EP1754521A1

EP1754521A1 - Procédé et dispositif de determination de l'efficacité de la foulée d'un coureur

Info

Publication number: EP1754521A1
Application number: EP05107497A
Authority: EP
Inventors: Rolf Vetter
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: DE602005014865D1; EP1754521B1; ATE433341T1

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée d'un coureur comportant les principales opérations suivantes :
- mesure des accélérations instantanées du coureur, dans au moins les directions frontale et verticale,
- obtention d'une information représentative de la vitesse frontale moyenne du coureur,
- calcul d'un indice s'exprimant comme un rapport entre une fonction d'au moins les accélérations et une fonction d'au moins la vitesse frontale, et
- production d'une information représentant l'indice.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des activités physiques. Elle concerne, plus particulièrement, un procédé de mesure de l'efficacité ou, ce qui revient au même, de l'inefficacité, du mouvement de la course à pied.
L'efficacité du mouvement sportif se distingue d'une efficacité globale dans laquelle interviennent des facteurs cardio-vasculaires mais également techniques ou bio-mécaniques. Pour ce qui concerne la course, l'efficacité globale est proportionnelle au rapport de la vitesse de propulsion du sportif à son rythme cardiaque. En effet, la vitesse est proportionnelle à la puissance de sortie, tandis que le coeur peut être assimilé au moteur du coureur.
L'efficacité globale d'un coureur peut, certes, constituer une donnée intéressante, mais elle ne permet pas de faire la distinction entre les aspects cardio-vasculaires et bio-mécaniques de l'efficacité, et donc d'optimiser ces deux aspects indépendamment l'un de l'autre.
L'efficacité du mouvement, ou efficacité bio-mécanique, fait intervenir de nombreux paramètres, tels que l'orientation des appuis, la coordination des gestes, les mouvements parasites, etc..., qui sont difficilement quantifiables. Un modèle conceptuel, décrit dans un ouvrage de P.R. Cavanagh (Biomechanics of distance running, Human Kinetics Books, 1990), utilise la relation entre la consommation d'oxygène, la vitesse et différents facteurs bio-mécaniques. Une estimation de l'efficacité basée sur ce modèle requiert l'utilisation d'un grand nombre de senseurs destinés à collecter l'ensemble de l'information, résultant en un encombrement important incompatible avec une solution portable.
Une solution alternative, décrite dans la demande de brevet EP 04405233 , propose une approche basée sur l'étude et l'analyse de l'accélération du centre de gravité. Différents paramètres extraits de l'accélération du coureur sont comparés aux mêmes paramètres de coureurs de référence, pour un rythme cardiaque donné. Cette méthode présente toutefois quelques inconvénients.
Tout d'abord, la méthode fournit à l'utilisateur un indice n'ayant pas directement de signification bio-mécanique, mais représentatif de la différence entre les paramètres du coureur et les paramètres des coureurs de référence. On admet qu'un indice plus faible correspond à une meilleure efficacité du coureur. Toutefois, ces paramètres étant fortement dépendants de la morphologie du coureur, l'approche n'est correcte que si l'utilisateur a la même morphologie que le coureur de référence.
De plus, il s'avère difficile, de par la nature relative de la méthode, d'établir un objectif d'efficacité globale.
A partir de ces différentes considérations sur la mesure de l'efficacité du mouvement de la course, il est possible de dresser une liste des conditions à remplir pour la mesure d'une telle grandeur :

Une mesure de l'efficacité de course devrait fournir un indice absolu représentatif d'une réalité physiologique ou bio-mécanique.
Un tel indice devrait permettre d'évaluer les pertes dues à une foulée inefficace.
Il devrait, en outre, renseigner le coureur sur l'éventualité d'une foulée dangereuse.
Il devrait aussi informer le coureur durant la course sur le niveau d'efficacité auquel il évolue.
La mesure devrait enfin être d'une complexité minimale afin d'être effectuée par un dispositif compact.

Le procédé selon l'invention répond à ces demandes, en se basant sur un modèle simple de détermination de l'inefficacité d'une foulée à partir de la mesure de l'accélération instantanée et de la vitesse frontale moyenne du coureur.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de détermination de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée d'un coureur, caractérisé en ce qu'il comporte les principales opérations suivantes :

mesure des accélérations instantanées du coureur, dans au moins les directions frontale et verticale,
obtention d'une information représentative de la vitesse frontale moyenne du coureur,
calcul d'un indice s'exprimant comme un rapport entre une fonction d'au moins les accélérations et une fonction d'au moins la vitesse frontale, et
production d'une information représentant l'indice.

