ECI – EA 4070 Equipe LAMA

UFR STAPS

MEMOIRE DE RECHERCHE

Pour l’obtention du Master (2ème année) en

MENTION SCIENCES DU SPORT ET DE LA MOTRICITE

Spécialité Contrôle Moteur

PRODUCTION D’UNE HABILETE MOTRICE :

L'EXEMPLE DE LA COUPE AU SABRE

Présenté par :

Emmanuelle Grimbert

Sous la direction de

Gilles DIETRICH & Yves KERLIRZIN

Année universitaire 2007-2008

-1-

Remerciements :

Mes premiers remerciements vont à Yves Kerlirzin pour sa gentillesse, son courage, sa bonne

humeur, qu’il a su montrer tout au long de cette deuxième année de Master. Son humour

résistant à toute épreuve ne m’a malheureusement pas fait parvenir à le tutoyer, malgré de

nombreuses tentatives. En espérant avoir fait de mon mieux, au cours de cette année

universitaire, afin de transformer ses préjugés sur la Corse et ses habitants.

Mes remerciements à Gilles Dietrich « le parrain » qui, malgré ses nombreux engagements

scientifiques m’a aidé à réaliser nos expériences, et qui a su faire profiter de son expérience

de la recherche et de ses connaissances scientifiques. Merci à lui pour tous les petits « scripts

qui vont bien », et son soutien lors de cette année universitaire.

Un remerciement aux étudiants en Thèse et Master au sein du laboratoire, Caroline « Telma »,

Marc « Nounours », et Lou « Splatch », qui m’ont énormément apporté à travers cette année

tant au point scientifique qu’affectif. Merci à eux d’avoir rendu le travail au sein du

laboratoire agréable et chaleureux.

Je remercie les différents clubs qui nous ont permis d’effectuer nos expérimentations : BUDO

11 (75), CEPESJA (75), Institut Raymond Bish (77), Sambokyodan (75), USC Maison

Blanche Iaido (75), USRO (91).

Je tiens à dédier ce mémoire à ma famille, à mes amis qui, malgré l’éloignement n’ont cessé

de m’encourager, et qui me manquent énormément.

-2-

SOMMAIRE

1. INTRODUCTION 4

2. REVUE DE LITTERATURE 7

2.1. Revue de questions : les théories d’optimisation 7

2.1.1. Le « principe du Minimum Jerk » 9

2.1.2. La loi de puissance 1/3 12

2.1.3. Le « principe du « Minimum Torque-Change Model» 13

2.1.4. Principe de « minimum variance » 15

2.2. La mécanique de la coupe 16

2.3. Activités support 19

2.4. Hypothèses 20

3. METHODOLOGIE 21

3.1. Protocole 21

3.1.1. Sujets 21

3.1.2. Tâche 21

3.2. Matériel utilisé 22

3.2.1. Capture des données 22

3.2.2. Traitement des données 23

3.3. Calibration 23

3.4. Paramètres enregistrés 24

3.5. Analyse statistique 26

4. RESULTATS 27

4.1. Trajectoires 27

4.2. Profils de vitesse du kensen au cours du temps 30

4.3. Angles articulaires 31

4.4. Rapport R = Vt/Vn 34

4.5. Apex 35

4.6. Vitesse maximale du kensen 36

5. DISCUSSION 37

6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES 40

7. BIBLIOGRAPHIE 41

-3-

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Nelson (1983) Comparaison de patterns de vitesse pour le même temps de mouvement. . 8

Figure 2 : (Harris, 1998). Mouvement simple de saccade ............................................................... 10

Figure 3 : Dispositif expérimental permettant de mesurer les trajectoires de la main dans un plan

horizontal. (Selon Flash et Hogan, 1985). ...................................................................... 10

Figure 4 : Viviani et al. (1982).Diagramme illustrant le principe de cette loi. ................................ 12

Figure 5 : Uno et al. (1989). Modèle computationnel pour des mouvements volontaires. ............... 14

Figure 6 : Uno et al. (1989).Illustration expérimentations .............................................................. 15

Figure 7 : Cinématique d'une coupe simplifiée (modifié selon Atkins 2006). .................................. 17

Figure 8 : cinématique d'une coupe réelle. ...................................................................................... 18

Figure 9 : Présentation des 3 activités support de notre travail ...................................................... 19

Figure 10 : Illustration de notre expérimentation, et le placement des marqueurs. .......................... 22

Figure 11 : Représentation des angle articulaires de l’épaule, du coude, et de la main ................... 24

Figure 12 : Coordonnées X (excursion horizontale) et Z (excursion antéro-postérieure ou verticale)

au point de l’apex ............................................................................................................ 25

Figure 13 : Trajectoires représentatives des différentes pratiques en fonction des différents outils. . 27

Figure 14 : Courbure de la trajectoire retour .................................................................................... 29

Figure 15 : Norme de l’amplitude de la vitesse du kensen. ................................................................ 30

Figure 16 : Représentation des différentes phases des coordinations chez les aïkidokas .................. 31

Figure 17 : Angle coude-épaule ......................................................................................................... 33

Figure 18 : Comparaison du Rapport R = Vt / Vn en fonction des 3 pratiques et des 3 outils .......... 34

Figure 19 : Représentation des valeurs de l’apex en fonction des pratiques, et des outils ................ 35

Figure 20 : Comparaison des Vitesses maximales entre les 3 pratiques, et les 3 outils ..................... 36

-4-

1. INTRODUCTION

La production d'un mouvement habile met en jeu la coordination de différentes parties du

corps afin de fournir une réponse optimale face aux contraintes imposées par la tâche. La

plupart des mouvements présentent une très grande complexité impliquant des exigences

cumulées de force, de vitesse, d’amplitude et de précision (Hogan et al. 1987).

D’une façon générale, l’organisation et le contrôle du mouvement peuvent être étudiés en

observant les caractéristiques des trajectoires réalisées par différents segments corporels au

cours de tâches variées (mouvements d’atteinte, de production d’une forme). La formation de

la trajectoire se réfère à la planification et au contrôle du mouvement, et peut être définie

comme « le trajet que le mouvement décrit dans l’espace », ou bien comme « la vitesse de ce

mouvement du départ à la position finale » (Uno et al. 1989), le trajet du mouvement étant

alors considéré comme une séquence particulière des positions successives observées par la

main dans l’espace.

Cependant, au niveau cognitif, lorsque nous effectuons une tâche, le système nerveux

central doit choisir parmi une multitude de trajectoires qui lui sont offertes, permettant

d’atteindre la cible. Selon quels critères le système sélectionne-t-il le comportement mis en

jeu parmi ce nombre infini de possibilités qui lui sont offertes ?

Nous formulons l’hypothèse que l’intentionnalité joue un rôle majeur dans notre système de

sélection afin de produire une trajectoire donnée. Cette notion est définie selon Husserl et

Brentano (par Cayat, 2003) comme la « capacité générale de la conscience à viser un objet, à

se référer à quelque chose, et à se le représenter ».

L’intentionnalité va donc nous renvoyer à l’objet, à l’atteinte d’un but spécifique visé lors

d’un geste. Bril et al.(soumis) montrent que dans des contextes différents (utilisation de 3

outils), la fonctionnalité d’une action (couper) peut être exprimée de manière spécifique par

plusieurs sujets. En effet, selon ces auteurs, la production d’un mouvement dépend de la

finalité de la tâche.

-5-

La représentation que l’on a d’un objet, va nous permettre de nous orienter vers un but à

atteindre, une finalité, ou bien un objectif. Ceci va nous permettre de réaliser le geste le plus

adapté possible, et donc nous faire réaliser la trajectoire adéquate. Ceci signifierait donc que

nous pourrions nous adapter au mouvement en fonction de la finalité de la tâche.

La question qui se pose est celle de la nature de l’activité physique et/ou sportive pratiquée.

Serres (1976) évoque à ce propos la notion de morphocinèse (du grec : morphé = forme,

kinétikos = mobile, relatif au mouvement) définie comme une « motricité dont la finalité

réside dans la production de formes, appréciées en elles mêmes et pour elles mêmes, qui

président aux relations de l'individu à son milieu social à des fins artistiques (critère :

dimension artistique) ». Pour Paillard (1974), les morphocinèses peuvent être définies comme

« des mouvements projetés dans l’espace qui reçoivent leur instruction non plus d’un objectif

spatialement repéré qu’il faut atteindre, mais d’un modèle interne ». Le mouvement est donc

finalisé par une forme à reproduire.

