les outils d`analyse dynamométriques

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LES OUTILS D’ANALYSE DYNAMOMÉTRIQUES
1. Introduction
Les outils d’analyse dynamométriques sont des instruments permettant la
mesure des forces de réactions externes. Dans le domaine de la biomécanique
du corps humain, les forces seront considérées externes lorsque celles-ci
s’exercent entre un segment corporel et un environnement externe, alors que ces
mêmes forces seront dites internes lorsqu’elles s’exercent entre deux segments
corporels adjacents. Un exemple de force externe est celle qui s’exerce entre le
pied et le sol durant la locomotion, ou bien entre la main et la jante (main
courante) d’un fauteuil roulant manuel durant la propulsion. La force de contact
qui s’exerce entre la surface du plateau tibial et les surfaces des condyles du
fémur sera considérée comme une force interne. Les outils dynamométriques
permettent la mesure des conditions de charge entre un segment corporel dit
terminal et l’environnement. Les instruments dynamométriques se distinguent par
le fait qu’ils mesurent les forces de réaction s’exerçant sur une plate-forme rigide,
d’où le nom parfois donné à ce genre d’outil « plate-forme de force ». Il existe
aujourd’hui plusieurs types d’outils dynamométriques : Le plus connu est la
classique plate-forme de force utilisée dans beaucoup de laboratoire d’analyse
de la locomotion ou bien en milieu clinique de réadaptation. La deuxième plate-
forme a été développée il y a quelques années et permet la mesure des
conditions de charge entre la main de l’usager et la main courante d’un fauteuil
roulant manuel durant l’activité de la propulsion. La plus récente ressemble
essentiellement à la plate-forme de force mais cette dernière est incorporée dans
un tapis roulant. Du fait de son coût élevée, la plate-forme intégré à un tapis
roulant ne se retrouve que dans certains laboratoires de recherches (Exemple :
le Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie à l’ÉTS-CHUM). Dans les
sections qui suivantes, on décrira le principe des outils dynamométriques
statique et dynamiques ainsi que leurs applications.

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2. La plaque dynamométrique de force statique type AMTI
La plaque dynamométrique de force est dite statique car elle est fixée de
manière statique sur le sol. Elle peut mesurer en temps-réel les forces et les
moments (couples) s’exerçant sur sa structure métallique rigide. Dans le
domaine de la réadaptation elle est utilisée pour mesurer les forces et moments
de réaction qui serviront à estimer la trajectoire du point d’application de ces
forces qu’on nomme plus souvent centre de pression (COP) [1].
2.1 Principe de fonctionnement
La figure 1 présente un schéma de la plaque dynamométrique AMTI (American
Mechanical Technology Industry).
Figure 1: Schéma représentatif de la plaque dynamométrique AMTI (tiré de la documentation :
site web de AMTI)
La plaque dynamométrique AMTI est composée de trois plaques métalliques (fig.
1). La plaque interne du milieu contient quatre (4) capteurs de forces triaxiaux
permettant la mesure des forces dans les trois dimensions indiquées par les
axes X, Y et Z. Chaque capteur de force est réalisé grâce à pont de Wheastone
autour d’une résistance variable qui correspond à une jauge de contrainte. Un
autre boitier (MinAmp) accompagne la plaque dynamométrique AMTI qui sert
d’amplificateur. La figure 2 montre le schéma synoptique de l’amplificateur.

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Figure 2: Schéma synoptique du boitier MinAmp de la plaque AMTI (tiré de la documentation :
site web de AMTI).
La jauge de contrainte est représentée par le pont de Wheastone qui est
généralement excité par une tension continue de ±10 Volts. La tension est
ensuite amplifiée et un filtre anti-repliement analogique « anti-aliasing » à la
fréquence de 1 kHz permet d’éviter les situations de repliement de spectre lors
de l’échantillonnage du signal. Le signal analogique amplifié se présente sous la
forme d’un port parallèle à l’arrière du boitier MinAmp. Ce port contient en
permanence les six signaux délivrés par la plaque dynamométrique à savoir les
trois forces Fx, Fy et Fz ainsi que les trois moments autour de ces mêmes axes.
Ces signaux pourront être colligés grâce à une carte d’acquisition et de
numérisation des signaux analogiques. Par ailleurs, le boitier MinAmp permet
aussi de numériser à l’interne grâce à un convertisseur analogique numérique les
six signaux ainsi que de les sérialiser en utilisant le protocole standard RS-232.
Ce standard se présente sur le port série DB-9 présent à l’arrière de l’appareil.
Grâce à la numérisation interne fournit par le boitier MinAmp la plaque

