Développement d’un simulateur de propulsion en fauteuil roulant manuel avec biofeedback haptique

Chénier, Félix (2012). Développement d’un simulateur de propulsion en fauteuil roulant manuel avec biofeedback haptique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation	PDF Télécharger (4MB) | Prévisualisation
Prévisualisation	PDF Télécharger (1MB) | Prévisualisation

Résumé

La propulsion en fauteuil roulant manuel entraîne une charge élevée et répétée aux épaules, si bien que près d’un utilisateur sur deux y développera de la douleur chronique au cours de sa vie. Il est possible qu’une légère amélioration de l’efficacité de la propulsion contribuerait à réduire le risque et la prévalence de douleur à long terme. Or, l’entraînement de sujets en vue d’améliorer leur efficacité de propulsion a déjà été tenté à l’aide de biofeedback visuel et a fourni des résultats mitigés. En se basant sur les récentes avancées en réadaptation assistée par robotique, nous émettons l’hypothèse qu’un biofeedback haptique serait plus adapté que le biofeedback visuel pour modifier la direction des forces appliquées par l’utilisateur. Le développement d’un simulateur de propulsion en fauteuil roulant manuel constitue le sujet de cette thèse, ce simulateur permettant de fournir un biofeedback haptique à l’utilisateur de façon à rediriger son parcours de direction de forces vers un parcours prédéterminé.

Un estimateur de l’orientation des roues avant d’un fauteuil roulant est tout d’abord développé et présenté, celui-ci permettant de déterminer l’orientation des forces de résistance au roulement. Sa précision est de ±5○ à ±8○ selon la trajectoire du fauteuil. Un modèle dynamique du fauteuil et une technique d’identification de ses paramètres sont ensuite développés et validés avec 10 sujets. Comparativement au modèle d’un ergomètre à rouleaux standard, ce modèle estime la vitesse des roues arrière avec près de la moitié de l’erreur lors de manoeuvres de tournants, avec des erreurs de vitesse RMS (valeur efficace) de 6 % à 13 % selon la trajectoire du fauteuil. En troisième lieu, un simulateur de propulsion en fauteuil roulant est réalisé en tant qu’interface haptique à commande d’admittance. Ce simulateur reproduit le modèle dynamique du fauteuil développé précédemment avec une erreur de vitesse RMS de moins de 0,9 %. Finalement, une étude préliminaire sur le biofeedback haptique est réalisée sur un sujet pilote. Cette étude a permis d’augmenter l’efficacité de la propulsion du sujet de 10 %.

Le simulateur développé dans cette thèse servira dans un premier temps à étudier l’impact sur l’épaule de différents parcours de direction de forces, et contribuera à étendre les connaissances actuelles sur les meilleures techniques de propulsion. Par la suite, il permettra d’entraîner les utilisateurs de fauteuil roulant manuel à utiliser une technique de propulsion optimale, de façon à réduire le risque de développer de la douleur chronique à l’épaule.

Titre traduit

Development of a manual wheelchair propulsion simulator that provides haptic biofeedback

Résumé traduit

Manual wheelchair propulsion generates a high and repeated load on the shoulders, and eventually causes chronic shoulder pain to near half of the users. A small improvement of the propulsion efficiency could decrease the risk of long term shoulder pain. Training sessions were previously attempted, where a visual biofeedback was presented to subjects in order to improve their propulsion efficiency. However, these sessions led to mixed results. Based on recent advances in robot-assisted rehabilitation, we hypothesize that a haptic biofeedback would be more suited than a visual biofeedback to induce a change of force direction in the users’ propulsion pattern. The topic of this thesis is the development of a manual wheelchair simulator that provides a haptic biofeedback to the users to redirect their force direction patterns toward a desired pattern.

A caster wheels orientation estimator is first developed and presented. This estimator allows to model the orientation of the rolling resistance forces. Its precision is of ±5○ to ±8○ depending on the wheelchair trajectory. Second, a dynamic model of the wheelchair and an identification method for its three parameters are developed and validated with 10 subjects. Compared to the model of a standard roller ergometer, this new model estimates the rear wheels velocity with near half the error, with root-mean-square (RMS) velocity errors of 6% to 13% depending on the wheelchair trajectory. Third, a manual wheelchair simulator is implemented as a haptic interface based on an admittance command. This simulator reproduces the presented dynamic model of the wheelchair with a RMS velocity error of less than 0.9%. Finally, a preliminary haptic biofeedback experiment is realized with one pilot subject. The haptic biofeedback allowed to increase the subject’s propulsion efficiency by 10%.

The simulator presented in this thesis will be a tool of choice, in a first time to study the real impact on the shoulder of different force direction patterns, and will contribute to extend the knowledge on the best wheelchair propulsion techniques. Later, this simulator will allow to train wheelchair users to use an optimal propulsion technique, in the aim of reducing the risk of developing chronic shoulder pain.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’école de technologie supérieure comme exigence partielle a l’obtention du doctorat en génie". Bibliogr.: f. [152]-160.
Mots-clés libres:	Fauteuils roulants Systèmes de propulsion Simulateurs (Appareils) Apprentissage par la rétroaction biologique Ergomètres, Biofeedback, Interfaces haptiques, Systèmes à temps réel, Robotique, Modélisation de systèmes, Observateurs, Stabilité.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Codirecteur:	Codirecteur Bigras, Pascal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 juin 2012 15:31
Dernière modification:	02 mars 2017 22:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1005

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt