La locomotion avec un fauteuil roulant manuel soumet les membres supérieurs des utilisateurs à des contraintes importantes, variables selon l'environnement. Pour aider les utilisateurs à choisir les chemins qui préservent leurs membres supérieurs, un coût reflétant la sollicitation physique des états successifs selon les chemins possibles doit être déterminé et mis en regards des capacités individuelles des utilisateurs de fauteuil roulant manuel.
Le fauteuil roulant manuel (FRM) est actuellement l’aide technique la plus efficace pour recouvrer la locomotion lorsque les fonctions des membres inférieurs sont déficientes. Cependant, la locomotion en FRM est contraignante pour le système musculosquelettique parce que les membres supérieurs doivent alors assurer toutes les tâches de la vie quotidienne. Ainsi, la plupart des utilisateurs de FRM souffrent de douleurs ou de blessures aux membres supérieurs.<br />Si l’assistance électrique représente une alternative pour limiter les risques de blessures des membres supérieurs, elle est souvent moins bien acceptée en raison de l’image d’impotence associée, l’augmentation des risques de comorbidités dus à la sédentarité, la faible manœuvrabilité, et la transportabilité limitée. Les exosquelettes peuvent aussi être vus comme une perspective prometteuse. Cependant, les solutions actuelles ne peuvent pas être utilisées sans l’utilisation de cannes, sollicitant à nouveau les membres supérieurs. Ainsi, ils demeurent une solution complémentaire à l’utilisation d’un FRM.<br />Faciliter l’accessibilité aux utilisateurs de FRM est un enjeu social et de santé publique. Cependant, le problème de l’accessibilité est complexe, dû à la fois aux capacités physiques individuelles variées, et à la large variété de situations environnementales qui peuvent être rencontrées. Si l’accessibilité des établissements recevant du public est un prérequis règlementaire depuis 2015 en France, la certification repose principalement sur des dimensions minimales et des inclinaisons maximales, évaluées sans aucune graduation et sans être mis en rapport avec les capacités physiques des utilisateurs de FRM. Pour aider les utilisateurs de FRM à choisir des chemins en fonction de leurs capacités, trois problèmes scientifiques importants doivent être résolus : <br />1) comment décrire les difficultés inhérentes à des situations de locomotion variées ?<br />2) Comment décrire les capacités des utilisateurs de FRM ?<br />3) Comment définir et représenter la difficulté physique des situations environnementales successives sur une carte à l’échelle d’un quartier ou d’une ville ?<br />L’hypothèse motivant le projet CapaCITIES est que la fourniture de chemins adaptés individuellement devrait permettre de prévenir l’apparition de troubles musculosquelettiques, améliorer la participation sociale et professionnelle, et par voie de conséquence la qualité de vie des utilisateurs de FRM.<br />Dans le présent projet, nous voulons adresser la problématique de la définition d’indices représentants la demande physique d’une situation environnementale et de les confronter aux capacités individuelles des utilisateurs. Ces indices seront basés sur différents paramètres biomécaniques déjà identifiés de manière indépendante. Ces indices pourront ensuite être utilisés comme « distances » dans les algorithmes de recherche du plus court chemin afin de fournir des chemins avec un coût biomécanique le plus faible possible.
Le projet repose sur une évaluation biomécanique d’utilisateurs de FRM réalisant différents déplacements contrôlés sur un simulateur dédié. Cela nécessite, le développement d’outils pour l’évaluation biomécanique, le développement d’un simulateur haptique et immersif de locomotion en FRM, et la capacité à agréger différents paramètres biomécaniques avec des unités différentes dans un indice unique.
Evaluation biomécanique : Les objectifs de cette partie du projet sont : ) d’implémenter un modèle musculosquelettique incluant une définition en boucle fermée de la chaine cinématique de l’épaule, et d’y associer les chemins musculaires ; 2) de définir une méthode de mise à l’échelle du modèle pour obtenir des modèles personnalisés sans avoir recourt à de l’imagerie médicale ; et 3) d’implémenter des méthodes efficaces sur le plan calculatoire pour l’obtention des paramètres biomécaniques. Tous les paramètres biomécaniques extraits permettront de classer les situations en terme d’exigence physique. L’obtention de toutes ces données biomécaniques obtenues simultanément pour plusieurs situations environnementales sera en elle-même une contribution importante.