Cette notion s’oppose à celle de télécinèse (télé = but, intention), que l’on retrouve également

dans la littérature sous les termes de « topocinèse », ou « téléocinèse », qui regroupe les

mouvements finalisés par l’atteinte d’objectifs spatialement situés (basketball, tir à l’arc).

Ces deux notions (morphocinèse et télécinèse) nous amènent à nous questionner sur la

production du geste, qui serait donc de deux ordres. Tout d’abord, lorsque nous produisons un

geste, une forme, produisons-nous ou reproduisons-nous une forme ? Ou bien est-ce que nous

traduisons une intentionnalité, c'est-à-dire, est-ce que nous la faisons de manière la plus

efficiente possible ? A travers cet aspect, la production d’une trajectoire est réalisée par un

objectif plus lointain, de l’ordre de l’intentionnalité.

Nous allons expliciter le terme d’efficience. Selon Leplat (1989), « une activité sera dite

d’autant plus efficiente qu’elle permettra d’atteindre à moindre coût le même niveau

d’efficacité ». L’efficacité est un descripteur générique de la performance : selon le contexte et

le type de tâche, elle s’exprime en vitesse d’exécution, précision de la réponse, stabilité.

L’efficience renvoie à l’idée de rendement du système, du rapport entre les ressources

investies et la performance obtenue. Nous allons donc voir à travers notre développement

quelle(s) peuvent être les différentes lois d’optimisation utilisés par les sujets afin d’effectuer

leur geste de manière efficiente.

-6-

Notre approche théorique va donc se centrer sur le geste finalisé : en effet, en comparant

différentes conceptions au travers d’une même production motrice, d’un même comportement

moteur, les mouvements se traduisent par une expression, une objectivation, qui est la

traduction de ce que l’on voit.

La littérature propose différentes approches permettant d’expliquer le contrôle du geste. Ceci

fait l’objet de la première partie de ce travail. Quatre théories rappelant l’existence de lois du

contrôle optimal seront abordées, à savoir la loi du minimum jerk (Flash & Hoggan, 1985), la

loi du minimum torque (Uno, 1989), la loi de la variance minimale (Wolpert & Harris, 1998),

et enfin la loi de puissance 2/3 (Viviani & Terzuolo, 1982).

-7-

2. REVUE DE LITTERATURE

2.1. Revue de questions : les théories d’optimisation

Le but de ces modèles est de prédire les trajectoires produites par les sujets au cours de

mouvements du bras, en utilisant des paramètres cinématiques (minimum jerk : Flash et

Hogan, 1985), et/ou dynamiques (minimum torque change model : Uno et Kawato, 1989).

Dans le cas où il existe une variabilité de la trajectoire produite, un modèle de variance

minimale a été proposé par Wolpert et Harris 1998). Une autre théorie permet de relier le

rayon de courbure à la vitesse relative, selon une loi dite de puissance « 2/3 » (Viviani et

Terzuolo, 1982).

Dans le cadre de l’approche computationnelle, la planification motrice peut être considérée

comme un processus de sélection d’une solution unique parmi de nombreuses solutions

possibles. La sélection d’une trajectoire donnée fait appel à un concept plus général, dite du

contrôle optimal (Bryson et Ho, 1975). Ce concept d’optimisation nous amène ainsi à une

solution choisie selon un critère de minimisation d’une fonction de coût. De nombreux

modèles basés sur cette notion d'optimisation ont été développés dans la littérature (eg

Nelson, 1983 ; Hazan et al. 1986). Cette notion de réduction du coût va de pair avec la notion

de réduction de la complexité du système. Dans cette perspective, Bernstein (1967) propose

que certains degrés de liberté non indispensables à la réalisation de la tâche pourraient être

« gelés », le système moteur choisissant ainsi parmi la multitude de solutions possibles celle

qui serait la moins coûteuse énergétiquement.

La production du geste adapté va donc mettre en jeu la réalisation, la production d’un

mouvement efficient, produit avec un minimum de coût et une efficacité maximale par

l’organisme. Nelson (1983) suggère par exemple que la production d’un mouvement habile

satisfait à un « principe d’économie ». En effet, la réalisation de gestes habiles associés par

exemple à un tempo comme ceux des musiciens, doit se faire de manière « efficiente », avec

une « économie d’effort ».

-8-

Dans cette perspective, l’analyse de la trajectoire représente un moyen parmi d’autres

d’évaluer l’efficience du mouvement. Néanmoins, chaque mouvement peut être défini sur la

base de différents critères :

- temps

- paramètres cinématiques (position, vitesse accélération, secousse)

- couple articulaire nécessaire à la production du mouvement

- variabilité.

En rapport avec ces critères, nous pouvons distinguer trois grands principes de contrôle

optimal : le premier dit de contrôle cinématique faisant appel au «minimum jerk» ou

secousse minimale (Flash & Hogan 1985), et à la loi de puissance 2/3 (Viviani et Terzuolo,

1982), prend en compte uniquement des paramètres cinématiques (distance parcourue, angles

articulaires, vitesse, accélération). Le deuxième, appelé modèle du « minimum torque-change

model ou variation minimale du couple (Uno et al., 1989) fait intervenir des valeurs

dynamiques (forces musculaires, couples développés aux articulations, etc.). Enfin, le

troisième modèle appelé principe de « minimum variance » (Harris & Wolpert 1998) prend

en compte la répétabilité du mouvement.

A : pic d’accélération minimale, E : énergie minimale, J ::

jerk minimal, K : fluidité constante, V : pic de vitesse

minimale (impulsion).

Figure 1 : Nelson (1983) Comparaison de patterns de vitesse pour le même temps de

mouvement.

D'une façon générale, l'organisation et le contrôle du mouvement peuvent être étudiés en

observant les caractéristiques des trajectoires réalisées par différents segments corporels au

cours de tâches variées (mouvements d'atteinte, de saisie, de transport, de production d'une

forme).

-9-

2.1.1. Le « principe du Minimum Jerk »

(Théorie de la variation minimale de l'accélération)

Ce modèle, proposé par Hogan (1984), Flash & Hogan (1985), prédit des trajectoires droites

dans l’espace cartésien de la main. La solution optimale pour un mouvement dépend

seulement de la relation géométrique entre les points initiaux et finaux, la trajectoire étant

indépendante de la dynamique du système musculo-squelettique.

Pour ces auteurs, ce modèle cinématique souscrit à un principe fondamental de la

programmation motrice, celui de fluidité. Pour eux, les mouvements exécutés doivent être

« fluides et gracieux ». Ce critère de fluidité serait un trait caractéristique des mouvements

naturels et un but majeur de la programmation et de la coordination motrice. On comprend

dés lors que la production de cette fluidité se traduise par un mouvement coordonné de façon

à minimiser les variations d'accélération (« jerk » : troisième dérivée de la position) de

l'effecteur.

Ce modèle s’attache entre autres à répondre à des questions telles que « comment le contrôle

du mouvement est-il organisé ? Quelles variables sont contrôlées ? Sur quelles bases le

système nerveux central s’appuie-t-il afin de sélectionner une trajectoire spécifique face aux

nombreuses autres possibles ? Dans quel système de coordonnées la trajectoire est-elle

planifiée ?

Ce modèle d’optimisation est le plus connu. Le jerk est mathématiquement défini comme une

secousse, ou dérivée de l’accélération. La trajectoire est donc planifiée en utilisant ce critère

de minimisation de la secousse.

-10-

(A) position de la trajectoire

(B) vitesse donnée par une 1ère dérivée

(C) accélération (2nde dérivée)

(D) jerk (3ème dérivée).

Figure 2 : (Harris, 1998). Mouvement simple de saccade

La validation de ce modèle a porté sur différents types de mouvements en comparant les

trajectoires prédites par ce modèle à celles observées expérimentalement : mouvements points

à points non contraints, mouvements courbes en passant par un « via point », mouvement

d’évitement d’obstacles. Les travaux de ces auteurs mettent en jeu des protocoles

expérimentaux dans lesquels les sujets doivent atteindre successivement plusieurs cibles dans

le plan.

