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Boukheddimi, Melya. Human gait simulation using motion generation methods from robotics

Boukheddimi, Melya (2020). Human gait simulation using motion generation methods from robotics.

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Résumé en francais

Le corps humain est un système complexe composé de plus de 600 muscles, qui contribuent à l'actionnement de plus de 200 degrés de liberté (DDL) [35]. Il s'agit donc d'un système hautement redondant pour la plupart des tâches. De nombreux auteurs ont suggéré que le système nerveux central ne contrôle pas indépendamment en temps réel chaque muscle et DDL [54]. Bien que le nombre élevé de muscles et de DDL rende difficile le problème du contrôle moteur, il offre de grandes capacités d'adaptation au corps pour l'exécution de plusieurs tâches simultanément si nécessaire [54]. Parmi ces tâches qui requièrent un haut niveau de coordination motrice, la marche bipède est cruciale. La marche bipède est le moyen naturel de locomotion de l'être humain. Bien que ce mouvement soit assez stéréotypé entre les individus, on ne sait toujours pas comment le système nerveux central coordonne-t-il le système musculo-squelettique complexe afin de générer la marche, ni comment les différentes séquences du cycle de la marche sont régulées. Afin de répondre à ces problématiques, nous avons proposé de simuler la démarche semblable à celle de l'être- humain en utilisant un modèle simplifié de corps rigides poly-articulés (modèle squelettique 3D du corps entier comprenant 42 degrés de liberté), sur lequel nous avons appliqué deux méthodes différentes de génération de mouvement. Cette thèse s'inscrit donc dans le cadre de la génération de la démarche humaine, en utilisant des méthodes de génération de mouvement issues de la robotique. La première contribution de cette thèse, montre qu'il suffit de contrôler un petit nombre de tâches soigneusement sélectionnées pour reproduire fidèlement la cinématique de la démarche humaine. Pour cela, un contrôleur de tâches Hiérarchiques est appliqué au modèle du corps complet en utilisant uniquement 3 tâches hiérarchiques afin de générer neuf différentes allures de type humain. L'analyse des allures simulées montre l'émergence de propriétés significatives de la marche humaine. Afin de valider nos résultats, une comparaison entre les rotations articulaires des mouvements simulés et des mouvements de référence humaine est effectuée. Enfin, une discussion est fournie pour illustrer l'intérêt de l'approche choisie en comparaison à des travaux connexes. La deuxième contribution de cette thèse est basée sur l'hypothèse bien connue stipulant que le mouvement humain est le résultat d'un processus d'optimisation. Nous considérons ici un ensemble réduit de critères, qui semblent être optimisés pendant la marche humaine, issues de l'observation de la marche humaine et de l'état de l'art correspondant. Le Contrôle Optimal direct basé sur l'algorithme de Programmation Dynamique Différentielle est appliqué sur ces critères avec le modèle corps complet afin de générer neuf mouvements de marche différents. Les mouvements de marche simulés sont ensuite analysés et comparés à la référence humaine pour démontrer la qualité de la méthode de génération de la marche sélectionnée. L'intérêt de cette approche d'optimisation pour la génération de mouvements de type humain est enfin discuté. Finalement, une comparaison entre les deux méthodes issues de la robotique est présentée et discutée, en impliquant une analyse de la qualité des mouvements obtenus.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Watier, Bruno
Ecole doctorale:Systèmes
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Simulation - Génération de mouvement - Marche bipède - Contrôle hiérarchique - Contrôle optimal - DDP - Robotique - Biomécanique - Humanoïde
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :15 Dec 2020 08:35