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Fabrice Gravez28, rue Montgolfier78360 Montesson

Tél. : 06 88 76 92 05Mél. : f.gravez@free.fr

État Civil

Né le 17 Novembre 1975 à Maisons-LaffitteNationalité FrançaiseCélibataireDégagé des obligations militaires

Situation Actuelle

Depuis Avril 2004 : Post-Doctorat au Commissariat à l’Énergie Atomique(Fontenay-aux-Roses)Sujet : Étude du comportement dynamique de prothèses de hancheafin d’analyser les phénomènes de luxation.

Formation Universitaire

1998 - 2003 : Thèse de doctorat de l’Université Paris VITitre : Outils pour la simulation du comportement dynamique

d’un robot bipède muni de pieds flexiblesMention : Très honorableDirecteur de thèse : F.B. Ouezdou, MdC à l’UVSQ, HDREncadrant scientifique : O. Bruneau, MdC à l’ENSI de BourgesRapporteurs : G. Bessonnet, Pr. à l’Université de Poitiers

J.-P. Verriest, DR à l’INRETSExaminateurs : O. Bruneau, MdC à l’ENSI de Bourges

J.-C. Guinot, Pr. à Paris VIF.B. Ouezdou, MdC à l’UVSQ, HDRA. Riwan, Ing. CEA / LISTP. Thoumie, PU-PH Hôpital Rothschild

1997 - 1998 : D.E.A. de RobotiqueOption : Mécatronique des Systèmes RobotisésUniversité Paris VIUniversité de Versailles-Saint-QuentinÉcole Nationale Supérieure D ’Arts & MétiersMention : Assez-bien

1995 - 1997 : Licence-Maîtrise de Technologie MécaniqueUniversité Paris VI et E.N.S. Cachan

1993 - 1995 : D.U.T. Génie Mécanique et ProductiqueI.U.T. de Ville d’AvrayMention : Assez-bien

1993 : Baccalauréat série E

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Enseignement

2001 - 2003 : A.T.E.R. à l’I.U.T. de Mantes-en-Yvelines1998 - 2001 : Moniteur à l’Université de Versailles-Saint-Quentin

Expériences d’Encadrement

Participation à l’encadrement de stagiaires de D.E.A :– M. R. Thieffry : Modélisation anthropomorphique d’un pied flexible.– M. R. Sellaouti : Etude de la motorisation d’une jambe de robot bipède.– M. B. Mohamed : Conception d’un torse à mobilité minimale pour un robot bipède en vue

de l’obtention d’une marche biomimétique.

Expériences Industrielles

Ingénieur Calcul février 2004 M.A.T.I.S.Simulation du comportement dynamique d’un train d’atterrissage d’A.T.R. 72 (intégrationdu modèle hydraulique des actionneurs).

Stage Maîtrise 1997 R.A.T.P.Technicien supérieur.

Stage D.U.T. 1995 Société TurbomécaTechnicien supérieur.

Saisonnier 1993, 1994, 1995 La PostePréposé à la distribution du courrier.

Expériences Administratives

2002 - 2003 : Membre élu représentant des doctorants du conseil de laboratoire(L.I.R.I.S.)

2001 : Membre nommé représentant des doctorants du conseil de laboratoire(L.R.P.)

Outils Informatique

Langages informatiques : C++ (OpenGL), C, Ada, Pascal, Fortran.

Logiciel C.A.O. : SolidWorks, Catia, ME 10, Autocad

Logiciels de simulation dynamique : ADAMS (Mechanical Dynamics).MotionWorks, S.D.S. (Solid Dynamics)

Logiciels de calcul : Maple, Mathematica, Matlab et Simulink.

Logiciels d’éléments finis : CosmosWorks, Patran, Castem 2000.

Autres Activités

1998-2003 : Membre de l’Association Française de Mécanique

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Publications et Communications

Thèse

– F. Gravez «Outils pour la simulation du comportement dynamique d’un robot bipède muni depieds flexibles», Thèse de doctorat de l’Université Paris VI, Décembre 2003.

Revues internationales

– B. Mohamed, F. Gravez, F.B. Ouezdou «Emulation of the Dynamic Effects of Human TorsoDuring a Walking Gait» Transactions of the ASME, Journal of Mechanical Design (JMD),Volume 126, Numero 5, p. 830-841, Septembre 2004.

– F. Gravez, O. Bruneau, F. B. Ouezdou «Analytical And Automatic Modeling Of Digital Hu-manoids» International Journal of Humanoid Robots (IJHR), Accepté et à paraître (2005).