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dynamométrique peut être utilisée avec n’importe quel ordinateur muni d’un port
série RS-232.
2.2 Transformation force-tension
Dans cette section, nous allons décrire la transformation permettant de générer
la tension représentant le signal de force ou le moment appliqué sur la plaque
analogique. Le signal analogique de sortie dépend de plusieurs facteurs : la
sensibilité du capteur, la tension d’excitation du pont de Wheastone ainsi que le
gain de l’amplificateur. Si une force FN en Newtons est appliquée sur un axe
particulier de la plaque dynamométrique la tension analogique de sortie
correspondant à cet axe sera calculée de la manière suivante :
0.000001
OexcN
VSVGF=×××× (1)
La valeur de 0.000001 exprime un facteur d’échelle en microvolts/Volts et
représente une unité de sensibilité. S représente la valeur de la sensibilité, Vexc la
tension d’excitation en Volts, G le gain de l’amplificateur et FN est la force
appliquée.
Exemple 1
Calculer la tension de sortie du capteur dans les conditions suivantes :
Fy =200 N; S = 0.67 µV/V; Vexc = 10 volts; G =4000;
La tension de sortie sera calculée par l’équation (1).
Vo = 0.000001 x 0.67 x 10 x 4000 x 200 = 5.36 volts

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2.3 Conversion analogique numérique
Dans l’exemple précédent, la tension de recueillie par le capteur est exprimée en
Volts. Ce signal peut être visualisé facilement grâce à un oscilloscope ou un
voltmètre. Néanmoins pour sauvegarder la donnée dans un ordinateur, il est
essentiel de convertir ce signal analogique en signal numérique. Cette
conversion est réalisée grâce à un convertisseur analogique numérique qui
transforme un signal analogique en un nombre entier variant entre une valeur
minimale et maximale. L’étendue de cet intervalle dépend de la résolution du
convertisseur. La résolution du convertisseur du MinAmp est de 12 bits. Ce
codage signifie qu’il existe 212 = 4096 niveaux possibles. Ainsi si la tension
d’excitation du pont est de ±10 Volts alors la conversion entre la tension mesurée
et la tension numérisée sera de :
12
2
5.36 5.36 204.8 1097.7
20
×= × = bits
Néanmoins comme le convertisseur ne fournit que des nombres entiers la valeur
numérisée qui correspond à l’application des 200 N sera de 1097. Il est parfois
possible de calculer la valeur du plus petit incrément en N/ bits. En d’autre terme
que vaut la valeur d’un bit. Supposons que la force appliquée sur le capteur est
de 1 N, alors la valeur électrique du signal sera de :
0.000001 0.67 10 4000 1 0.0268
O
V=××××= volts
La valeur de 0.0268 volts sera convertie en valeur numérique via un
convertisseur à 12 bits en 0.0268 volts x 204.8 bits/volts = 5.489 bits. Dans ce
cas la valeur de un bit vaut l’inverse du dernier résultat c’est-à-dire de 1N / 5.489
bits = 0.182 N/bit. Alors la force Fy de 200 N appliquée précédemment a une
résolution de 0.182 N/bit. Pour déterminer la résolution d’un capteur vous devez
connaître la capacité de votre convertisseur analogique numérique. Car les
résultats précédents varieront si à la place de 12 bits vous avez choisi un
convertisseur à 16 bits tout en gardant toujours ±10 volts comme valeur de