Développement d'une méthode d'apprentissage par projet pour l'enseignement de la modélisation multicorps appliquée au corps humain

La modélisation multicorps est un outil d'ingénierie très utilisé à travers le monde pour résoudre des problèmes de cinématique et de dynamique de divers mécanismes. Son application au corps humain a vécu une grande révolution au cours des dernières décennies dans le milieu de la recherche, permettant notamment d'estimer les forces musculaires et les couples articulaires de manière non invasive. Le recours à des modèles humains est donc devenu de plus en plus populaire et pertinent pour l'industrie des produits de santé et les applications cliniques. En outre, la modélisation multicorps s'intègre de plus en plus dans les processus de décision pour la conception de produits tels que les exosquelettes, les prothèses, les orthèses ou encore l'évaluation fonctionnelle du corps humain. En particulier, beaucoup d'efforts ont été effectués dans les dernières années pour combiner cet outil avec d'autres outils tels que les logiciels de conception assistée par ordinateur et d'éléments finis afin de pouvoir faire des études plus complètes de conception et d'analyse. Or, malgré le fait que la modélisation multicorps est très complexe, cette matière est relativement peu enseignée de manière systématique, et généralement apprise sur le tas en recherche ou en industrie, limitant grandement les capacités d'utilisation et de développement des ingénieurs. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place une méthodologie d'apprentissage permettant d'intégrer cette matière dans la formation des ingénieurs en biomédical et en mécanique. Ainsi, le but de cette thèse de maitrise est de proposer une méthodologie d'apprentissage par projet pour faciliter l'enseignement des bases de la modélisation multicorps appliquée au corps humain, afin que les étudiants puissent ensuite envisager des développements plus avancés sur base d'un socle de compétences solide et standardisé. La méthode générale a consisté à identifier le matériel, les méthodologies et les défis des milieux professionnels de la modélisation multicorps. Ensuite, un projet pilote a été proposé à une classe de cycles supérieurs de génie biomédical, suivi d'une étape d'identification des difficultés et des défis de l'apprentissage de la modélisation multicorps dans la littérature et par le biais d'entrevues. Enfin, une méthodologie d'apprentissage par projet a été construite en se basant sur les méthodologies et matériels identifiés dans le milieu professionnel et répondant aux difficultés identifiées. Les résultats principaux de cette étude permettent (1) d'identifier les difficultés principales relatives à l'apprentissage et à l'utilisation de la modélisation multicorps appliquée au corps humain (2) de conclure que la méthodologie de projet ne doit pas seulement utiliser de la simulation mais doit s'accompagner d'un dispositif physique. En particulier, les résultats montrent que l'utilisation de prototypage rapide permet de proposer un projet simplifié tout en restant concret et en répondant aux difficultés identifiées.Les perspectives de cette étude sont de développer une méthodologie avancée augmentant la complexité du projet et du dispositif physique pour atteindre des modèles d'une sophistication semblable aux modèles utilisés dans l'industrie et la clinique.

Abstract

Multibody modeling is an engineering tool widely used to solve kinematics and dynamics problems for various mechanisms. Its application to the human body modeling by the research community has gone through a revolution in the last decades, enabling to estimate muscle forces and joint torques in a non-invasive way. Therefore, the use of human-like models has become increasingly popular and very relevant to the health industry and for clinical applications. In addition, multibody modeling is more and more involved in the decision-making process for the design of products interacting closely with the human body such as exoskeletons or prosthetics. Particularly, many efforts have been made recently to combine this tool with other tools such as computer-aided design software packages and finite elements analysis in order to make more thorough design and analysis studies. However, despite the complexity inherent to learning of multibody modeling, it is rarely taught in a systematic way, and is usually learned in ad-hoc manner in both research and or industry, thus limiting greatly the capacity of cooperation and development for engineers. Therefore, it is necessary to develop a learning methodology allowing one to incorporate this material in the training of engineers and more particularly biomedical and mechanical engineers. Therefore, the aim of this Masters thesis is to provide a project based learning methodology to facilitate the teaching of the basics of multibody modeling applied to the human body, so that students could then consider more advanced developments on the basis of stronger and better standardized skills. The general approach proposed in this master thesis is to build on the methodology of real-world project development in the field of biomedical and mechanical engineering involving multibody modeling steps, to offer a project using professional tools and techniques. Then a step of identification of the difficulties and challenges for learning multibody modeling is carried out using data collected from literature and from semi-structured interviews leading to a proposed project-based learning methodology meeting the identified challenges. The main results of this master project allow (1) to identify the main difficulties in learning and using multibody modeling applied to the human body (2) to conclude that the proposed methodology should not only use simulation but must be accompanied by a physical prototype. In particular, the results show that the use of rapid prototyping enables one to offer a simplified project while still addressing the identified challenges. The prospects of this study are to develop a methodology increasing both the project and the physical device complexity to reach a similar sophistication compared with models used in the industry and by clinicians.