Simulateur de FRM : Les données biomécaniques doivent être obtenues dans des conditions réalistes de propulsion et de manière contrôlée. Pour cela, nous avons choisi de reproduire la locomotion en FRM sur un simulateur. Parmi les simulateurs actuels, leur réalisme est limité soit par i) la faible immersion, ii) l’absence de retour haptique, ou iii) le manque de capteurs nécessaires pour reproduire le comportement mécanique du FRM ou pour quantifier les paramètres biomécaniques. Face à ces limitations, notre objectif est de développer un simulateur dynamique, haptique et immersif basé sur une plateforme Stewart et un ergomètre à rouleaux. Une autre originalité majeure de ce simulateur sera la possibilité de changer les réglages du FRM par une commande à distance et en gardant l’utilisateur assis sur le simulateur car la configuration du FRM a un impact majeur sur la mobilité. Les capteurs embarqués sur l’ergomètre permettront la mesures des données utiles à la fois pour l’analyse biomécanique mais aussi pour la commande du simulateur, incluant les retours haptiques, visuels et vestibulaires.
Coût biomécanique : dans la littérature, même si plusieurs indices ont déjà été proposés, aucune étude n’a cherché à quantifier l’accessibilité en FRM sur une échelle continue (autre que 0 vs 1), par l’association d’un coût attribué aux différentes situations environnementales. Par ailleurs, en fonction de la situation, les paramètres biomécaniques pertinents pour classer les difficultés des situations peuvent être différents (travail vs contrainte articulaire, par exemple). En conséquence, il est nécessaire d’associer des coût différents en fonction des situations et idéalement de fournir un indice unique intégrant les différents aspects de la demande physique des situations environnementales à franchir.
Modélisation biomécanique : Les limitations des modèles actuels en termes de mobilités à l’épaule ou de capacité de personnalisation aux caractéristiques et pathologies des utilisateurs de FRM, ont nécessité de forts développements, notamment pour la résolution de la dynamique en boucle fermée (épaule, avant-bras) dans CuSToM, logiciel de modélisation et calcul. La personnalisation du modèle a été implémentée et des travaux plus en profondeur sur cet aspect sont en cours. Une amélioration notable des temps de calcul a par ailleurs été atteinte, notamment par la création d’algorithmes de génération de chemins musculaires et l’implémentation de contraintes souples.
Simulateur de locomotion en FRM : Le simulateur prévu doit être à la fois haptique, dynamique, et immersif. L’aspect haptique requiert une modélisation précise des interactions sujet/FRM/environnement et le développement d’algorithmes de contrôle permettant de reproduire le comportement mécanique du FRM. Deux approches de commande ont été développées : commande prédictive explicite, à laquelle est ajoutée une commande anticipatrice ; et, plus récemment, une commande adaptive directe par modèle de référence. Pour le modèle de comportement du fauteuil, deux nouveaux modèles de couple de résistance au roulement et au pivotement ont été proposés et validés sur sol horizontal. La validation du modèle prenant en compte les attributs de la route (pente, dévers, adhérence) et le développement des modalités de personnalisation sont en cours. L’aspect immersif visuel a été traité à l’aide de l’environnement logiciel SCANeR Studio, dans lequel sont reproduits des cas d’usages de déplacement en FRM. L’interfaçage avec la cinématique du FRM a été réalisée, de sorte que les informations de position, vitesse et accélération sorties du modèle soient envoyées à l’espace visuel pour le faire évoluer.
Campagnes expérimentales : Si les mesures n’ont pas encore débutées sur le simulateur, de premières expérimentations sur reproduction réelles de situation (pente, plat, dévers, seuil) ont été réalisée et les données sont en cours de traitement.
Coût biomécanique : Les premières expérimentations ont permis de montrer que la classification des situations environnementales par leur niveau de contrainte est dépendante du type de paramètre biomécanique choisi. Ainsi, le classement des situations par moment propulsif croissant est différent du classement par force totale appliquée à la main courante, alors que ces paramètres sont à priori très proches, confortant l’approche multicritères choisie pour le projet.
Projet toujours en cours
Publications :
Claire Livet, Théo Rouvier, Georges Dumont, Charles Pontonnier. An automatic and simplified approach to muscle path modelling. Journal of Biomechanical Engineering, American Society of Mechanical Engineers, 2021, 144 (1), pp.1-9.