T1 à T6 sont des cibles matérialisées par

des diodes électroluminescentes. Les

mouvements du poignet sont mesurés grâce

à un potentiomètre, P1, P2.

Figure 3 : Dispositif expérimental permettant de mesurer les trajectoires de la main dans

un plan horizontal. (Selon Flash et Hogan, 1985).

Selon Hogan (1984), les mouvements de pointages de la main sont « lisses », c’est-à-dire que

les paramètres cinématiques de la trajectoire comme la position, la vitesse, l’accélération, etc.

varient de manière continue, régulière dans le temps. L’auteur a donc proposé l’idée selon

laquelle la fluidité d’une trajectoire serait obtenue par la minimisation du carré moyen de la

-11-

moyenne du jerk. L’hypothèse formulée par cet auteur serait que parmi la multitude de

trajectoires possibles pour une tâche de pointage, la trajectoire choisie serait la plus fluide.

Pour vérifier cette hypothèse, l’auteur calcule pour une tâche donnée la trajectoire minimisant

le jerk et la compare à la trajectoire réelle.

Ceci conforte les données issues des travaux de Morasso (1981), qui suggèrent que le système

nerveux central planifierait prioritairement la trajectoire de l’effecteur terminal en fonction

des conditions de vision. Ces travaux montrent que la trajectoire est planifiée dans un repère

cinématique cartésien lié à la main et non pas dans un espace dynamique géométrique lié aux

articulations (polaire, ou sphérique).

Le modèle du Minimum Jerk a plusieurs conséquences majeures. Premièrement, seuls les

paramètres cinématiques de l’effecteur sont pris en compte, ce qui veut dire que les

paramètres dynamiques comme les couples engendrés par les muscles n’interviennent pas

directement dans l’élaboration de la commande motrice. Deuxièmement, le référentiel utilisé

pour calculer la secousse est un repère cartésien lié au laboratoire, c’est-à-dire extracorporel.

Le modèle de la secousse minimale pose la question de la prise en compte de facteurs de

nature biologique dans la planification et la production d’un geste donné. Premièrement, il n’y

a pas à ce jour d’explication de principe permettant de comprendre pourquoi le système

nerveux central (SNC) choisit de minimiser la secousse, à part le fait que cela permet la

production de trajectoires lisses.

Deuxièmement, ce modèle n’explique pas non plus pourquoi une trajectoire lisse serait plus

avantageuse. Enfin, on ne sait pas par quel mécanisme le SNC pourrait estimer un paramètre

aussi complexe que la secousse et l’intégrer sur la durée du mouvement.

Il convient de noter cependant que le principe de secousse minimale a été appliqué avec

succès à d’autres types de mouvement comme celui du pied pendant la course (Hreljac, 2000)

ou celui de la mâchoire pendant la mastication (Yashiro & Takada 2005).

-12-

Ce modèle de minimisation du jerk, en fournissant une description concise d'une grande

variété de mouvements, permettrait de simplifier le contrôle du système, la réduction de

l'amplitude des dérivées élevées du déplacement impliquant alors une réduction du niveau de

l'information requise pour spécifier, stocker ou prédire la trajectoire.

Flash et Hogan (1985), ont généralisé ce principe d'organisation au mouvement multi-articulé

en utilisant cette théorie de l'optimisation dynamique afin de déterminer la trajectoire

fournissant la meilleure performance.

2.1.2. La loi de puissance 1/3

(appelée plus communément 2/3)

Cette loi a été appliquée à des tâches comportant des trajectoires curvilignes. Lacquaniti et al.

(1983) ont remarqué que pour une large classe de trajectoires curvilignes de la main, la vitesse

v(t) était reliée au rayon de courbure r(t) par une loi de puissance, dite loi de la puissance un-

tiers (ou deux-tiers, selon un autre mode de calcul), décrite par l’équation :

v(t) = g r(t)1/3

où g est un facteur constant de gain. On vérifie expérimentalement la validité de cette loi en

calculant la corrélation entre v et r1/3 ou entre log(v) et log(r).

Figure 4 : Viviani et al. (1982).Diagramme illustrant le

principe de cette loi.

Dans le cas du mouvement de la main, cette loi représente la quantification d’une observation

quotidienne selon laquelle la vitesse décroit dans les virages.

Pour des tâches plus complexes, par exemple dessiner des figures en forme de huit, de

limaçon, de trèfle à quatre feuilles, il a été montré que la relation de l’équation n’était pas

vérifiée de manière globale sur toute la trajectoire (Lacquaniti, 1983). Cependant, il était

-13-

possible de segmenter une telle trajectoire en plusieurs sous-unités sur chacune desquelles la

relation était vérifiée (avec donc des coefficients g différents). Les sous-unités ainsi obtenues

correspondaient a posteriori à des parties bien distinctes de la figure. Cette observation a

mené à l’hypothèse du contrôle segmenté (Viviani & Flash 1995), selon lequel le système

nerveux contrôlerait certains mouvements complexes, non de manière globale, mais de façon

séquentielle (sous-unité par sous-unité).

Cette loi de puissance 2/3 a été observée pour d’autres effecteurs que la main, comme le pied

dans la locomotion (Ivanenko et al. 2002), ou le corps dans la locomotion (Vieilledent et al.

al. 2004) ou l’œil dans la poursuite oculaire (DeSperati & Viviani 1997).

Il est possible par ailleurs de souligner l’existence d’une convergence entre le modèle

proposé par la théorie du minimum jerk et la loi de puissance 2/3 (Viviani & Flash, 1995 ;

Richardson & Flash, 2002). Le modèle proposé par Flash et Hoggan porte initialement sur la

cinématique de trajectoires droites. La généralisation de cette théorie permet de l’étendre à

des trajectoires curvilignes, et de mettre en avant la relation entre la vitesse et le rayon de

courbure.

2.1.3. Le « principe du « Minimum Torque-Change Model»

(ou modèle du changement minimal de couple)

Cette théorie a été proposée par Uno et al (1989) vraisemblablement en réponse au

modèle du minimum jerk proposé par Flash et Hogan en 1985. Pour ces auteurs, il semble

surprenant que la trajectoire optimale d'un mouvement volontaire se base uniquement sur la

cinématique du mouvement et soit déterminée indépendamment de données dynamiques

comme la commande motrice. Le Minimum Torque Change Model est un modèle

d’optimisation dans lequel les moments de force entrent en jeu. Il correspond à une

minimisation de l’amplitude de variation des couples articulaires. Cette modélisation explique

le stade de la planification de trajectoire. Ce modèle, fondé sur la minimisation de quantités

dynamiques (et non purement cinématiques comme dans le cas de la secousse minimale) a été

proposé pour expliquer notamment les trajectoires curvilignes de la main lorsqu’elle est

soumise à un champ de forces inhomogène et/ou anisotropique (iso : identique = 1 direction).

-14-

Cependant, la question principale qui reste en suspens est que, lorsqu’une main est dirigée

vers une cible, le SNC doit sélectionner une trajectoire spécifique parmi un nombre infini de

trajectoires possibles. Quelles stratégies le SNC utilise-t-il afin de déterminer la trajectoire

désirée ? De plus, dans quel système de coordonnées la trajectoire est-elle planifiée ?

Uno et al. (1989) proposent un modèle computationnel du mouvement volontaire qui

comprendrait 5 niveaux :

1) détermination de la trajectoire désirée

2) transformation des coordonnées visuelles de la trajectoire désirée en coordonnées

relatives au référentiel corporel

3) génération des commandes motrices afin de réaliser la trajectoire désirée

4) la commande motrice peut être obtenue directement à partir de la trajectoire désirée

5) la commande motrice est directement calculée à partir du but du mouvement.

Figure 5 : Uno et al. (1989). Modèle computationnel pour des mouvements volontaires.

La validation de ce modèle nécessite l’élaboration d’un modèle de la dynamique du

bras comportant ici 2 segments, et la prise en compte de paramètres physiques (masse, centre

de masse, moment d’inertie, viscosité des articulations). La modélisation mettant en avant le

calcul des moments musculaires dépasse le stade de la simple planification de trajectoire.