L'invention concerne également un dispositif de détermination d'un indice de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée d'un coureur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un accéléromètre destiné à être placé au voisinage du centre de gravité du coureur, un microprocesseur mettant en oeuvre le calcul de l'indice représentatif de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée tel que défini par le procédé, et des moyens d'affichage de cet indice.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence au dessin annexé, dans lequel :

les figures 1 et 2 représentent schématiquement un premier et un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de détermination de l'inefficacité d'une foulée selon l'invention, et
la figure 3 illustre les résultats expérimentaux obtenus sur une population de coureurs.

Le dispositif de mesure de l'inefficacité bio-mécanique représenté schématiquement en figure 1 comporte un accéléromètre à trois dimensions 10, disposé sur le torse du coureur, au plus près de son centre de gravité. L'accéléromètre 10 est destiné à mesurer les accélérations instantanées du centre de gravité dans les trois directions définies par rapport au coureur, à savoir les directions frontale, latérale et verticale. En variante, le dispositif peut comporter trois accéléromètres à une dimension.
On notera que la majeure partie de l'information est contenue dans la mesure des accélérations frontale et verticale, et que, par conséquent, la mesure de l'accélération latérale est facultative.
Les signaux délivrés par l'accéléromètre 10 sont appliqués à un microprocesseur 12 chargé de calculer un indice représentatif de l'inefficacité de la foulée du coureur, selon le modèle exposé plus loin. Cet indice est finalement transmis à un dispositif 14 qui le livre sous forme d'un message écrit et/ou sonore.
Les trois composants essentiels du dispositif peuvent être réunis dans un boîtier unique fixé sur le torse du coureur, mais rien n'empêche que, pour faciliter la lecture du message, l'indice fourni par le microprocesseur 12 soit adressé, par tout moyen de communication à faible distance bien connu de l'homme de métier, à un récepteur porté comme une montre au poignet du sportif.
Le calcul de l'indice d'inefficacité réalisé par le microprocesseur 12 s'effectue à partir des mesures d'accélération instantanée fournies par l'accéléromètre 10 et qui sont désignées respectivement a₁, a₂ et a₃ pour les accélérations frontale, verticale et latérale. Dans toute la suite de l'exposé, les lettres minuscules désigneront des grandeurs instantanées, alors que les lettres majuscules se rapporteront à des grandeurs moyennes.
Le calcul repose sur un modèle proposant une définition de l'inefficacité de la foulée SrI comme étant le rapport de l'énergie cinétique totale variationnelle à l'énergie cinétique du coureur dans la direction frontale. Une telle définition se base sur l'observation suivante.
Le mouvement du coureur est globalement un mouvement frontal à vitesse stable, auquel se superposent des mouvements parasites dans les directions verticale, latérale et frontale. Ces mouvements parasites, ne participant pas à la propulsion frontale, mais consommant une énergie non négligeable, sont caractérisés par des variations de la vitesse instantanée rapides dans les trois directions. Intuitivement, il apparaît que, plus ces variations sont grandes, pour une vitesse frontale constante, plus le mouvement est inefficace. C'est pourquoi, il est judicieux de postuler que le rapport de l'énergie cinétique totale variationnelle à l'énergie cinétique du coureur dans la direction frontale est représentatif de l'inefficacité du mouvement de la course.
L'énergie cinétique frontale du coureur est définie par : $E_{c, frontale} (t) = \frac{m V_{f} {(t)}^{2}}{2}$

dans laquelle m est le poids du coureur et V_f sa vitesse frontale moyenne.
L'énergie cinétique totale variationnelle, autrement dit la puissance instantanée associée à une variation de vitesse du sujet, est obtenue par dérivation de l'énergie cinétique totale : $E_{c, variationnelle} (t) = \sum_{i} m v_{i} (t) a_{i} (t)$

dans laquelle v_i(t) et a_i(t) sont respectivement la vitesse et l'accélération instantanées dans la direction i qui prend les valeurs 1, 2 et 3 respectivement pour les trois directions frontale, verticale et latérale.
Des équations (1) et (2), il ressort donc que l'inefficacité Srl(t) s'exprime de la façon suivante : $S r I (t) = \frac{2 \sum_{i} v_{i} (t) a_{i} (t)}{V_{f} {(t)}^{2}}$
pour i=1 à 3 correspondant aux directions respectives frontale, verticale et latérale. En tenant compte d'un phénomène de stockage et de restitution de l'énergie dans les tendons et ligaments, l'inefficacité Srl(t) s'écrit encore: $S r I (t) = \frac{2 \int_{t - T}^{t} |\sum_{i} α (i τ) v_{i} (t) a_{i} (τ)| d τ}{V_{f} {(t)}^{2}}$

