Quantifier le coût biomécanique des déplacements urbains en fauteuil roulant pour l’accessibilité des villes de demain – CapaCITIES

Le projet reposait sur une évaluation biomécanique d’utilisateurs de FRM réalisant différents déplacements contrôlés sur un simulateur dédié. Cela nécessitait, 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.
Au niveau de l’évaluation biomécanique, les objectifs étaient : 1) d’implémenter un modèle musculosquelettique incluant une définition en boucle fermée de la chaîne 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 recours à de l’imagerie médicale ; et 3) d’implémenter des méthodes efficaces sur le plan calculatoire pour l’obtention des paramètres biomécaniques qui permettent de classer les situations en termes d’exigence physique. Par ailleurs, pour collecter les données biomécaniques dans des conditions réalistes de propulsion et de manière contrôlée, nous avons choisi de reproduire la locomotion en FRM sur un simulateur. Cependant, les différents simulateurs actuels montraient un réalisme limité soit par i) la faible immersion, soit par ii) l’absence de retour haptique, ou par 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 était 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 était 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 permettait la mesure des données utiles à la fois pour l’analyse biomécanique mais aussi pour la commande du simulateur, incluant les retours haptiques, visuels et vestibulaires. Enfin, au niveau du coût biomécanique, plusieurs indices avait déjà été proposés dans la littérature, mais aucune étude n’avait 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 était nécessaire de pouvoir associer des coûts calculés différemment, ie à partir de paramètres biomécaniques 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.

Dans le cadre du projet CapaCITIES, nous avons développé un simulateur de fauteuil roulant manuel (FRM), qui a permis de faire évoluer la plateforme PSCHITT-PMR du LAMIH (Plateforme de Simulation Collaborative Hybride, Intermodale en Transport Terrestre – Personnes à Mobilité Réduite) pour étudier la locomotion en FRM dans un environnement virtuel contrôlé et sécurisé et dans des situations variées, ce qui facilite l'évaluation et la quantification des performances de l'utilisateur. Ce simulateur est constitué de six écrans offrant un champ visuel immersif de 150°, d’un ergomètre à rouleaux motorisés accueillant un FRM instrumenté et d’une plateforme hexapode à six degrés de liberté. Il intègre des retours visuel, haptique pour simuler les résistances à l’avancement, et dynamique par la reproduction des accélérations ressenties via l’hexapode. Une interface haptique et dynamique, basée sur un modèle des interactions entre l’utilisateur, le FRM et le sol, a été développée pour reproduire en temps réel le comportement du FRM. Un contrôleur haptique robuste garantit un suivi précis des vitesses de référence tout en générant des forces haptiques réalistes.

Un modèle biomécanique du membre supérieur, basé sur différents modèles existants de la littérature et intégrant une fermeture de boucle, a été intégré à la librairie CusToM pour analyser la propulsion en FRM. L’implémentation des fermetures géométriques au niveau du complexe de l’épaule a donné lieu au développement de méthodes spécifiques de résolution pour l’analyse cinématique et dynamique des mouvements de propulsion en fauteuil roulant. Nous avons également adapté à ces nouvelles contraintes les outils de personnalisation des modèles (mise à l’échelle géométrique) et travaillé sur les questions de temps de calcul car la complexification des modèles a un impact direct sur le temps de calcul.

Des campagnes expérimentales ont été menées sur le simulateur, où des participants équipés de marqueurs réfléchissants ont réalisé différents scénarios de locomotion (intégrant des pentes, dévers, et virages). Ces expériences ont permis de collecter des données cinématiques et dynamiques, incluant les couples aux mains courantes et la cinématique articulaire. Une évaluation des capacités physiques des participants a également été réalisée en amont.

L’analyse des données en condition de pente a révélé des corrélations linéaires entre des paramètres biomécaniques tels que le temps de poussée, l’angle de poussée, les couples sur la main courante et la vitesse moyenne avec l’inclinaison de la pente. En revanche, les corrélations cinématiques sont faibles, sauf pour certains degrés de libertés. Ces résultats suggèrent la possibilité d’inférer certains paramètres biomécaniques à partir des caractéristiques de l’obstacle. Par ailleurs, des travaux préliminaires, basés sur la minimisation de l’énergie dépensée par les résistances au roulement, ont montré la pertinence de l’approche d’optimisation des trajets.

Publications :
• Livet et al. A penalty method for constrained Multibody kinematics optimisation using a Levenberg-Marquardt algorithm. CMBBE, 2022, pp.1-27. (hal-03697267)
• Rouvier et al. Manual wheelchair biomechanics while overcoming various environmental barriers: A systematic review. PLoS ONE, 2022, 17 (6), pp.1-21. (hal-03703872)
• Livet et al. An automatic and simplified approach to muscle path modelling. Journal of Biomechanical Engineering, 2022, 144 (1), pp.1-9. (hal-03279707)

Communication:
• Livet et al. Expected scapula orientation error regarding scapula-locator uncertainty while studying wheelchair locomotion. Congrès de la Société de Biomécanique, Saint-Etienne, France, 2021. (hal-03276057)
• Louessard et al. A preliminary investigation of handrim kinetics in various environmental situations crossed in manual wheelchair. Congrès de la Société de Biomécanique, Saint-Etienne, France, 2021 (hal-03331000)
• Rouvier et al.. Comparison of scapula soft tissue artefact compensation methods during manual wheelchair locomotion. ESMAC congress, Dublin, Ireland, 2022. (hal-03794174)
• Bentaleb et al. Numerical Simulator for Manual Wheelchair Propulsion based on a MPC Approach. 4th IFAC Workshop on Cyber-Physical and Human Systems CPHS 2022, Dec 2022, Houston (Texas), United States. pp.154-159 (hal-04481301)
• Ait-Ghezala et al., Haptic Interface Design for a Novel Wheelchair Simulator using Linear Time-Varying MPC Framework. 2023 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Jun 2023, Seattle (USA), Washington, United States. pp.172-178, (hal-04481276)
• Ait Ghezala et al. Haptic Wheelchair Simulator: Design with Experimental Validation. Driving Simulation Conference Europe 2023 VR, Sep 2023, Antibes (06), France. (hal-04631738)
• Livet et al. 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. pp.1. (hal-03241267)
• Ait Ghezala et al. Direct Model-Reference Adaptive Control for Wheelchair Simulator Control via a Haptic Interface. 15th IFAC Symposium on Analysis, Design and Evaluation of Human Machine Systems HMS 2022, Sep 2022, San Jose (CA), United States. pp.49-54, (hal-04481305)
• Demestre et al. Analyse biomécanique de la propulsion en fauteuil roulant manuel lors de la locomotion sur des pentes dans un environnement simulé. Conférence Handicap 2024, Jun 2024, Paris, France. (hal-04550571)

Thèses de dotorat
• Claire Livet. Contributions algorithmiques à l'analyse musculo-squelettique : modèles et méthodes. (tel-03765953)
• Théo Rouvier. Approche biomécanique pour quantifier l’accessibilité en fauteuil roulant manuel. (tel-04174904)
• Amel Ait Ghezala-Sadoudi. Assistance haptique pour la propulsion en fauteuil roulant manuel (FRM) basée sur une évaluation des capacités biomécaniques de l’usager. (tel-04942682)

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.