Des données expérimentales ont été proposées, soulignant les limites du modèle du minimum

jerk : des mouvements de grandes amplitudes réalisées avec des trajectoires curvilinéaires, ce

qui n’est pas prédit par le modèle du minimum-jerk (Uno et al., 1989). Ces travaux montrent

-15-

que lorsqu’une force extérieure agit sur la main, les sujets produisent des trajectoires

curvilinéaires, ce qui n’est pas non plus prédit par le modèle précédent.

Mouvements libres entre 2 cibles (b : T4–T6), et mouvements contraints où une force de ressort est

exercée sur la main (c : T4-T6). (A) : trajectoire de la main prédit par le modèle du minimum torque-

change model. a : trajectoire pour le mouvement libre ; b et c : trajectoire influencée par le ressort.

(B) : trajectoire de la main observée lors de mouvements de bras. a : trajectoire de la main ; b et c :

profils de vitesse correspondant.

Figure 6 : Uno et al. (1989).Illustration expérimentations

La fonction de coût du « minimum torque-change model » est donc fondée sur des variables

dynamiques (le degré de modification du couple articulaire).

2.1.4. Principe de « minimum variance »

(Harris, Wolpert 1998)

Ce modèle a été utilisé par Harris et Wolpert (1998) pour l’étude des trajectoires du bras et de

la saccade oculaire. Il postule l’existence de bruit dans la commande motrice, cette quantité de

bruit étant liée à l’amplitude de la commande motrice. Dans cette perspective, le SNC

produirait le mouvement associé à la variabilité la plus faible. Une même commande motrice

répétée à plusieurs reprises (censée produire à chaque fois le même résultat) donne une

distribution probabiliste sur l’ensemble des mouvements avec une variabilité dans le résultat

de la commande motrice due au bruit. Cette distribution probabiliste implique que l’amplitude

du bruit est directement proportionnelle à l’amplitude du signal. Dans ces conditions, les

mouvements non lisses nécessiteraient des signaux de commande d’amplitude plus élevée et

donc plus bruités. Le caractère lisse des trajectoires permet la précision du mouvement, mais

-16-

ne constitue pas le but en soit du système moteur.

Pour Harris et Wolpert (1998), les commandes neurales sont choisies de manière à minimiser

la variance de la position finale, tout en gardant la durée du mouvement la plus faible possible

(une solution de facilité consistant pour les sujet à produire le mouvement le plus lentement

possible, de façon à produire le bruit relatif à ce mouvement le plus faible possible). L’intérêt

de ce modèle est que la quantité à minimiser (la variance de la position finale) est une quantité

facilement accessible au SNC.

Il existe de notre point de vue un autre paramètre déterminant dans la production d’une

trajectoire d’un mouvement finalisé, l’intentionnalité. Ce paramètre n’est pas de même nature

que les paramètres proposés par les approches précédentes. Ces derniers sont de l’ordre de la

production du mouvement, alors que l’intentionnalité signe la production d’un comportement.

Ce comportement ne peut s’analyser que dans le cadre de mouvements finalisés. Dans le

cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés à un mouvement du membre supérieur,

dans le cadre d’une action de coupe. Cette action répond à un certain nombre de critères

mécaniques qu’il convient d’expliciter.

2.2. La mécanique de la coupe

La question que nous nous posons est celle de savoir « en quoi l’intentionnalité d’un sujet

peut avoir une influence sur la production d’un geste simple, son contrôle et la trajectoire qui

en est issue? »

Nos travaux expérimentaux ont porté sur la production d’une trajectoire particulière mise en

œuvre dans différentes pratiques physiques/sportives de combat. Le geste technique de la

coupe au sabre nécessite en effet la production d’une trajectoire répondant à des contraintes

mécaniques particulières avec un souci constant d’efficience, celui de couper.

La coupe peut être définie mécaniquement par une interaction entre un outil de coupe (la

lame) et le matériau à couper. Dans le cadre de notre étude, plusieurs hypothèses préliminaires

sont à considérer :

• l'outil considéré est en métal, et le matériau à couper est souple et mou en comparaison de

la lame.

-17-

• la coupe consiste mécaniquement en une séparation du matériau (split) et non une

déformation de celui-ci (par exemple un écrasement).

• Cette action de coupe est modélisable en deux dimensions.

En fonction de ces hypothèses, il est alors possible de définir une relation entre l'efficacité de

la coupe et un rapport de vitesse (Atkins, 2006). Ce rapport e (slice) est défini comme le

rapport de la vitesse parallèle au bord de coupe (Vt) et de la vitesse perpendiculaire au bord

de coupe (Vn). Ce rapport Vt/Vn est modifié en fonction de l'angle de l'outil par rapport au

matériau à couper.

La coupe est réalisée à partir d'une simple rotation de rayon R autour d'un pivot avec une

vitesse de rotation ω. P représente le point de contact de la lame avec le matériau à couper. La

vitesse linéaire de cette coupe (Vc) peut être décomposée en vitesse tangentielle (Vt) et

vitesse normale (Vn) à la surface de coupe. N représente la normale à la surface.

Figure 7 : Cinématique d'une coupe simplifiée (modifié selon Atkins 2006).

Lame

N

Vn

Vt

Pivot Z

X

R

ω

Vc

P

-18-

L'efficacité de la coupe est optimisée si d'une part la vitesse ω de rotation n'est pas constante

et si d'autre part le rayon de courbure de la lame n'est pas constant.

Cette modélisation mécanique de la coupe correspond parfaitement à la situation

expérimentale envisagée. En effet, réalisée dans le plan sagittal avec un sabre (de type

katana), la coupe est définie dans un espace à deux dimensions. Cependant, contrairement à la

modélisation présentée ci-dessus, le mouvement ne correspond pas a priori à un mouvement

de rotation autour d'un pivot.

Par conséquent, les paramètres qui semblent pertinents pour caractériser une coupe seront :

- la trajectoire de la coupe

- le rapport vitesse tangentielle/vitesse normale au cours de la coupe. (Vt/Vn)

Figure 8 : cinématique d'une coupe réelle.

Lors d'une coupe réelle, la cinématique du point de coupe (P5) est déterminée par la

cinématique des différents pivots articulaires (P1, P2, P3, P4) en fonction des vitesses de

rotation ωi de chaque articulation (i variant de 1 à 4).

Il est ainsi possible d'optimiser le rayon de courbure de la lame pour maximiser le rapport e .

Cette optimisation a été effectuée seulement dans le cas de mouvement autour d'un axe fixe

Z

X

Vn

Vt

Vc

ω1

ω2

ω3 ω4

P1

P2 P3 P4

P5

-19-

AÏKIDOAÏKIDOAÏKIDOAÏKIDO

Bokken (75cm,

masse,0,700 Kg)

Mouvement dans le vide,

pas de contact

(Atkins, 2006). Il est cependant aussi possible d'optimiser la coupe de façon indépendante en

modifiant la cinématique par le passage d'une cinématique mono-articulée (pivot) à une

cinématique pluri-articulée avec une vitesse de rotation instantanée variable (accélération

angulaire non nulle).

2.3. Activités support

Afin de résoudre notre problématique, nous avons choisi 3 populations utilisant l’activité de

coupe, ayant 3 approches différentes de chaque outil.

Figure 9 : Présentation des 3 activités support de notre travail

KKKKENDOENDOENDOENDO

Shinai (80cm,

masse 0,540 Kg)

Toucher / Frapper

IAIIAIIAIIAIDODODODO

Iaito (75cm,

masse 1kg )

Couper réellement

-20-

2.4. Hypothèses

Notre travail s’articule autour de deux hypothèses.

1. Notre première hypothèse postule que la production d’un geste est dépendante de

facteurs intentionnels et des caractéristiques de la tâche. L’analyse de la cinématique devrait

valider l’idée selon laquelle une coupe efficiente est de forme elliptique (le sabre étant conçu

pour couper de cette façon), une trajectoire circulaire témoignant de la reproduction d’une

forme et non de la prise en compte des caractéristiques de l’outil.

2. Notre deuxième hypothèse suppose que la formation de la trajectoire est fonction de

la nature de la pratique, avec notamment l’existence possible d’un continuum allant de la

pratique de l’Aïkido à la pratique du Iaido via le kendo.