Théo Rouvier, Aude Louessard, Samuel Hybois, Emeline Simonetti, Joseph Bascou, Charles Pontonnier, Hélène Pillet, Christophe Sauret. Manual wheelchair biomechanics while overcoming various environmental barriers: a systematic review. PLoS ONE 17(6): e0269657.
Claire Livet, Théo Rouvier, Christophe Sauret, Hélène Pillet, Georges Dumont, Charles Pontonnier. A penalty method for constrained multibody kinematic optimization using a Levenberg-Marquardt algorithm. Comput Methods Biomech Biomed Eng (accepted)
Oukacha, O., Sentouh, C. and Pudlo, P. Minimising the User’s Effort during Wheelchair Propulsion using an Optimal Control Problem. In Proceedings of the 17th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2020), pages 159-166
Communications :
Claire Livet, Théo Rouvier, Charles Pontonnier, Georges Dumont. Open vs closed articular architecture of the forearm for an analysis of muscle recruitment during throwing motions. ISB 2021 - XXVIII Congress of the International Society of Biomechanics, Jul 2021 Stockholm, Sweden.
Claire Livet, Théo Rouvier, Christophe Sauret, Georges Dumont, Charles Pontonnier. Expected scapula orientation error regarding scapula-locator uncertainty while studying wheelchair locomotion. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2021, 24(Sup1):72-74
Aude Louessard, Théo Rouvier, Joseph Bascou, Samuel Hybois, Hélène Pillet, Christophe Sauret. A preliminary investigation of handrim kinetics in various environmental situations crossed in manual wheelchair. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2021, 24(Sup1):272-274
Amel Ait Ghezala, Chouki Sentouh, Philippe Pudlo, Direct Model-Reference Adaptive Control Based EHO Tuning for Manual Wheelchair Simulator with a Haptic Feedback, submitted to 15th IFAC/IFIP/IFORS/IEA Symposium on Analysis Design and Evaluation of Human-Machine Systems, San José State University, September 12-15, 2022
Amel Ait Ghezala, Chouki Sentouh, Philippe Pudlo, Contrôle adaptatif direct par modèle de référence basé sur l'algorithme EHO pour le pilotage d'un simulateur de fauteuil roulant avec un retour haptique, Journées du CT Automatique et Transport Terrestre, Valenciennes, 6-7 avril 2022
La locomotion en fauteuil roulant manuel soumet les membres supérieurs des utilisateurs à des contraintes mécaniques importantes, lesquelles varient en fonction de l’environnement. Pour aider les utilisateurs de fauteuil roulant à préserver leurs membres supérieurs, un coût reflétant la demande physique des situations successives le long des différents trajets possibles nécessite d’être attribué. En l’état actuel des connaissances et des standards d’accessibilité, les différents obstacles n’ont pas de graduations et sont seulement notés comme traversables ou non, ce qui ne peut refléter ni l’hétérogénéité des situations, ni le lien entre l’accessibilité et les capacités physiques et techniques des utilisateurs. Pour aller au-delà de ces limitations, ce projet vise à définir des coûts biomécaniques attribués aux différentes situations de locomotion, et qui pourront être implémentés dans de futurs algorithmes de recherche de trajets optimaux. Cela permettrait de fournir aux utilisateurs de fauteuil roulant des trajets individualisés prenant en compte leurs capacités individuelles. Pour cela, un modèle musculo-squelettique sera développé pour quantifier différentes variables biomécaniques qui serviront de données d’entrée pour la définition de coûts biomécaniques. Ces coûts seront calculés pour de nombreuses situations, reproduites sur un simulateur réaliste de locomotion en fauteuil roulant manuel et développé dans le cadre de ce projet. Un tel projet fournira des données originales et utiles pour l’évaluation de l’accessibilité, aux services d’aménagement des villes, et le développement d’assistances à la locomotion. Ce projet sera aussi la base de futurs travaux sur l’évaluation des utilisateurs de fauteuil roulant et la caractérisation des propriétés de l’environnement pour fournir des trajets optimaux personnalisés.
Monsieur Christophe SAURET (Institution Nationale des Invalides / Centre d'Etudes et de Recherche sur l'Appareillage des Handicapés)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
LAMIH Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'Informatique Industrielles et Humaines
ENSAM - IBHGC Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak
IRISA Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires
INI/CERAH Institution Nationale des Invalides / Centre d'Etudes et de Recherche sur l'Appareillage des Handicapés
Aide de l'ANR 524 793 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2019
- 42 Mois
