Etude de cas d’utilisateur :
Des chercheurs de l’Université de Waterloo utilisent MapleSim pour aider les athlètes olympiques Team Canada à améliorer les performances de curling en fauteuil roulant

Dans le monde du sport, le recours à la technologie progresse à un rythme soutenu. De nouveaux types de données, couplés à des outils d’ingénierie avancés, permettent de réaliser une analyse plus approfondie du corps humain quant aux déplacements et des tâches spécifiques. Les mouvements peuvent par conséquent être affinés et l’équipement, amélioré, afin d’aider les athlètes à optimiser leurs capacités et performances. John McPhee, professeur en Ingénierie de conception de systèmes à l’Université de Waterloo, a supervisé plusieurs études sur les fonctions motrices des athlètes paralympiques. John McPhee, qui s’emploie à modéliser les interactions entre les athlètes et l’équipement pour maximiser les performances sportives, fait confiance à MapleSim pour ses recherches et le développement du projet. MapleSim permet à son équipe d’explorer des millions de possibilités de conception pour déterminer la solution adaptée à chaque cas.

John McPhee et son équipe ont récemment collaboré avec l’équipe canadienne paralympique de curling en fauteuil roulant afin de concevoir de meilleures frappes de curling. L’équipe de John McPhee, animée par Brock Laschowski, un étudiant en doctorat du Département d’Ingénierie de conception des systèmes à l’Université de Waterloo, a réalisé une étude de la motricité des athlètes paralympiques en fauteuil roulant, en utilisant MapleSim pour modéliser leurs frappes. Les recherches de Brock Laschowski ouvrent la voie à des fauteuils roulants conçus sur mesure pour chacun des athlètes et leur système neuro-musculosquelettique. Le modèle biomécanique humain est constitué de segments corporels rigides caractérisant le torse, la tête et le cou, le haut du bras et l’avant-bras, la main, et représentant également les articulations de la hanche, de l’épaule, du coude et du poignet, qui ont tous été modélisés comme paires cinématiques rotoïdes contenant des quantités d’amortissement visqueux biofidèle. MapleSim a été ensuite utilisé pour effectuer des analyses sur la dynamique inverse du modèle de système multicorps avec des données cinématiques relatives à la pierre et aux articulations mesurées expérimentalement.

« Cela fait maintenant plusieurs années que nous collaborons avec Team Canada et ce fut une grande satisfaction de les voir remporter la médaille de bronze aux Jeux paralympiques de Corée du Sud », explique John McPhee. « Nous espérons gagner des médailles d’or dans les années à venir ».

L’étude a également fait naître l’idée d’un effecteur terminal de curling, un dispositif pour aider les curlers en fauteuil roulant à mieux maîtriser leurs lancers. Ce dispositif fixé à l’extrémité du bâton du curleur assure une meilleure maîtrise de la pierre en la tirant vers l’arrière avant le jet. Deux autres membres de l’équipe de John McPhee, les étudiants Borna Ghannadi et Conor Jansen de l’Université de Waterloo, ont démarré le projet d’effecteur terminal en 2016 à la demande de Mark Ideson, le skip de l’équipe masculine canadienne paralympique de curling, lauréat de médailles d’or paralympique (2014) et de bronze (2018). A l’issue de la modélisation dans MapleSim, un premier prototype a été construit et a fait l’objet depuis lors de plusieurs essais et ajustements. Le dispositif en est maintenant à sa 7e itération ; baptisé à juste titre Mark 7, il est proche du produit fini. « Il a été modifié à plusieurs reprises, car il s’est avéré plus difficile à réaliser que quiconque l’aurait imaginé », confie Mark Ideson. « Mais nous savions que nous pourrions créer quelque chose à condition d’y affecter les bonnes personnes. John et son équipe ont réalisé une superbe conception ».

Actuellement, les curleurs en fauteuil roulant utilisent un dispositif qui maintient la pierre statique avant de la lancer. La possibilité de tirer la pierre vers l’arrière et de rompre le frottement avant le jet procurera d’énormes avantages aux curleurs. Certaines conditions de curling, comme par exemple une glace chaude ou collante, ou encore une pierre fraîchement sablée, peuvent provoquer l’accrochage ou l’oscillation de la pierre au lâcher, induisant un manque de précision. Le Mark 7 permet au joueur de tirer légèrement la pierre en arrière au moment de la frappe, brisant ainsi l’inertie. « Quand vous ne pouvez qu’exercer une poussée vers l’avant, si l’état de la glace n’est pas parfait, vous lancez chaque fois à une vitesse différente », précise John McPhee. « Si vous pouvez tirer la pierre en arrière puis l’envoyer en avant, vous rompez ce frottement et votre tir est bien plus reproductible. Le jeu devient du coup plus intéressant ».