-21-

3. METHODOLOGIE

3.1. Protocole

3.1.1. Sujets

Nos expérimentations portent sur des sujets ayant entre 3 et 10 ans d’expérience dans leur

pratique respective. Les grades s’échelonnent du 1er dan (ceinture noire dans la formulation

profane ou quotidienne) au 5ème dan. 6 sujets pratiquent le iaido, 7 sujets pratiquent le kendo

et 8 sujets pratiquent l’aïkido. Afin d’éviter tout biais méthodologique, nous n’avons pas

retenu de sujets pratiquant 2 disciplines parmi les 3 que nous avons citées (par exemple kendo

et iaido).

3.1.2. Tâche

Chaque sujet a pour consigne d’effectuer 15 répétitions d’un geste simple appelé « suburi »

(brandir et abattre une arme) ou « kiri oroshi » (montée et descente du sabre). Chaque série est

séparée de la suivante par un temps de repos de 2 minutes, au cours duquel le sujet pouvait se

familiariser avec une arme inhabituelle pour lui (par exemple le shinai pour les aïkidokas et

les iaidokas) l’outil. Le signal de départ de la tâche s’effectue par l’expérimentateur, par un

« top » de départ. Chacune de ces 3 séries correspondant à l’utilisation d’une arme différente

(appelée ici outil). Le bokken est une réplique en bois d’un sabre (masse 700g, longueur de la

lame 75cm). Le shinai est une réplique en bambou d’un sabre (longueur 80cm, poids 540g).

Le iaito est une réplique exacte du sabre, mais ne coupe pas (taille de la lame 75cm, poids

1kg).

Chaque sujet choisit l’ordre de passage de l’outil qu’il va utiliser. Il se positionne sur la

marque au sol (pieds sur la même ligne), de profil (gauche) par rapport à la caméra. Les sujets

effectuent 15 répétitions avec chaque outil (iaito, shinaï, bokken) de suburi. Le sujet est libre

d’effectuer les mouvements à son rythme, d’observer des poses entre chaque mouvement.

-22-

3.2. Matériel utilisé

3.2.1. Capture des données

Nous avons utilisé pour notre expérimentation un système de capture optique utilisant une

caméra digitale de type industriel (PROSILICA IIDC 1394®) filmant 5 marqueurs passifs

lumino-réfléchissants. Ces marqueurs sphériques, de 2,5 cm de diamètre, étaient disposés de

la manière suivante :

Figure 10 : Illustration de notre expérimentation, et le placement des marqueurs.

Les marqueurs étaient placés aux endroits suivants :

- sur l’épaule (bord externe de la clavicule)

- le coude (épicondyle)

- le poignet (extrémité distale du cubitus)

- la tsuba

- le kensen (extrémité de l’arme).

Ces marqueurs sont en polystyrène, recouverts d’une couche d’adhésif lumino réfléchissant.

Pour la capture et le recueil des données cinématiques, le principe est le suivant : un

projecteur émet un rayonnement infrarouge réfléchi par les 5 marqueurs sphériques (dont la

surface est composée d’une matière ultra réfléchissante), puis renvoyé à la caméra. Celle-ci

est directement reliée à un ordinateur permettant de recueillir les déplacements des

marqueurs. Cette caméra n’est sensible qu’à un type de longueur d’onde (740 nm) et visualise

-23-

les marqueurs sous forme de tâches vidéo blanches. Ce système nous permet ainsi de

déterminer la position du marqueur. La fréquence d’échantillonnage utilisée est de 100 Hz

(100 images par seconde).

3.2.2. Traitement des données

Pour le traitement des données, nous avons utilisé une suite logicielle appelée

BIOMECALAB®, qui comprend divers logiciels :

- La première étape de notre traitement de données consiste à identifier (nommer) et

« tracker » les cibles ou marqueurs. Pour cela, nous utilisons le logiciel TRACKER®, qui nous

permet d’identifier la trajectoire des marqueurs au cours du mouvement. En effet, à partir des

données brutes vidéo, ce logiciel nous permet de détecter les marqueurs sous forme de cercle,

la transcription de ces données s’effectuant sous la forme d’un fichier .txt. Le tracking des

cibles permet de définir leurs coordonnées bidimensionnelles à chaque instant.

- La deuxième étape consiste à effectuer un certain nombre d’opérations sur les

courbes (filtrages, gaps dus à l’absence de marqueurs, présence de marqueurs fantômes, etc.).

A partir de ces données, le logiciel C3D VEDIT® nous permet de mettre en relation chaque

marqueur, et de visualiser la forme et la trace de la trajectoire.

3.3. Calibration

Une caméra est assimilée à une transformation géométrique de l’espace 3D vers un espace en

2 dimensions. Afin de calculer les paramètres de transformation, deux calibrations sont

nécessaires : la première calibration nous permet d’estimer les paramètres intrinsèques de la

caméra (distance focale, centre du capteur, facteurs de correction des pixels) et des paramètres

de distorsions de la caméra (radiales et tangentielles). A l’issue de cette première calibration,

la caméra nous offre des positions en 2D dans un système de coordonnées (pixels) propres à

la caméra. Pour passer d’un système de coordonnées propres à la caméra à un système de

coordonnées de mesure, une deuxième calibration est nécessaire. Notre étude se déroule en

2D, une calibration DLT (Direct Linear Transformation) en 2D a été utilisée. A l’issue de cette

2ème calibration, les informations fournies sont en unité métrique, relative à l’espace de

mesure (lié à l’espace de capture).

-24-

3.4. Paramètres enregistrés

Deux types de paramètres ont été pris en compte :

- de type qualitatif : forme de la trajectoire, profils des vitesses, angles articulaires relatifs.

Figure 11 : Représentation des angle articulaires de l’épaule, du coude, et de la main

- de type quantitatif : coordonnées de l’apex, rapport de vitesse, vitesse maximale.

L’analyse cinématique menée dans le cadre de ce travail a porté sur la dimension temporelle

et la détermination du chemin parcouru par les différents points (épaule, coude, main, tsuba,

kensen). En ce qui concerne la trajectoire du kensen (extrémité de l’arme), nous avons choisi

de quantifier les paramètres suivants :

Paramètres quantifiés :

Apex

Nous comparons les 3 populations selon l’apex de la trajectoire pour chaque outil. Celui-

ci indique les coordonnées exactes du point le plus haut de la trajectoire et nous permet de

mettre en évidence les stratégies mises en place par les sujets, en fonction de l’outil, et en

fonction des pratiques.

-25-

Figure 12 : Coordonnées X (excursion horizontale) et Z (excursion antéro-postérieure ou

verticale) au point de l’apex

Rapport de vitesse

Le deuxième paramètre étudié est celui du rapport Vitesse Tangentielle / Vitesse Normale

(Vt/Vn) au point de coupe : ce rapport nous permet de comparer l’efficacité de la coupe en

fonction de chaque pratique. Cependant, il sera difficile de trouver le moment t de point

d’impact en fonction de chaque pratique : en effet, ce point est dépendant de facteurs internes

comme les stratégies des pratiquants (accélération en début, fin de la descente de l’outil), les

représentations du geste, etc. L’écart type de chaque valeur sera calculé.

Vitesse maximale

Un autre paramètre essentiel est la vitesse maximale du kensen produite par les sujets au

cours des suburi. Cette vitesse nous renseigne sur la vitesse d’exécution du geste de chaque

pratiquant en fonction de chaque outil.

Courbure de la trajectoire

Cette courbure s’exprime par un rapport Dmax/L où L représente une ligne droite interpolée

entre les points initiaux et terminaux de la trajectoire au cours de la phase de retour (ou

d’abaissement de l’outil), D exprimant la valeur de la normale à cette droite (figure 12).

Dmax

-26-

3.5. Analyse statistique

Nous avons utilisé une analyse de variance (ANOVA à mesures non répétées). Nous avons

ainsi comparé les 3 pratiques avec les 3 outils, en fonction de chaque paramètre. Chaque

ANOVA a été prolongée avec un test Post-hoc de Tuckey.

Pour toutes les procédures statistiques utilisées dans cette expérience, le niveau de

significativité choisi est de p<0,05.

