Performance Evaluation of Cyclist's Position Using a Depth Camera-Based Motion Capture System

L'optimisation de la posture d'un cycliste peut améliorer les performances et réduire la traînée aérodynamique. Les cyclistes visent à améliorer leurs performances en réduisant le temps et l'e˙ort que leur demande la course cycliste. Toute modification de la position du cycliste pour améliorer la performance globale exige une compréhension fondamentale de ses carac-téristiques, notamment aérodynamiques, physiologiques et biomécaniques, ce qui constitue la principale préoccupation de la recherche sur le cyclisme. Les méthodes actuelles font appel à des techniques coûteuses et compliquées, d'où la nécessité d'une approche fonctionnelle et abordable qui tienne compte de tous les paramètres concernés. Cette recherche vise à développer une application fonctionnelle permettant d'évaluer l'e˙et de la position et du guidon sur l'aérodynamique et les performances d'un cycliste. La première partie de cette thèse porte sur le développement et la validation d'un ensemble d'outils paramétrés permettant de modéliser un mannequin numérique 3D représentant un cycliste professionnel à l'aide d'un système de capture de mouvement sans marqueur. De plus, la méthodologie développée a été appliquée pour analyser numériquement la traînée aérodynamique de di˙érentes positions statiques de cyclisme en utilisant la dynamique des fluides numérique (CFD). Les résultats montrent que le système sans marqueur convient parfaitement à la modélisation et à l'étude de la dynamique des fluides numérique. Le cadre de modélisation paramétré combiné à la CFD s'avère un outil précieux pour évaluer avec précision la traînée associée aux di˙érentes positions du cycliste. La deuxième partie de cette thèse examine les e˙ets de la modification de la position du guidon aérodynamique sur le schéma d'activation musculaire des extrémités inférieures et sur les variables cinématiques, attendu que tout ajustement de la position de cyclisme induit un changement dans la relation entre la posture du corps et la géométrie de la bicyclette, a˙ectant la performance physique. L'électromyographie de surface et la cinématique articu-laire du membre inférieur droit pendant le pédalage sur ergomètre ont été mesurées pour les cyclistes et triathlètes de compétition. Les expériences portent sur di˙érentes positions du cycliste au cours d'épreuves contre-la-montre, dans le but de déterminer l'e˙et de la modifi-cation de la position de l'aéro-guidon lors de six exercices à charge constante sous-maximale. L'abaissement de la hauteur du guidon aérodynamique a révélé une amélioration des perfor-mances cyclistes grâce à la contribution plus importante de l'extenseur de la hanche et de l'angle d'extension de la hanche. La méthodologie développée permet d'étudier les réponses physiologiques du cycliste et d'e˙ectuer une analyse aérodynamique détaillée lors de la modification de la position du guidon en contexte d'épreuves contre-la-montre, compte tenu de la contribution du cycliste à l'essentiel de la force de traînée du système cycliste-vélo. Les résultats suggèrent que par rap-port à la position préférée lors du contre-la-montre, la zone frontale, le coeÿcient de traînée et la zone de traînée ont été réduits lors de l'abaissement de la position du guidon alors que toutes les variables physiologiques sont restées inchangées. Cette thèse présente une approche unique permettant d'étudier la contribution des modifica-tions d'ajustement du guidon sur les performances aérodynamiques et biomécaniques du vélo. Ce système de capture du mouvement sans marqueur, peu coûteux, conçu pour mesurer et analyser la cinématique du vélo, peut fournir des données fiables et applicables à une analyse aérodynamique et biomécanique plus poussée.

Abstract

Optimizing the posture of a cyclist can ameliorate performance and reduce the aerodynamic drag. Cyclists aim to enhance performance decreasing the time and e˙ort during the cycling race. Any modification of the cycling position to improve the overall performance demands a fundamental understanding of its characteristics, including aerodynamics, physiological and biomechanical features, which is the primary concern of cycling research. Current methods require costly and complicated techniques, and therefore, the necessity of a functional and a˙ordable approach that considers all the involved parameters is apparent. This research aims to develop a feasible application for evaluating the e˙ect of cycling position and aero handlebar on the aerodynamics and performance of a cyclist. The first part of this thesis focuses on developing and validating a set of parameterized tools to model a 3D digital manikin of professional cyclists using a markerless motion capture system. Furthermore, the developed methodology has applied to numerically analyze the aerodynamic drag of di˙erent static cycling positions using computational fluid dynamics (CFD). Results show that the markerless system is fully capable of modeling and providing the requirement of CFD investigation. The parameterized modeling framework combined with CFD is found to be a valuable tool to accurately evaluate the drag of di˙erent cyclist positions. The second part of this thesis explores changing the aero handlebar position on the lower extremities' muscle activation pattern and kinematic variables since any adjustment in the cycling position induces a change in the relation between body posture and bicycle geometry, a˙ecting physical performance. The surface electromyography and joint-level kinematics of the right lower limb during cycling on an ergometer were measured for competitive road cyclists and triathletes. The experiments cover di˙erent time trial positions of the cyclist intending to determine the e˙ect of alteration of aero handlebar position in six submaxi-mal constant load exercises. Lowering the aero handlebar height showed improved cycling performance due to the more significant hip extensor contribution and extended hip angle. The developed methodology is applied to investigate the cyclist's physiological responses and detailed aerodynamic analysis when altering the time trial handlebar position, considering the rider contributes most of the rider-bicycle system's drag force. Findings suggest that compared to the preferred time trial position, the frontal area, drag coeÿcient and drag area were reduced when lowering the handlebar position while all the physiological variables remained unchanged. This thesis presents a unique approach to investigate the contribution of handlebar alterations on cycling aerodynamics and biomechanical performance. This low-cost markerless motion capture system for measuring and analyzing cycling kinematics can provide reliable and applicable data for further aerodynamics and biomechanical analysis.