différentes phases caractérisées par des paramètres spatio-temporels de la marche. Pour des charges supérieures à 30 % du poids de la personne, la longueur du pas diminue (Liew et al., 2016) et la cadence augmente. Pour des charges supérieures à 50%, le temps de phase d’appui et le temps de double support augmentent (Harman et al., 1992; Majumdar et al., 2010). Ces phases prolongées de double support permettent ainsi de stabiliser la marche avec port de charge.
|
Table des matières
1 Introduction
2 Contexte général
2.1 Port de charge du soldat
2.1.1 Contexte historique
2.1.2 Modification de la marche
2.1.3 Épidémiologie des blessures du soldat
2.2 Assister la locomotion du soldat
2.2.1 Améliorer la mobilité des soldats
2.2.2 Bénéfices et contraintes des exosquelettes pour le soldat
2.2.3 Les performances d’assistance des dispositifs actuels
2.3 Intérêts de l’analyse musculo-squelettique
2.3.1 Analyse musculo-squelettique pour l’évaluation et la conception
2.3.2 Prototypage virtuel – exemples d’évaluation d’exosquelette
2.4 Résumé et enjeux scientifiques
3 État de l’art et positionnement
3.1 Introduction
3.2 Modèle biomécanique spécifique
3.2.1 Simulation musculo-squelettique
3.2.2 Calibration Géométrique
3.2.3 Calibration inertielle
3.2.4 Calibration Musculaire
3.2.5 Conclusion et positionnement sur les modèles biomécaniques spécifiques
3.3 Modèle biomécanique générique
3.3.1 Caractérisation anthropométrique de population
3.3.2 Capacité de génération d’efforts couple-angle-vitesse
3.3.3 Conclusion et positionnement sur les modèles biomécaniques génériques
3.4 Données expérimentales
3.5 Conclusion générale du chapitre
4 Modèles génériques du soldat français
4.1 Modèles génériques du soldat français
4.1.1 Base de données anthropométriques
4.1.2 Réduction de dimension par analyse en composantes principales
4.1.3 K-means Clustering
4.1.4 Mise à l’échelle du modèle biomécanique
4.1.5 Résultats et discussion
4.2 Loi de mise à l’échelle générique du soldat
4.2.1 Critères d’évaluation
4.2.2 Machine à vecteur de support pour la régression
4.2.3 Algorithme de sélection d’un ensemble de mesures minimales avec les machines à vecteurs de support pour la régression
4.2.4 Résultats et discussion
4.3 Conclusion générale du chapitre
5 Mise à l’échelle spécifique
5.1 Introduction
5.2 Matériel et Méthodes
5.2.1 Données expérimentales
5.2.2 Mise à l’échelle géométrique
5.2.3 Évaluation des modèles et analyse statistique
5.3 Résultats
5.3.1 Paramètres géométriques
5.3.2 Erreurs cinématiques
5.3.3 Angles articulaires
5.4 Discussion
5.4.1 Paramètres géométriques
5.4.2 Erreurs cinématiques
5.4.3 Angles articulaires
5.4.4 Limites méthodologiques
5.5 Conclusion générale du chapitre
6 Enveloppes couple-angle-vitesse
6.1 Introduction
6.2 Matériels et Méthodes
6.2.1 Population
6.2.2 Protocole expérimental
6.2.3 Traitement des données
6.2.4 Modélisation couple-angle et couple-vitesse
6.2.5 Identification des paramètres des modèles
6.2.6 Critères d’évaluation
6.3 Résultats
6.3.1 Relations couple-angle
6.3.2 Relations couple-vitesse
6.4 Discussion
6.4.1 Relations couple-angle
6.4.2 Relations couple-vitesse
6.4.3 Limites et perspectives
7 Calibration musculaire
8 Conclusion