-27-

4. RESULTATS

4.1. Trajectoires

BO

KK

EN

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

IAIT

O

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

SH

INA

I

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Kensen Trajectory

X Position (m)

X P

ositi

on(m

)

AIKIDO KENDO IAI

Figure 13 : Trajectoires représentatives des différentes pratiques en fonction des différents

outils.

L’origine (0,0) est l’épaule.

-28-

La figure ci-dessus met en relation les différentes trajectoires produites en fonction de

l’activité considérée (aïkido, kendo ou iaido) et de l’outil utilisé (bokken, shinai, ou iaito). Ces

différentes courbes représentent le trajet parcouru par l’extrémité terminale de l’outil (kensen)

lors des 15 répétitions effectuées par le sujet. L’inspection visuelle des trajectoires laisse

apparaître des différences selon les pratiques, en termes d’expansion (rapport de la flèche sur

la longueur de la trajectoire), de forme, d’occupation de l’espace. Elle valide l’hypothèse de

l’existence d’un continuum entre les différentes pratiques mais qui n’est pas de même nature

que celui auquel nous avions pensé initialement, à savoir de l’aïkido au iaido via le kendo. En

effet, les aikidokas produisent une trajectoire très circulaire, très arrondie. Les iaidokas

produisent également une trajectoire circulaire mais dont la courbure se révèle moins

marquée. Enfin, les kendokas produisent une trajectoire moins circulaire, plus aplatie.

Ces observations confirment bien notre seconde hypothèse qui supposait que la formation de

la trajectoire était différente selon les différentes pratiques. Nous développerons plus

précisément cet aspect dans la partie suivante (discussion).

Aikido Kendo Iaido

Bokken 0.35 0.25 0.31

Iaito 0.37 0.25 0.32

Shinai 0.37 0.26 0.32

Tableau 1 : valeurs du rapport Dmax / L par activité et par outil.

-29-

Lambda Wilk =,94034, F(8, 668)=2,6081, p=,00818

Bokken Iaito

ShinaiAikido Iaido Kendo

Groupes

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Cou

rbur

e

Figure 14 : Courbure de la trajectoire retour

Un autre point important face à ces premiers résultats est l’absence d’effet de l’outil sur la

trajectoire produite. En effet, nous avions émis l’hypothèse que selon l’outil utilisé, le geste

effectué par le pratiquant serait différent. Il s’avère, d’après ces résultats, qu’il n’y a pas de

différence de trajectoire entre les différents outils, à travers les 3 pratiques. Cependant, nous

remarquons une expansion plus importante avec le shinai, car cet outil est plus grand (0,80cm

au lieu de 0,75 du iaito et bokken). Ceci peut probablement être attribué à la dimension plus

importante du shinai.

-30-

4.2. Profils de vitesse du kensen au cours du temps

L'étude des courbes de vitesse et notamment du profil de vitesse tangentielle permet de

souligner des invariances dans la production de la trajectoire et d'émettre des hypothèses sur

la planification et le contrôle du mouvement volontaire.

BO

KK

EN

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel

. (m

/s)

0.0 0.5 1.0 1.5

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

0.0 0.5 1.0 1.5

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

IAIT

O

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

0.0 0.2 0.4 0.6

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

0.0 0.5 1.0 1.5

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

SH

INA

I

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

0.0 0.5 1.0 1.5

05

1015

2025

Velocity (m/s)

Time (s)

Ken

sen

vel.

(m/s

)

AÏKIDO KENDO IAIDO

Figure 15 : Norme de l’amplitude de la vitesse du kensen.

Les figures ci-dessus affichent les profils de vitesse du kensen au cours du temps, lors de la

phase de montée (0 - 0,6 secondes), puis de la phase de descente (0,7 – fin du mouvement).

-31-

Ces profils sont différents selon la pratique. La population des aïkidokas montre une

production cyclique et quasi sinusoïdale du mouvement, comme si le sujet effectuait un

mouvement rythmé de montée puis de descente de l’outil. Nous observons pour les trois outils

2 pics de vitesse maximale (12 m/s) avec l’occurrence du premier pic à 0,3 sec et l’occurrence

du second à 0,9 sec. Ces profils de vitesse affichent une forme « en cloche », qui nous laisse

supposer une construction cinématique du mouvement nous renvoyant au modèle du

minimum jerk.

Chez les kendokas, nous observons de même 2 pics de vitesse maximale et 2 sinusoïdes

pratiquement équivalentes. Ceci laisse également supposer pour ces sujets une planification

cinématique. Une différence de vitesse apparaît cependant entre les 3 outils, avec un

décrément progressif du shinai au bokken.

Les profils de vitesse des iaidokas ne présentent pas 2 courbes « en cloche », mais un premier

pic de vitesse (montée) différent en amplitude du second pic. Ceci peut être expliqué par une

intentionnalité différente lors de la montée, qui peut être caractérisée comme une phase

d’armé, durant plus longtemps que la phase d’abaissement de l’outil afin d’atteindre une

vitesse maximale lors de la descente (l’inspection visuelle montre des valeurs de vitesse très

nettement supérieures au cours de cette seconde phase.

4.3. Angles articulaires

Phase 1 : (montée) flexion du coude

Phase 2a : extension du coude + extension de

l’épaule

Phase 2b : flexion du coude + flexion de

l’épaule

Phase 3 : extension du coude seulement

Phase 4 : (descente) flexion de l’épaule

Figure 16 : Représentation des différentes phases des coordinations chez les aïkidokas

Phase 2a

Phase 1

Phase 4

Phase 2b

Phase 3

-32-

Les relations entre 2 angles articulaires sont couramment utilisées pour signer des

coordinations motrices. La relation entre l’épaule et le coude est représentatif des stratégies et

coordinations motrices développées par les différents sujets de chaque discipline (figure 16).

L’amplitude de la flexion / extension du coude est représentée par un trajet horizontal, la

flexion/extension de l’épaule étant représentée par un trajet vertical.

De façon claire, les phases 1 à 3 portées sur la figure 16 représentent la trajectoire aller, la

trajectoire retour étant ici bornée par les phases 3 à 1. Le « ventre » affiché par le tracé des ces

différentes phases montre une flexion du coude réalisée par le sujet dès le début de l’armé et

perdurant de façon plus ou moins marquée au cours du geste selon la spécificité de la

pratique.

-33-

Figure 17 : Angle coude-épaule

Ces figures montrent une différence importante entre les différentes pratiques. Les aikidokas

se différencient à nouveau en montrant une surface « inter-phase » importante, cette surface

diminuant progressivement lorsque l’on passe de la pratique de l’aïkido au iaido, le kendo

représentant une fois encore une étape intermédiaire de ce continuum.

BO

KK

EN

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

IAIT

O

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

SH

INA

I

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

60 80 100 120 140 160 180

6080

100

120

140

160

180

Elbow-Shoulder Coordination

Elbow (deg)

Sho

ulde

r (d

eg)

AÏKIDO KENDO IAI

-34-

4.4. Rapport R = Vt/Vn

GROUPES :

KENDO

AIKIDO

IAIDOBOKKEN IAITO SHINAI

Outils

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6R

Figure 18 : Comparaison du Rapport R = Vt / Vn en fonction des 3 pratiques et des 3 outils

Ce rapport est calculé à un instant t de la trajectoire que nous estimons être le point de contact

entre l’outil et l’objet. Selon Atkins (2006), plus la valeur de ce rapport est importante, (i.e.

plus la vitesse tangentielle à la trajectoire est élevée), plus la coupe est efficiente.

Nos résultats montrent une différence significative entre l’aïkido et les 2 autres pratiques,

avec des valeurs très nettement supérieures (pratiquement le double) des valeurs rencontrées

en kendo et en iaido. Ce rapport est d’autant plus important chez les aikidokas lorsqu’ils

utilisent le iaito et beaucoup plus faible lors de l’utilisation du shinai, ce qui n’apparaît pas

pour les autres populations. L’utilisation du shinai présente une influence sur ce rapport de

vitesse (variation du rapport dans les 3 pratiques).

Néanmoins, ces résultats souffrent de notre point de vue d’un important biais expérimental du

notamment à la nécessité pour le traitement de ces données de choisir l’instant de la coupe.