Congrès avec actes et comité de sélection

– F. Gravez, O. Bruneau, F. B. Ouezdou «Three-Dimensional Simulation of Walk of Anthro-pomorphic Biped», CISM-IFToMM Symposium on the Theory and Practice of Robots andManipulators (RoManSy), Zakopane, Pologne, p. 379-387, Juin 2000.

– F. Gravez, O. Bruneau, F. B. Ouezdou «Capture de mouvement pour la simulation dynamiquede mannequin virtuel», XVème Congrès Français de Mécanique (CFM), Nancy, Septembre2001.

– B. Mohamed F. Gravez, F. B. Ouezdou «Emulation of the Human Torso Dynamic EffectsDuring Walking Gait», IEEE - International Workshop on Robot & Human Communication(ROMAN), Paris, p. 562-567, Septembre 2001.

– F. Gravez, B. Mohamed, F. B. Ouezdou «Dynamic simulation of a Humanoid robot withfour DOFs torso», IEEE - International Conference on Robotics & Automation (ICRA),Washington, D.C., U.S.A., p. 511-516, Mai 2002.

– B. Mohamed F. Gravez, O. Bruneau, F. B. Ouezdou «Four Dof TORSO Dynamic Effectson Biped Walking Gait», CISM-IFToMM Symposium on the Theory and Practice of Robotsand Manipulators (RoManSy), Udine, Italie, p. 453-462, Juillet 2002.

– F. B. Ouezdou, A. Konno, R. Sellaouti, F. Gravez, B. Mohamed, O. Bruneau «ROBIANBiped Project : A Tool for the Analysis of the Human Being Locomotion System», IEEE- International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), Paris, France,Septembre 2002.

– F. Gravez, O. Bruneau, F. B. Ouezdou «Analytical parameterization of anthropomorphic bi-peds», Congrès International sur les Modélisations Numériques Appliquées (CIMNA), Bey-routh, Liban, Novembre 2003.

Rapports

– F. Gravez «Étude d’une commande énergétique pour un robot sauteur (S.A.P.)» Rapport destage de D.E.A., Laboratoire de Robotique de Paris, 1998.

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Activités d’Enseignement

2001-2003 : Demi-A.T.E.R. à l’I.U.T. de Mantes-en-Yvelines1998-2001 : Moniteur à l’Université de Versailles-Saint-Quentin

Demi-A.T.E.R.

DUT GMP DUT GMP DUT GIM1

e année 2e année 1

e année

2002-2003 Mécanique du solide Technologie MécaniqueTravaux Dirigés : 34 h Cours / Travaux Dirigés : 37 h

Travaux Pratiques : 32 h

2001-2002 Mécanique du solide Mécanique du solide Mécanique du solideTravaux Dirigés : 40 h Travaux Pratiques : 56 h Travaux Dirigés : 20 h

Moniteur

DEUG MIAS et SM DEUG SM1

e année 2e année

2000-2001 Mécanique du solide Mécanique (solide & fluide)Cours / Travaux Dirigés : 30 h Travaux Dirigés : 36 h

(× 1 groupe) (× 2 groupes)

1999-2000 Mécanique du solideCours / Travaux Dirigés : 60 h

(× 2 groupes)

Travaux PratiquesFlexion : 12 h

1998-1999 Mécanique du solideTravaux Pratiques

Flexion : 24 h

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– Demi-A.T.E.R.– 2002-2003 :

– 34 heures de travaux dirigés en Mécanique du solide pour la formation D.U.T. GénieMécanique et Productique première année (2 groupes).Equivalent T.D. : 34 heures

– 36 heures de cours/travaux dirigés en Technologie Mécanique pour la formation D.U.T.Génie Industriel et Maintenance première année (2 groupes).Equivalent T.D. : 37 heures

– 48 heures de travaux pratiques en Technologie Mécanique pour la formation D.U.T. GénieIndustriel et Maintenance première année (2 groupes).Equivalent T.D. : 32 heures

– 2001-2002 :– 40 heures de travaux dirigés en Mécanique du solide pour la formation D.U.T. Génie

Mécanique et Productique première année (1 groupe).Equivalent T.D. : 40 heures

– 56 heures de travaux pratiques en Mécanique du solide pour la formation D.U.T. GénieMécanique et Productique deuxième année (2 groupes).Equivalent T.D. : 37,33 heures

