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Prédiction des forces et moments de réaction sur la main courante lors de la propulsion en fauteuil roulant manuel en utilisant des capteurs inertiels

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Feghoul, Aiman (2019). Prédiction des forces et moments de réaction sur la main courante lors de la propulsion en fauteuil roulant manuel en utilisant des capteurs inertiels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Introduction : La propulsion en fauteuil roulant manuel (FRM) est une tâche très contraignante étant donné que l’énergie produite par la chaîne musculaire de la structure gléno-humérale nécessite de contrebalancer le travail excentrique de l’articulation du coude afin de pouvoir le transmettre à la main courante du FRM. De manière intrinsèque, cette fonction est associée à une prévalence de la douleur et des blessures à l’épaule comprise entre 30% à 100% chez la population de blessées médullaires. Un lien étroit existe entre les forces de réaction appliquées sur la main courante et la charge imposée à l’épaule.

Objectif : Ce projet a pour dessein principal d’estimer les composantes de la force de réaction selon l’axe vertical et antéro-postérieur (Fx et Fy), ainsi que le moment propulseur autour de l’axe médio-latéral (Mz), sur la main courante des deux côtes du FRM en utilisant des capteurs inertiels pour obtenir une mesure ambulatoire de ces variables.

Méthodologie : 12 sujets sains ont propulsé un FRM le long d’un corridor de 20 mètres à l’École de Technologie Supérieure. La cinématique 3D des membres supérieurs était mesurée par 17 capteurs inertiels (MVN Biomech; XSens, Inc.). Les forces de réaction et le moment propulseur ont été mesurés par deux plates-formes dynamométriques de type SmartWheels (Three Rivers, inc.). Une nouvelle méthode d’identification par fonction de transfert non linéaire (Hammerstein-Wiener) a été développée afin de prédire les paramètres Fx, Fy et Mz, en se basant sur les normes des données inertielles du poignet (accélération linéaire et vitesse linéaire) et du patron moyen normalisé de la variable prédite. La validation s’effectue en utilisant des données de vérification et de validation.

Résultats : Les variables dépendantes sont pour chacun des trois paramètres : le MAE (la moyenne de l’erreur absolue) et le MAPE (la moyenne de l’erreur absolue en pourcentage) au niveau de le pic maximum durant les phases de poussée, 1 N.m et 7.9 % pour Mz ; 6,2 N et 43.2 %; 13.6 N et 26.5 % pour Fy. Ainsi que les erreurs MAE et RMS (erreur quadratique moyenne) sur la globalité de la courbe lors de la phase de poussée. Le couple (RMS, et MAE) sur la phase de poussée est de 6.5 N, 5.1 N pour Fx ; 11.6 N, 9.2 N pour Fy ; et 1.5 N.m, 1.2 N.m pour Mz.

Conclusion : les résultats de cette étude permettent de mettre en avant la possibilité de prédire les forces de réaction sur la main courante (Fx et Fy) et le moment propulseur (Mz). La prédiction du moment propulseur de façon ambulatoire n’a pas été abordée dans la littérature.

Titre traduit

Handrim forces and moments prediction during manual wheelchair propulsion using inertial sensors

Résumé traduit

Introduction : Manual wheelchair propulsion (FRM) is a very constraining task since the energy produced by the muscle chain of the glenohumeral structure requires to counterbalance the eccentric work of the elbow joint in order to be able to transmit it to the FRM handrail. Intrinsically, this function is associated with a prevalence of pain and shoulder injuries between 30 % and 100 % in the spinal cord injury population. There is a close link between the reaction forces applied to the handrim and the load imposed on the shoulder.

Objective : The aim of this project is to estimate the components of the reaction force along the vertical and antero-posterior axis (Fx and Fy), as well as the propelling moment around the medio-lateral axis (Mz), on the handrim on both sides of the FRM using inertial sensors to obtain an ambulatory measurement of these variables.

Material and Methods : 12 healthy subjects propelled an FRM along a 20-metre corridor at the École de Technologie Supérieure. The 3D kinematics of the upper limbs were measured by 17 inertial sensors (MVN Biomech; XSens, Inc.). The reaction forces and propulsive moment were measured by two SmartWheels dynamometric platforms (Three Rivers, Inc.). A new identification method by non-linear transfer function (Hammerstein-Wiener) has been developed to predict the parameters Fx, Fy and Mz, based on the inertial data standards of the wrist (linear acceleration and linear velocity) and the standardized mean pattern of the predicted variable. Validation is carried out using verification (816 cycles) and validation data.

Results : The dependent variables are for each of the three parameters : MAE (mean Absolute Error) and MAPE (mean Absolute Error in Percent) at the maximum peak during the push phases, 1 N.m and 7.9 % for Mz; 6.2 N and 43.2 %; 13.6 N and 26.5 % for Fy. As well as the MAE and RMS (mean square error) errors on the entire curve during the push phase. The moment (RMS, and MAE during the push phase) on the push phase is 6.5 N, 5.1 N for Fx ; 11.6 N, 9.2 N for Fy; and 1.5 N.m, 1.2 N.m for Mz.

Conclusion : the results of this study highlight the possibility of predicting the reaction forces on the handrim (Fx and Fy) and the propulsive moment (Mz). The prediction of the propulsive moment on an ambulatory basis has not been reported in the literature.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration en technologie de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 101-104).
Mots-clés libres: prédiction, fauteuil roulant manuel, identification, capteurs inertiels, propulsion, cinétique, cinématique, Hammerstein-Wiener
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Aissaoui, Rachid
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 13 nov. 2019 21:48
Dernière modification: 13 nov. 2019 21:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2381

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