Nous reviendrons sur cet aspect dans la partie discussion de ce mémoire.

-35-

4.5. Apex

X_traj Z_Traj

BOKKEN

Group:KENDO

AIKIDOIAIDO

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

(m)

IAITO

Group:KENDO

AIKIDOIAIDO

SHINAI

Group:KENDO

AIKIDOIAIDO

Figure 19 : Représentation des valeurs de l’apex en fonction des pratiques, et des outils

Cette figure nous permet de mettre en évidence les variations antéro-postérieures (X) et

verticales (Z), puis horizontales des différentes trajectoires en fonction de l’outil utilisé. Nous

remarquons des valeurs plus importantes de la trajectoire en Z chez les iaidokas (avec les 3

outils). Ces valeurs antéropostérieures sont proches quel que soit l’outil. L’étude des

trajectoires dans le plan sagittal laisse apparaître des valeurs supérieures pour les kendokas

uniquement pour le bokken, et proches quels que soient l’outil et la pratique.

-36-

4.6. Vitesse maximale du kensen

KENDO AIKIDO IAIDO

BOKKEN IAITO SHINAI

Outils

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

V m

ax (

m/s

)

Figure 20 : Comparaison des Vitesses maximales entre les 3 pratiques, et les 3 outils

Le schéma ci-dessus nous montre que : chez les kendokas et aikidokas, il n’existe pas de

différence significative de la vitesse maximale entre les différents outils utilisés.

Cette vitesse maximale est constante lorsque les sujets utilisent le iaito, quelle que soit la

pratique. Les variations sont de très faibles amplitudes. Nous pouvons remarquer qu’il y a très

peu de variations entre les vitesses maximales à travers les différents outils, et même entre les

différentes pratiques. Ceci peut être dû au fait que la consigne donnée aux sujets ne fassent

pas entrer en compte la notion d’effectuer le geste à vitesse maximale.

-37-

5. DISCUSSION

Notre étude se propose de montrer l’influence de l’intentionnalité sur un geste habile simple,

la coupe au sabre. En effet, la trajectoire que chaque pratiquant réalise va être déterminante

sur la réalisation efficiente ou non de la coupe. L’objectif initial de ce travail était de mettre en

évidence le rôle de l’intention dans la production d’une trajectoire appliqué dans une action

finalisée. L’hypothèse retenue était que l’intention modifie le type de contrôle de la trajectoire

par rapport aux lois de contrôle optimal. Au cours de cette discussion, nous étudierons trois

parties : l’existence d’un continuum entre les trois pratiques, l’effet de l’outil sur la production

de la trajectoire, et enfin les coordinations motrices.

L’analyse des données cinématiques confirment l’idée qu’il existait bien une influence des

facteurs intentionnels de la tâche, grâce aux données cinématiques des formes de trajectoires

(plus ou moins elliptique). Partant du constat qu’une coupe est efficiente lorsque la trajectoire

est de forme elliptique (cf. Atkins, 2006), il existe bien un continuum entre les 3 pratiques au

niveau des formes générales de trajectoires : les aikidokas effectuent une trajectoire qui est

plus circulaire, avec des profils de vitesse sinusoïdaux, qui exprimeraient une intention de

type morphocinétique, dans un but d’effectuer une forme la plus élégante possible, et non

dans un souci d’efficience. Cependant, la trajectoire la plus elliptique est produite non pas par

la population pratiquant le iaido, mais par les kendokas. Ce continuum n’est pas celui

initialement proposé, à savoir l’aïkido, le kendo, et le iaido.

Les kendokas effectuent une trajectoire qui est de forme plus aplatie, avec une amplitude

(apex : Z) moins importante, mais avec un geste plus orientée vers l’avant (X). Ceci pourrait

être liée à une intention de leur part de toucher leur adversaire le plus rapidement possible,

avec une distance d’atteinte la plus importante possible.

Il existerait donc un continuum avec pour origine l’aïkido et pour extrémité finale le kendo, le

iaido représentant une étape intermédiaire. On peut noter que les trajectoires aller et retour se

superposent exactement en aïkido, ce qui n’est pas le cas dans les deux autres disciplines.

Ceci pourrait traduire l’intentionnalité (ou sa traduction erronée chez les aikidokas) des sujets

dans leur recherche d’une coupe efficace. La forme circulaire de la trajectoire observée chez

les aikidokas traduirait alors une activité mécanique et répétitive, non significative en quelque

sorte de la réalité de la coupe.

-38-

Les kendokas et iaidokas montrent des trajectoires dont l’aller et le retour ne se superposent

pas. Ceci pourrait traduire une intentionnalité propre à chaque pratique, la recherche de la

distance pour les kendokas dans une pratique qui comporte un opposant réel, et la recherche

d’une coupe efficiente pour les iaidokas (la lecture des courbes de vitesse maximale – cf.

figure 18 – confirme cette observation).

Chez la population des iaidokas, nous avons remarqué des profils de vitesse du kensen

différents de ceux des 2 autres pratiques (non sinusoïdaux). A ce titre, ces sujets effectueraient

donc une coupe plus efficiente, selon l’hypothèse d’Atkins (2006). De plus, une stratégie de

type tension (de l’arme lors de la montée de l’outil), puis relâchement (descente) peut être

observée chez ces sujets, selon les patterns de vitesse qui ont été produits, et de même par les

profils de vitesse angulaire. Par contre, chez la population d’aïkido, les résultats montrent que

le rapport de vitesse atteste d’une meilleure efficacité de coupe comparée aux deux autres

populations. Cependant, comme nous l’avons évoqué au cours des résultats, ce paramètre est

sujet à caution. En effet, la valeur de ce rapport possède une sensibilité importante en fonction

de l’instant supposé de coupe. Notre expérimentation portait sur une coupe virtuelle : dans ces

conditions, il est difficile d’évaluer l’instant exact de la coupe ; par voie de conséquence, la

validité de ce paramètre R.

Un autre point important à discuter sera le rapport entre vitesse tangentielle et vitesse

normale, qui montre des valeurs opposées à nos précédentes conclusions. En effet, ce rapport

est choisi à une valeur particulière (instant supposé/imaginaire d’impact) : ceci pourrait ainsi

constituer un biais, car selon l’instant t choisi, la valeur de Vt est plus ou moins importante,

suivant la courbure de la trajectoire. Plus la Vt tend vers 0 (Vt nulle : perpendiculaire à la

courbe), plus ce rapport est faible. Ce qui est le cas pour la population Kendo.

L’hypothèse selon laquelle la production d’un même geste serait dépendante de facteurs

intentionnels et des caractéristiques de la tâche est donc confirmée, puisqu’il existe bien une

différence entre les patterns de trajectoires des divers pratiquants. Cependant, l’existence d’un

continuum n’est pas établie, et des expérimentations supplémentaires seraient nécessaires.

Notre seconde hypothèse était qu’il y aurait un effet de l’outil sur la construction de la

trajectoire : cette hypothèse est confirmée selon certains paramètres (profils de vitesse absolue

du kensen), mais ne l’est pas selon d’autres (rapport Vt/Vn).

-39-

Cet aspect confirme bien l’hypothèse selon laquelle pour le même geste habile, sa réalisation

va être différente en fonction de l’outil qu’il utilise (Bril et al., soumis). La représentation de

la pratique (morphocinèse vs. Télécinèse) possède bien une influence marquée sur la

production et le contrôle du geste habile.

Afin d’étudier les coordinations motrices mises en jeu dans les 3 pratiques différentes, nous

avons ensuite comparé les angles articulaires du coude et de l’épaule, ainsi que les valeurs de

l’apex en coordonnées X et Z. Cette comparaison a mis en évidence des stratégies motrices

très différentes chez les aikidokas, avec une flexion plus importante et précoce des coudes et

de l’épaule. Ces stratégies sont liées à la représentation du geste des sujets. Cependant, nous

ne constatons pas d’effet de l’outil sur ces coordinations motrices.