L’objectif consistait à concevoir un mécanisme permettant non seulement aux curlers de tirer la pierre en arrière, mais aussi de bénéficier d’une possibilité de lancement sans intervention de la main. Le dispositif Mark se visse au bout du bâton du curleur et repose fermement sur la poignée de curling. Il peut être serré ou desserré selon les besoins pour épouser la poignée et assurer aux curleurs une meilleure maîtrise de la pierre. Après avoir choisi son tir, le curleur peut positionner la pierre en conséquence, la faire glisser en avant puis la tirer en arrière au moment de la frappe pour séparer le dispositif de la pierre.

« La vitesse et la précision accrues des simulations dynamiques multicorps de MapleSim, rendues possibles par le moteur de modélisation symbolique sous-jacent, a permis à l’équipe de consacrer davantage de temps à la conception et à l’optimisation du système », explique Brock Laschowski. « Plusieurs algorithmes de systèmes multicorps sont commercialisés, mais ces codes de modèles se limitent à l’ingénierie des systèmes mécaniques et ne prennent pas nécessairement en charge les caractéristiques inhérentes aux applications biomécaniques comme par exemple la mécanique musculaire et la dynamique d’activation, les géométries d’articulations humaines non idéales et la dynamique d’impact biomécanique ».

Contrairement aux logiciels multicorps mentionnés précédemment, MapleSim fait appel aux principes de la mécanique et de la théorie des graphes linéaires pour produire des représentations unifiées de la topologie du système et des coordonnées de modélisation, précise Brock Laschowski : « Les équations système étant automatiquement générées de manière symbolique, nous pouvons visualiser et partager les équations avant d’obtenir une solution numérique du code de simulation fortement optimisé. Les algorithmes de MapleSim prennent également en charge l’intégration des composants électromécaniques, ce au cas où nous déciderions finalement d’incorporer des capteurs portables dans le modèle du système ».

Le Mark 7 pourrait avoir d’importantes répercussions dans le monde du curling. La précision de tir en fauteuil roulant est actuellement, selon Mark Ideson, d’environ 60-62%. Si l’Association de curling autorise l’utilisation de nouvelles technologies comme le Mark 7, cette proportion pourrait grimper à 70 ou 75%, explique-t-il: « Si nous pouvons ajouter de la précision, nous améliorerons l’ensemble du jeu. La possibilité de tirer en arrière avec le lancer élimine à coup sûr une certaine instabilité. Un dispositif comme celui-là met vraiment tout le monde sur un pied d’égalité ».

A l’issue d’une récente séance pratique, Mark Ideson a estimé que le dispositif paraissait bien ; son équipe et lui-même ont hâte d’avoir l’occasion d’utiliser le produit fini. « C’est vraiment réjouissant, car nous espérons pouvoir améliorer le jeu grâce à des innovations comme celle-là, qui devrait contribuer à élever le niveau de curling dans le monde ».

Depuis longtemps, John McPhee et son équipe apportent, à l’aide de MapleSim, des améliorations axées sur la technologie à des projets dans le domaine du sport. Ils travaillent actuellement avec l’équipe canadienne de basketball en fauteuil roulant à la modélisation de la poussée du fauteuil dans MapleSim ; ils seront ainsi à même de tester différentes configurations de fauteuil roulant et de déterminer quelles sont les conceptions optimisant au mieux les performances et la vitesse. Ils ont aussi collaboré avec Cleveland Golf/Srixon à la modélisation d’un driver dans MapleSim afin de mieux comprendre les effets de différentes longueurs et poids de clubs sur les performances ; et, avec Hockey Robotics, au développement de SlapShot XT, un robot conçu à l’aide de MapleSim et permettant aux fabricants de tester leurs conceptions de crosses de hockey dans le but d’améliorer les performances et d’éliminer les risques de rupture du matériel.

John McPhee, qui se consacre à l’ingénierie du sport depuis les années quatre-vingts, estime que MapleSim est parfaitement adapté à la modélisation des performances des athlètes et de l’équipement. « Grâce à ses capacités, nous pouvons modéliser, dans un seul et même environnement, les êtres humains, l’équipement mécanique, les actionneurs électriques et les capteurs de rétroaction. Notre conception orientée modèle et nos efforts en matière de commande s’en sont trouvés grandement accélérés », poursuit-il. « Nous utilisons MapleSim pour améliorer les performances dans de nombreux sports. Notre liste de partenaires de recherche est très longue et continue de s’étoffer. Nous sommes enthousiastes à l’idée de ce que l’avenir nous réserve ».

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