où α(i,τ) est un coefficient de pondération permettant de prendre en considération le phénomène de recyclage énergétique. Dans le cas le plus simple, α(i,τ) est une constante dépendant de l'axe pondéré. Dans une implémentation plus avancée, α(i,τ) est une fonction de la variable d'intégration τ, à estimer en fonction de chaque coureur.
A partir de cette formule de base de l'inefficacité de la foulée, plusieurs options sont possibles pour le calcul de l'indice Srl(t).
Comme le montre la figure 1, selon un premier mode de réalisation, le microprocesseur 12 effectue tout d'abord, en 16, le calcul de la vitesse frontale moyenne V_f à partir de l'accélération verticale instantanée a₂ et selon une des méthodes connues, telle celle utilisée par la firme Polar. L'opération suivante est, en 18, le calcul des vitesses instantanées v_i(t), qui consiste en une intégration des accélérations instantanées a_i(t). Les vitesses sont obtenues à une constante près, égale à zéro pour les directions verticale et latérale et égale à V_f, la vitesse frontale mesurée, pour la direction frontale. L'indice Srl(t) est finalement calculé en 20 selon la formule (3) ou (4). C'est cette information que le microprocesseur 12 fournit au dispositif d'affichage 14.
Le deuxième mode de réalisation, également représenté en figure 1, diffère du premier par les opérations effectuées en 18 et 20. En effet, il est possible d'exprimer avantageusement l'inefficacité de la foulée Srl(t) en fonction des accélérations instantanées et de la vitesse frontale uniquement, deux quantités mesurées directement. La vitesse étant bornée par l'accélération, on peut approximer l'inefficacité de la foulée par l'égalité simplifiée suivante: $S r I (t) = \frac{2 \int_{t - T}^{t} \sum_{i} |α (i τ) a_{i} {(τ)}^{2}| d τ}{V_{f} {(t)}^{2}}$
pour i=1 à 3, dans laquelle les a_i (t) sont les accélérations instantanées filtrées par un filtre passe-bas, dans les directions respectivement frontale, verticale et horizontale. Ainsi, dans ce deuxième mode de réalisation, l'opération 18 consiste à filtrer les accélérations instantanées a_i(t) à l'aide d'un filtre passe-bas, tandis que le calcul de l'indice Srl(t) selon la fonction (5) se fait en 20.
Enfin, un troisième mode de réalisation, représenté en figure 2, diffère des deux premiers en ce que les opérations 18 et 20 se réduisent en une unique opération 22. Il se base sur un raisonnement conduisant également à l'élimination des vitesses instantanées v_i(t) dans la relation (4). La vitesse instantanée étant une fonction périodique de fréquence égale à la fréquence de foulée, elle peut s'écrire sous la forme d'une décomposition harmonique. L'inefficacité de la foulée s'exprime alors par la relation suivante : $S r I (t) = \frac{\int_{t - T}^{t} \sum_{j} \sum_{i} |α (i τ) a_{i, j} {(τ)}^{2} / f_{o, j}| d τ}{V_{f} {(t)}^{2}}$
pour i=1 à 3. Les a_i,j(τ) sont les accélérations harmoniques instantanées dans les directions frontale, verticale et horizontale, et les coefficients f_o,j(t) en sont les fréquences centrales, soit la fréquence de foulée ainsi que ses harmoniques. Ainsi, dans ce troisième mode de réalisation, l'indice Srl(t) est calculé directement sur la base des accélérations instantanées mesurées et à partir de la relation (6) dans une unique étape 22.
La dernière égalité (6), qui est exploitée dans le troisième mode de réalisation, fait apparaître l'influence d'un certain nombre de paramètres sur l'inefficacité de la course, influence par ailleurs déjà observée et établie par diverses études.

Tout d'abord, une valeur de fréquence de foulée élevée tend à diminuer l'indice Srl(t) de l'inefficacité.
Par ailleurs, la vitesse frontale, qui est le produit de la fréquence de foulée par la longueur de la foulée, doit également être élevée afin de minimiser l'indice Srl(t). II en résulte que la longueur de la foulée, comme sa fréquence, doivent être élevées.
Enfin, les accélérations instantanées dans les trois directions, sources de perte d'énergie, doivent être minimisées.

