Contrôle haptique d'un tapis roulant orthopédique

Marcoux, Simon (2015). Contrôle haptique d'un tapis roulant orthopédique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Objectifs : Ce projet vise à concevoir un algorithme de contrôle haptique utilisant un tapis roulant à deux voies pour qu’un sujet puisse contrôler de manière continue la vitesse du tapis en utilisant seulement les forces de réaction au sol (GRF). Un tel système offre d’importantes perspectives de recherche dans plusieurs domaines de la réadaptation que ce soit de type orthopédique (gonarthrose) ou neurologique (hémiparésie).

Méthodes : Un modèle de détermination de la vitesse a d’abord été conçu dans l’environnement Matlab Simulink et a été validé à partir de données de contrôle en mode symétrique et asymétrique. Par la suite, le modèle a été implémenté sur un tapis roulant orthopédiques doubles voies AMTI. Un total de six (6) sujets ont ensuite participé à la validation du système et ont rempli un questionnaire qualitatif sur l’expérience vécue sur le tapis roulant haptique. Les vitesses moyennes obtenues sur le tapis roulant ont été comparées aux vitesses moyennes observées lors d’une marche dans un corridor afin de déterminer si les sujets étaient en mesure de reproduire leur marche naturelle sur le tapis haptique.

Résultats : Le modèle de prédiction de la vitesse est en mesure d’estimer la vitesse avec une précision de 3.5% RMS. De plus, une analyse de variance à mesure répétée (ANOVA) n’a pas décelé de différence notable entre le modèle et la méthode de contrôle utilisé comme comparatif. Il a aussi été observé que des sujets sains exposés à de fortes asymétries vont modifier leurs démarches de manière significative. L’implémentation temps réel du modèle a permis aux sujets de contrôler la vitesse du tapis sur demande. Les sujets ont trouvé que le fonctionnement du tapis était, de manière générale, intuitif et sécuritaire.

Conclusion : Le présent projet de recherche a été en mesure de concevoir un algorithme de contrôle haptique pour tapis roulant orthopédique et de caractériser les performances du modèle mathématique sous-jacent. Il a aussi été démontré que des sujets peuvent intuitivement contrôler le tapis. Avec un tel outil en main, il serait intéressant de poursuivre les visées de recherche en réadaptation et de continuer le développement et la caractérisation du système à travers des essais cliniques de plus longues durées.

Titre traduit

Haptic control system for orthopedic treadmill

Résumé traduit

Goals: The goal of this project is to design a predictive haptic control algorithm for a split belt treadmill to achieve treadmill-on-demand capabilities. A subject will therefore be able to dictate the speed of the treadmill simply by using the ground reaction forces (GRF). Such a system will pave the way for different research projects in rehabilitation including orthopedic (gonarthrosis) and neurologic (hemiparesis) rehabilitation.

Methodology: A predictive speed determination model was developed in the Matlab Simulink environment and a validation process was performed using control values to assess the symmetric and asymmetric prediction capabilities of the model. After that, the model was implemented on a split belt AMTI orthopedic treadmill. A total of six (6) subjects participated in the haptic treadmill’s validation process. Participants were also required to answer a qualitative form to get general feedback from them. The average speeds on the treadmill were compared with the average speed obtained over ground to study if subjects were able to emulate their natural walking speed on the haptic treadmill.

Results: The speed determination model was able to predict requested speed with a precision of 3.5% RMS. Furthermore, an analysis of variance (ANOVA) didn’t show any statistical difference between the model and the control method used as a comparison basis. It was also observed that healthy subjects exposed to large amount of asymmetry will significantly alter their gait pattern. The real time implementation of the model allowed subjects to control on demand the treadmill’s speed. Subjects also reported that the overall functionality of the treadmill was intuitive and safe.

Conclusion: This research project designed a haptic control algorithm for a split belt orthopedic treadmill and was able to characterize the performance of the underlying mathematical model. It was also proved that subjects were able to intuitively control the treadmill. With such a tool in hand, it would be interesting to pursue further research endeavor in rehabilitation and to continue the development and characterization of the system through longer clinical tryouts.

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 concentration technologies de la santé". Bibliographie : pages 85-86.
Mots-clés libres:	Interfaces haptiques. Interfaces haptiques Modèles mathématiques. Tapis roulants (Appareils d'exercice) Appareils orthopédiques. Force de réaction au sol (Biomécanique) Réadaptation, haptique, tapis roulant orthopédique, contrôle, hémiplégie, modèle prédictif de détermination de la vitesse de marche.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	30 oct. 2015 19:02
Dernière modification:	30 oct. 2015 19:02
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1536

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