– 20 heures de travaux dirigés en Mécanique du solide pour la formation D.U.T. GénieIndustriel et Maintenance première année (1 groupe).Equivalent T.D. : 20 heures

– Moniteur– 2000-2001 :

– 30 heures de cours/travaux dirigés en Mécanique du solide pour la formation D.E.U.G.M.I.A.S. et S.M. première année (1 groupe).Equivalent T.D. : 37,5 heures

– 36 heures de travaux dirigés en Mécanique du solide et des fluides pour la formationD.E.U.G. S.M. deuxième année (2 groupes).Equivalent T.D. : 36 heures

– 1999-2000 :– 60 heures de cours/travaux dirigés en Mécanique du solide pour la formation D.E.U.G.

M.I.A.S. et S.M. première année (2 groupes).Equivalent T.D. : 75 heures

– 12 heures de travaux pratiques Flexion pour la formation D.E.U.G. M.I.A.S. et S.M.première année (6 groupes).Equivalent T.D. : 8 heures

– 1998-1999 :– 24 heures de travaux pratiques Flexion pour la formation D.E.U.G. M.I.A.S. et S.M.

première année (12 groupes).Equivalent T.D. : 16 heures

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Résumé des Activités d’Enseignement

2001 - 2003 : Demi-A.T.E.R. à l’I.U.T. de Mantes-en-Yvelines

Durant deux années consécutives, j’occupais un poste de Demi-A.T.E.R. à l’I.U.T. de Mantes-en-Yvelines où mes attributions d’enseignement concernaient les départements G.M.P. (GénieMécanique et Productique) et G.I.M. (Génie Industriel et Maintenance). Au sein de ces deuxdépartements, je suis intervenu pour effectuer des enseignements liés à la mécanique classiqueet également au génie mécanique.

Trois enseignements distincts m’ont été attribués :

⋄ Un cours/travaux dirigés/travaux pratiques de Technologie Mécanique en D.U.T.Génie Industriel et Maintenance première année. J’ai eu l’occasion, dans ce module, d’en-seigner le génie mécanique avec les thèmes suivants :

- Le dessin industriel (plans de définitions et d’ensembles),

- La cotation fonctionnelle,

- Les roulements,

- Les engrenages (simples et trains épicycloïdaux).

Pour l’étude des roulements et des engrenages, une partie des enseignements portait surla maintenance industrielle (calculs de l’espérance de vie et de la fiabilité des élémentscomposant le système).

⋄ Des travaux dirigés de mécanique en D.U.T. Génie Mécanique et Productique premièreannée sur le thème de la mécanique du solide.Les points abordés dans ce T.D. se décomposaient comme suit :

- La cinématique du point.

- La cinématique des corps rigides (utilisation de l’outil mathématique Torseur)

- Liaisons et schématisation.

- Équiprojectivité.

- Composition des vitesses et cinématique graphique.

- Énergie.

- Énergie cinétique (calcul).

- Puissances virtuelles.

- Théorème de l’énergie cinétique.

- Transmission de puissances.

⋄ Des travaux dirigés enseignés en D.U.T. Génie Industriel et Maintenance première annéeportaient sur les mêmes thèmes que ceux effectués en section G.M.P. mais de façon plussynthétique.

⋄ Des travaux pratiques de mécanique en D.U.T. Génie Mécanique et Productique deuxièmeannée sur le thème global de la mécanique. Les différents thèmes abordés consistaient en :

- Les sollicitations simples (traction (essais et méthodes numériques), flexion, torsion).

- L’énergétique.

- Les phénomènes vibratoires.

- La dynamique des fluides.

- Les systèmes oscillants (Masse-Ressort-Amortisseur).

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1998 - 2001 : Moniteur à l’Université de Versailles-Saint-Quentin

Pendant trois années, au titre du monitorat, j’ai enseigné à l’Université de Versailles-Saint-Quentin en D.E.U.G. M.I.A.S. et S.M. première et deuxième année.

Mes différentes attributions concernaient :

⋄ Un cours/travaux dirigés d’initiation à la mécanique pour les étudiants de M.I.A.S. et deS.M. en première année. Ce cours/T.D. se composait ainsi :

- Un rappel sur les outils mathématiques utiles en mécanique.

- La notion de force et de moment.

- Le principe fondamental de la statique.

- Les efforts intérieurs dans les poutres.

- La traction et la flexion dans les poutres droites.