Le modèle très simple ainsi proposé de l'inefficacité d'une foulée est corroboré par les règles générales établies de longue date dans le domaine de la course.
Une étude expérimentale vient également renforcer la validité de ce modèle.
Plusieurs coureurs de tous niveaux ont été équipés d'un accéléromètre à trois dimensions ainsi que d'un dispositif permettant de calculer l'inefficacité de la course selon le modèle proposé. Les résultats de cette étude sont regroupés sur la figure 3 qui représente le graphe de l'indice d'inefficacité SrI en fonction de la vitesse frontale, pour trois groupes de coureurs :

les coureurs débutants, symbolisés par des cercles pleins et des traits pointillés,
les coureurs confirmés, symbolisés par des symboles vides et des traits pleins, et
les coureurs d'élite, symbolisés par des symboles vides et des traits pointillés.

Les trois tendances suivantes sont observées :

Les coureurs d'élite ont une inefficacité bio-mécanique cinq à six fois inférieure à celle des coureurs débutants.
Les pertes énergétiques dues à l'inefficacité bio-mécanique sont de l'ordre de 1% à 5% de l'énergie cinétique.
Une inefficacité minimale est généralement observée pour une vitesse se situant autour de 80% à 90% de la vitesse maximale d'aérobie.

Ces résultats expérimentaux sont corroborés par des études bio-mécaniques antérieures d'une complexité bien supérieure à celle de la méthode proposée par l'invention.
Ainsi, il ressort, que d'une part les développements mathématiques, d'autre part l'expérimentation, basés sur le modèle selon l'invention, vont dans le sens de ce qui est communément connu et admis dans le domaine de la course. Ce modèle est en outre très simple, ce qui permet de l'exploiter à l'aide d'un dispositif portable comportant un accéléromètre à trois dimensions, un microprocesseur, et des moyens d'affichage tels qu'une montre.
On notera par ailleurs que les trois modes de réalisation présentés déterminent l'indice d'inefficacité de la foulée à partir d'une valeur de la vitesse frontale moyenne V_f calculée. Une autre possibilité consiste à se doter d'un dispositif de mesure de la vitesse frontale moyenne commercialisé, tel que le Polar S625X, ou le Forerunner 201/301 de la firme Garmin. Dans ce cas, l'opération de calcul de la vitesse frontale moyenne effectuée en 16 peut être supprimée. Le dispositif de mesure de la vitesse frontale doit toutefois communiquer avec le microprocesseur 12 afin de lui transmettre ses données.
Enfin, la présente description a été faite en se référant à un indice d'inefficacité de la foulée. Bien entendu, une méthode de calcul analogue à celle qui vient d'être décrite et permettant de fournir un indice d'efficacité de la foulée inverse de l'indice d'inefficacité proposé, resterait dans le cadre de l'invention.

Claims

Procédé de détermination de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée d'un coureur, caractérisé en ce qu'il comporte les principales opérations suivantes :
- mesure des accélérations instantanées du coureur, dans au moins les directions frontale et verticale,

- obtention d'une information (16) représentative de la vitesse frontale moyenne du coureur,

- calcul d'un indice (20) s'exprimant comme un rapport entre une fonction d'au moins lesdites accélérations et une fonction d'au moins ladite vitesse frontale, et

- production (14) d'une information représentant ledit indice.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le numérateur dudit rapport est une fonction des accélérations instantanées respectivement verticale, latérale et frontale d'un point proche du centre de gravité du coureur, et le dénominateur dudit rapport est une fonction d'au moins ladite vitesse frontale.
Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites accélérations sont mesurées par au moins un accéléromètre (10) situé à proximité du centre de gravité dudit coureur.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite vitesse frontale est calculée (16) à partir des mesures d'accélérations instantanées.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite vitesse frontale est mesurée par un dispositif de type portable.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit indice calculé est proportionnel à la fonction suivante : $\sum [v_{i} (t) a_{i} (t)] / [V_{f} {(t)}^{2}] i = 1 à 3$

dans laquelle v_i(t) et a_i(t) sont respectivement les vitesses et les accélérations instantanées dans les trois directions frontale, verticale et latérale, et V_f(t) est la vitesse frontale moyenne dudit coureur.
Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites vitesses instantanées sont calculées (18) par intégration desdites accélérations instantanées.
Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite fonction est simplifiée de manière à n'exprimer ledit indice qu'à partir des accélérations instantanées et de la vitesse frontale moyenne.
Dispositif de détermination d'un indice de l'efficacité ou de l'inefficacité de la foulée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un accéléromètre (10) destiné à être placé au voisinage du centre de gravité du coureur, un microprocesseur (12) mettant en oeuvre le calcul de l'indice tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8, et des moyens d'affichage (14) dudit indice.
Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens pour mesurer la vitesse frontale moyenne du coureur.