Comme le suggèrent Flash et Hoggan (1985), les mouvements fluides et grâcieux sont révélés

par des profils de vitesse symétriques. Nos résultats montrent que seule la population aïkido

produit des patrons de vitesse compatibles avec cette théorie. Nous pouvons poser l’hypothèse

que les aikidokas effectuent un mouvement de type pointage, c'est-à-dire que l’objectif de leur

mouvement est de passer de bas en haut (armer), puis de haut en bas (couper) avec des

trajectoires se superposant parfaitement. A l’inverse, nous ne constatons pas ce type de

patrons de vitesse pour les deux autres populations. Reste à montrer quel est le type de loi de

contrôle utilisée par ces sujets.

-40-

6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Notre étude a permis de mettre en évidence l’influence de l’intentionnalité sur la production

du geste de coupe à travers différentes activités d’opposition. L’analyse cinématique du geste

habile nous a permis de mettre en avant les patrons de trajectoires produits par chaque

population, avec 3 outils différents.

Cette étude nous a permis d’effectuer une première analyse de l’action en terme

d’intentionnalité ,et non comme de nombreuses études réalisées auparavant sur la cinématique

et la dynamique du mouvement.

L’originalité principale de ce travail est de proposer que le sujet peut modifier les lois de

contrôle du mouvement (minimum jerk, minimum torque, minimum variance, loi de

puissance 2/3) en fonction de ses intentions.

-41-

7. BIBLIOGRAPHIE

Antonia, F., Hamilton, C., & Wolpert, D (2001). Controlling the statistics of action: obstacle

avoidance. Journal Neurophysioloca,. 87, 2434- 2440.

Atkins, A. G. (2003). Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics:

quantitative explanations for some longstanding problems. International Journal of

Mechanical Sciences, 45, 373-396.

Atkins, A. (2005). Toughness and cutting: a new way of simultaneously determining ductile

fracture toughness and strength. Engineering Fracture Mechanics, 72, 849-860.

Atkins, T. (2006). Optimum blade configurations for the cutting of soft solids. Engineering

Fracture Mechanics, 73, 2523-2531.

Bernstein, N. (1967). The coordination and regulation of movements. Oxford: Pegamon Press.

Bril, B., Dietrich, G., Goasdoué, R., Biryukova, L., Ferrufino, L., & Kerlirzin, Y. From goal

directed actions to movement : a functional task analysis. (Soumis).

Cayla, F. (1993). Husserl, Brentano, et la psychologie descriptive. Québec : Philosophiques.

Flash, T. (1989). Generation of reaching movements: plausibility and implications of the

equilibrium trajectory hypothesis. Brain, behaviour and evolution, 33, 63-68.

Flash, T., & Hogan, N. (1985). The coordination of arm movement: an experimentally

confirmed mathematical model. The journal of neuroscience, 5, 1688-1703.

Harris, C., M. (1998). The Fourier analysis of biological transients. Journal of Neuroscience

Methods, 83, 15-34.

Harris, C., M., & Wolpert, D., M. (1998). Signal-dependent noise determines motor planning.

Nature, 394, 780-784.

-42-

Hogan, N. (1985). The mechanics of multi-joint posture and movement control. Biologic

cybernetics, 52, 315-331.

Hogan, N., Bizzi, E., Mussa-Ivaldi; F.A., & Flash, T. (1987). Controlling multijoint motor

behaviour. Exercice and Sport Sciences Reviews, 15, 153-190.

Jacobs, S. (2005). Etude d’invariants cinématiques moteurs et de l’intégration d’un outil dans

la coordination des mouvements chez des patients apraxiques. Thèse de doctorat, Université

Pierre et Marie Curie, Paris.

Kerlirzin, Y. (2000). Etude de l’effet des contraintes sur un système pluri-articulé dans une

tâche de construction de trajectoire. Thèse de doctorat en sciences, Université paris XI Orsay,

Orsay.

Kerlirzin, Y., Pozzo, T., Dietrich, G., & Vieilledent, S. (1999). Effects of kinematics

constraints on hand trajectory during whole-body lifting tasks. Neuroscience Letters, 277, 41-

44.

Lacquaniti, F., Soechting, J., F., & Terzuolo, C., A. (1982). Some factors pertinent to the

organization and control of arm movements. Brain research, 252, 394-397.

Lacquaniti. F., & Soechting, J., F. (1986). Simulation studies on the control of posture and

movement in a multi-jointed limb. Biological cybernetics, 54, 367-378.

Morasso, P. (1981). Research note. Spatial control of arm movements. Experimental Brain

Research, 42, 223-227.

Nelson,W.L (1983). Physical principles for economies of skilled movements. Biological

cybernetics, 46, 135 -147.

Osu et al, 1997. Possible explanations for trajectory curvature in multijoints arm movements.

Journal of experimental psychology : human perception and performance, 23, 890-913.

-43-

Pham, Q., C., Hicheur, H., Berthoz, A., Arechavaleta, G., & Laumond, J., P. (2006). Étude de

trajectoires locomotrices humaines. Mémoire de Master 2ème année. Collége de France, Paris.

Van Beers, R., J., Braduc, P., & Wolpert, D., M. (2002). Role of uncertainty in sensorimotor

control. The Royal Society of London, 357, 1137-1145.

Uno, Y., Kawato, M., & Suzuki, R. (1989). Formation and control of optimal trajectory in

human multijoint arm movement. Biological cybernetics, 61, 89-101.

Valeau, B. (2007). Influence de l’activité physique sur la performance cognitive. Mémoire de

Master 2ème année. Université Paris X - Nanterre, Nanterre.

Viviani, P., & Terzuolo, C. (1982). Trajectory determines movement dynamics. Neurosience,

7, 431-437.

Viviani, P., & Flash, T. (1995). Minimum-Jerk, two-thirds power law, and isochrony :

converging approaches to movement planning. Journal of experimental Psychology, 21, 32-

53.

Wolpert, D.M., Ghahramani, Z., & Jordan, I. (1994). Perceptual distortion contributes to the

curvature of human reaching movements. Brain Research, 98, 153-156.

-44-

Résumé :

Cette étude porte sur la production d’une habileté motrice particulière, la coupe au sabre

(suburi en japonais). L’hypothèse principale est que la production de la trajectoire ne consiste

pas en la reproduction d’une forme (morphocinèse), mais traduit l’intentionnalité du sujet.

Celui-ci agit par rapport à un but précis qui est de couper. Il s’agit donc pour lui d’être

efficient. Une hypothèse importante consiste à penser qu’en fonction du contexte (la

production de la trajectoire est étudiée dans trois activités différentes utilisant toutes un sabre

en bois ou bokken), la trajectoire produite sera différente, avec l’existence possible d’un

continuum allant de l’aïkido au iaido. Dans cette expérimentation, les sujets devaient réaliser 3

séries de 15 suburi avec : un shinai (sabre en bambou), un bokken (sabre en bambou), et un

iaito (sabre en métal ne coupant pas). Les données recueillies portent sur l’analyse cinématique

via la position de 5 marqueurs lumino réfléchissant (2 sur l’arme, 1 sur le poignet, coude,

épaule) filmés en 2D à une fréquence d’acquisition de 100Hz (100 images / sec.). Les premiers

résultats montrent qu’en termes de contrôle du mouvement, la cinématique de l’arme et les

coordinations sont dépendantes de la pratique.

Mots clés : intentionnalité ; contrôle du mouvement ; morphocinèse ; télécinèse

Abstract :

The aim of this experiment was to study a skill which is named suburi in japanese. The main

idea is that when we perform such a skill, we don’t reproduce only a shape, but we express an

intentionality which is a cut. The main hypothesis is that depending on practice context, subject

shows a different trajectory, expressed by the kinematics of the weapon. Subject was instructed

to perform 3 series of 15 suburi sequences with : a shinai, a bokken, and a iaito. Data collection

and analysis focused on the positions and displacements of 5 passive retro reflective spheres

attached to the weapon and to subject. Data were recorded in two dimensions with a video

capture at a sampling rate of 100Hz. The present work address different questions: first

whatever the context, does the performance of trajectory allows to show the possible effect of

the level of functionality of the action on the movement produced? Then, how it is possible to

perform a trajectory smooth and efficient despite a complex movement that involves a large

number of muscles and multiple degrees of freedom? The preliminary results show that in

terms of movement control, despite the convention which stipulates that the movements

produced should be the same, the kinematics and coordination are related to the practice

context.

Key words: intentionality ; movement control ; morphocinetic