⋄ Des travaux dirigés de mécanique en D.E.U.G. deuxième année à concurrence de 36 heures.Deux grandes parties ont été traitées dans ce T.D. :

- La première portait sur la mécanique du solide et en particulier :

- Un rappel sur les outils mathématiques.

- Le principe fondamental de la statique.

- La flexion dans les poutres droites.

- La deuxième partie consacrée à la mécanique des fluides se détaillait comme suit :

- La statique des fluides.

- Les deux types de description : Lagrangienne et Eulérienne.

- La dynamique des fluides parfaits.

⋄ Des travaux pratiques sur le thème de la flexion. Cet enseignement, nouvellement créé àl’Université, m’a été très enrichissant. En effet, il a été nécessaire d’étudier et de procéderau choix des types de poutre à instrumenter : la géométrie, le matériau ainsi que leplacement des jauges de déformation.Le T.P. consistait en une présentation du phénomène de la flexion afin de faire une cor-rélation entre le cours et les T.D. de mécanique. Les principaux points abordés lors de ceT.P. étaient :

- L’utilisation d’instrument de mesure.

- L’explication du fonctionnement d’un pont de Wheastone.

- La pertinence du placement des jauges de déformation.

- La linéarité des grandeurs.

- Le calcul d’efforts intérieurs.

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Activités de Recherche

Position du problème

Parmi l’ensemble des robots mobiles, deux grandes classes de systèmes sont à distinguer : lessystèmes à roues ou à chenilles qui possèdent un contact permanent ou quasi-permanent avecle sol et une deuxième catégorie de robots, dits marcheurs qui possèdent la caractéristique depouvoir choisir la position des appuis et de rejeter les points de sustentation impropres à lalocomotion. L’utilisation de pattes permet également une régulation active de la position et del’orientation de la plate-forme et cela quelles que soient les irrégularités du sol.En comparaison avec les robots quadrupèdes, hexapodes ou octopodes, les robots bipèdes pré-sentent l’intérêt de pouvoir être impliqués dans des recherches en biomécanique. Les expé-rimentations sur les robots anthropomorphes peuvent participer activement à une meilleurecompréhension de la locomotion humaine et de ses pathologies, dans le but à terme, d’aider audiagnostic et à la conception de prothèses et d’orthèses.Le processus de conception de ces structures et de génération de leurs allures nécessite la miseen place d’un outil d’analyse apte à évaluer le comportement dynamique de ces structures etleurs performances.

Approche proposée

L’objet de mon travail a été double. Dans un premier temps, je me suis intéressé à la conceptionpréliminaire de robots bipèdes en développant un environnement virtuel de simulation du com-portement dynamique. Dans un deuxième temps, une application basée sur cet environnementvirtuel a été développé dans le but d’étudier en simulation, le comportement de prothèses dehanche intégrées sur un humanoïde.

Conception préliminaire de robots bipèdes :

Afin d’améliorer la phase de conception de robots bipèdes, il a été nécessaire de mettre en placedes outils capables d’optimiser selon certains critères liés à la stabilité globale de la structureet au rendement énergétique :– d’une part, les paramètres structurels du système de locomotion (géométrie des axes, dis-

tribution des masses, coefficients de raideur et d’amortissement pour des éléments de typeressorts et amortisseurs connectant deux solides rigides),

– d’autre part, les paramètres de locomotion (déphasages entre les pattes, temps de cycle, tempsde contact avec le sol, longueur d’enjambée).

La recherche exhaustive des différents paramètres structurels et des paramètres définissant lesmouvements les plus adaptés à réaliser une tâche de locomotion est impossible. Pour lever cettedifficulté, le choix a été d’approcher une structure de référence avec une allure de référenceissue de la nature. Le système de locomotion de l’être humain est en parfaite adéquation avecnotre problème puisqu’il est fortement adapté et performant pour des tâches de locomotiondynamique.Les allures de référence ont été obtenues après enregistrement d’un être humain muni de miresse déplaçant à des allures stabilisées comme la marche, la course et également effectuant destransitions comme un début de marche à partir d’une position statique, une transition marche

