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RésuméAfin de tenir un objet en main il est possible d’adopter une infinité de coordinations articulaires et musculaires. L’objectif de cette étude était de définir l’influence des caractéristiques de l’objet (taille et masse) lors d’une tâche de préhension sur l’organisation du système musculo-squelettique. Afin de déterminer les forces exercées dans les tendons des 7 muscles mobilisant l’index, une modélisation biomécanique a été développée. Le problème mathématique sous-déterminé causé par la redondance musculaire est levé au moyen d’une procédure d’optimisation contrainte par électromyographie (EMG).La tâche consistait, pour les 9 participants, à maintenir entre le pouce et l’index des objets dont la taille et la masse variaient respectivement entre 3,5 et 9,5 cm et 0,75 et 2,25 kg. Les résultats montrent que la force de préhension exercée pour tenir l’objet est fonction de la masse mais, ce qui est plus surprenant, augmente également avec la taille de l’objet. Malgré les différentes postures de doigts et les différentes activités EMG, les ratios tensions des muscles fléchisseurs/force externe restent constants quelles que soient les conditions de taille et de masse. Ce résultat nous fait émettre l’hypothèse d’une stratégie de contrôle de la redondance et laisse penser que les sujets adapteraient la posture et les tensions des muscles antagonistes pour maintenir ce ratio constant. Les résultats obtenus permettent d’apercevoir des applications potentielles en termes de santé et d’ergonomie. Notamment, la taille optimale permettant de tenir un objet avec le minimum de force (externe et musculaire) est inférieure à la taille permettant d’exercer une force maximale.

Grasping an object for a precision task can be achieved with an amount of joints and muscles configuration that the Central Nervous System has to coordinate. Therefore, this works aimed at studying how an object size and weight can affect this musculoskeletal organization. A 3D biomechanical modeling was used to determine the forces exerted in the seven muscles tendons of the index finger. The indeterminate problem caused by redundancy was solved with the combination of both optimization technique and electromyography of an antagonist muscle.Data were analyzed from nine participants who performed isometric grasping tasks between the thumb and index of objects ranging from 3.5 cm to 9.5 cm and 0.750 to 2.25 kg.The results show that both grip forces and flexor tendons forces increase with object weight and size, but ratio of flexor tension on force output remained constant. The joints configuration does not depend of weight and ratio of antagonist muscle EDC activity in respect to the force output decrease.These results indicate that a control strategy based on the ratio describe above may exists. Ergonomic considerations are also discussed concerning optimal width in relation of specific goals.

ResumenEl objetivo de este estudio es definir la influencia de las características del objeto (talla y agrupa) sostenido en el momento de una tarea de prensión sobre las coacciones musculo-esqueléticas. La tarea consiste en tener entre el pulgar y el índice un objeto, instrumentado por un captador de fuerza, que hace variar las características de talla y de peso. La postura así como la actividad electromiográfica (EMG) de un músculo antagonista fueron también recolectados. Con el fin de determinar las fuerzas ejercidas en los tendones de los músculos, una modelización biomecánica asociada a un procedimiento de optimización que combina los datos de fuerza externo(externa), de cinemática y de EMG ha sido empleado. Este artículo únicamente informa de los resultados vinculados al índice.Los resultados muestran que la fuerza de prensión ejercida para tener el objeto depende de la masa pero, lo que es más sorprendente, también aumenta con la talla del objeto. A pesar de las diferentes posturas de dedos y la diferentes actividad EMG, los ratios tensiones de los músculos flexores / fuerzas externo (externa) quedan constantes cualquiera sean las condiciones de talla y de masa. Estos resultados permite emitir la hipótesis de una estrategia de control de la redundancia y dejan pensar que los sujetos adaptarían la postura y las tensiones de los músculos antagonistas para mantener este ratio constante. Los resultados obtenidos permiten percibir aplicaciones potenciales en términos de ergonomía y de salud.

ZusammenfassungZiel dieser Studie war es, den Einfluss der Charakteristika eines Objektes (Größe und Masse) auf die Skelettmuskelspannung bei einer Greifaufgabe zu definieren. Die Aufgabe bestand darin, ein Objekt, das mit einem Kraftaufnehmer ausgestattet war und dessen Größe und Masse variierte, zwischen Daumen und Zeigefinger festzuhalten. Die Haltung und auch die elektromyographische Aktivität eines antagonistischen Muskels wurden ebenfalls gemessen. Um die in den Muskelsehnen ausgeübte Kräfte zu bestimmen, wurde eine biomechanische Modellierung zusammen mit einer Optimierungsprozedur, die äußere Kräfte, kinematische Merkmale und EMG kombinierte, angewandt. Dieser Artikel beschränkt sich einzig auf die Ergebnisse hinsichtlich des Zeigefingers. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Greifkraft, um das Objekt zu halten, eine Funktion der Masse ist, aber was am meisten überrascht, auch mit der Größe des Objekts ansteigt. Trotz der unterschiedlichen Haltungen der Finger und der unterschiedlichen EMG-Aktivitäten bleiben die Spannungsverhältnisse zwischen Muskelbeuger und äußerer Kraft konstant, unabhängig von Größe und Masse. Aufgrund dieser Ergebnisse stellen wir die Hypothese einer an Redundanz orientierten Kontrollstrategie auf und denken, dass die Versuchspersonen die Haltung und die Spannungen der Antagonisten anpassen, um diese Ratio konstant zu halten. Die Ergebnisse stellen mögliche Anwendungen im Bereich der Ergonomie und des Gesundheitswesens in Aussicht.

RiassuntoL’obiettivo di questo studio era di definire l’influenza delle caratteristiche dell’oggetto (taglia e massa) sostenuto durante un compito di prensione sulle restrizioni muscolo-scheletriche. Il compito consisteva nel tenere tra il pollice e l’indice un oggetto, strumentato da un captore di forza, in cui si facevano variare le caratteristiche di taglia e di peso. Erano ugualmente raccolte la postura così come l’attività elettromiografia (EMG) di un muscolo antagonista. Al fine di determinare le forze esercitate sui tendini dei muscoli, è stata impiegata una modellizzazione biomeccanica associata ad una procedura di ottimizzazione combinante i dati di forza esterna, di cinematica e di EMG. Questo articolo riporta unicamente i risultati legati all’indice. I risultati mostrano che la forza di prensione esercitata per tenere l’oggetto è funzione della massa ma, ciò che è più sorprendente, aumenta ugualmente con la taglia dell’oggetto. Malgrado le differenti posture delle dita e le differenti attività di EMG, i rapporti delle percentuali di tensione dei muscoli flessori/forza esterna restano costanti qualunque siano le condizioni di taglia e di massa. Questo risultato ci fa emettere l’ipotesi di una strategia di controllo della ridondanza e lasciano pensare che i soggetti adotterebbero la postura e le tensioni dei muscoli antagonisti per mantenere costante questa percentuale. I risultati ottenuti permettono di percepire delle applicazioni potenziali in termini di ergonomia e di salute.