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Fig. 1 – Géométrie des segments et degrés de liberté (cinématique d’une jambe et d’un bras)

course, etc. Les allures de référence étant données, il est aisé avec la création d’opérateursspatio-temporels de modifier le temps de cycle ainsi que la métrique du cycle de référence.L’ensemble des simulations du comportement dynamique a nécessité l’utilisation d’un modèled’interaction pied/sol. Le choix s’est porté sur un modèle de contact distribué compliant oùl’ensemble des forces réparties ponctuelles tridimensionnelles sont appliquées sur la surface desorganes sustentateurs des robots. Ces forces exprimées sous forme de lois de comportementont pour effet la génération d’un torseur des efforts du sol sur le pied à six composantes. Deplus, l’utilisation d’un pied flexible permet de minimiser l’impact lors de la pose du talon etégalement d’accumuler de l’énergie pour la poussée de l’extrémité du pied (fig. 2). Le piedflexible est modélisé par un ensemble de solides rigides liés entre eux par des liaisons rotoïdeset des ressorts-amortisseurs de torsion.Résultats : Un certain nombre de résultats ont été obtenus avec l’approche considérée et lesdifférents outils développés. Plus particulièrement, il a été possible de :– modéliser la topologie d’une structure bipède à l’aide uniquement de deux paramètres prin-

cipaux : la masse et la taille du bipède,– définir une méthodologie complète pour la mise en place d’un protocole expérimental concer-

nant l’acquisition et le traitement de données issues d’un système de capture de mouvements.– générer des allures de marche (amorce de marche et marche établie) pour des robots bipèdes

de masse et de taille différentes.– contrôler globalement le robot en intégrant des flexibilités sur les pieds (liaisons complètement

passives)– effectuer un départ de marche suivi d’une marche établie (cf. figure 3),– définir le cahier des charges (dimensionnement des moteurs, etc.) du prototype bipède Ro-

bian (cf. figure 4) développé au sein du laboratoire.

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Fig. 2 – Pied Flexible

Étude du comportement de prothèses de hanche :

Les cliniciens amenés à poser des prothèses totales de hanches et notamment nos collaborateursà l’Hôpital de la Pitié-Salpêtrière sont confrontés au choix optimum du type d’implant. Desévolutions notables ont été réalisées ces dernières années au niveau des matériaux, avec un reculsuffisant pour aboutir à un consensus privilégiant les implants tout céramique et notammentceux à base d’alumine alliée au zirconium.Deux questions majeures n’ont pas encore trouvé de réponse consensuelle. La première questionporte sur la taille de l’implant. Au-delà de l’adaptation à la morphologie du patient celle-ci at’elle une influence sur le comportement de l’articulation ? La deuxième question porte sur lemeilleur type d’implant. Si les rotules standards composées d’un insert sphérique concave etd’une tête sphérique sont bien connues, des rotules en trois parties ont été introduites récemmentet ont montré un comportement intéressant, différent des rotules standards.L’inconvénient réside dans le retour d’évaluation de ces nouvelles prothèses qui ne s’obtiendraque d’ici 5 à 10 ans.Le milieu médical porte un intérêt majeur à posséder un outil de simulation du comportementdynamique de prothèses. En effet, la durée de vie d’une prothèse est a priori inconnu lors de sapose. Ceci s’explique par le fait que chaque être humain est unique et qu’il possède sa proprefaçon de se mouvoir.La majeure partie des tests effectués sur les prothèses reposent sur des essais d’endurance où lesgrandeurs des forces et des contraintes en présence s’appuient sur des valeurs approximativesdes conditions d’utilisations réelles.Le but de cette application est de permettre, à l’aide de l’environnement virtuel, de connaîtreles efforts en condition d’utilisation afin :– de concevoir des bancs de test ou d’effectuer des calculs éléments finis où les efforts appliqués

sont réalistes voire fonction des propriétés massiques et inertielles du futur patient dans lebut dévaluer la durée de vie de la prothèse,

– d’aider à la conception de nouvelles prothèses tant au niveau de la cinématique que sur

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Fig. 3 – Marche sur 1 pas

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Fig. 4 – Robot Robian

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Fig. 5 – Prothèse de hanche bipolaire et tripolaire

l’utilisation de nouveaux matériaux.Les premiers résultats montrent que des prothèses de hanche tripolaires (double mobilité, àdroite sur la figure 5, c’est à dire possédant une partie intermédiaire en rotation) limitent lephénomène de luxation.Le comportement de la rotule double permet en ajoutant une pièce intermédiaire :– de réduire les vitesses relatives de glissement des surfaces et donc les frottements visqueux,– le déplacement positif de la tige par rapport à l’insert grâce au roulement sans glissement de

l’élément intermédiaire dans l’insert.– de provoquer un effet de coin par l’excentration de la tête par rapport à l’insert.