Development and validation of the control loops for the haptic interfaces of a standard manual wheelchair simulator

Pizarro-Chong, Ary Druva (2021). Development and validation of the control loops for the haptic interfaces of a standard manual wheelchair simulator. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

There are about 47,000 manual wheelchair (MWC) users in Quebec, and 155,000 in Canada. Research indicates that 30 to 70% of them begin feeling chronic pain in the upper limb joints within the first five years of use. To investigate this issue in the laboratory, our team has developed a manual wheelchair simulator that uses instrumented wheels as force sensors. These wheels replace the wheelchair’s original wheels, thus limiting the degree of realism of the simulator.

The objective of this work was to increase this degree of realism, by replacing the force sensors used currently. To this effect, a six-axes force cell was placed underneath the wheelchair. An admittance control loop was developed to control the moment-velocity interaction of the wheelchair’s rear wheels. Data gathering was conducted with one healthy subject to evaluate the level of realism of wheelchair propulsion. On both sides, maximum propulsive moments Mzmax (Nm), maximum applied force FTOTmax (N), push time PT (s) and recovery time RT (s) were calculated and compared between three conditions: on the ground (OG), on the simulator controlled by the instrumented wheels (SW) and on the simulator controlled by the force cell (FC).

Results confirm the research hypotheses: the control loop is stable, meaning that the real speed follows the desired speed. Comparison of biomechanical parameters is as follows: regarding Mzmax, the difference between conditions OG and FC is small, whereas that between OG and SW is large. With regards to FTOTmax and TP, differences between OG and FC, and between OG and SW are both large. For TR, differences between OG and FC and between OG and SW are both small.

In conclusion, it seems that propulsion on the simulator controlled by a force cell may be slightly closer to propulsion on the ground than that on a simulator controlled by instrumented wheels. This could be explained by the fact that the movement of the trunk of the user affects the dynamics of the wheelchair-user system. This effect is captured by the force cell, but not by the Smartwheels.

Titre traduit

Développement et validation des boucles de contrôle pour les interfaces haptiques d’un simulateur de propulsion en fauteuil roulant manuel standard

Résumé traduit

Il y a environ 47,000 utilisateurs de fauteuils roulants manuels (FRM) au Québec, et 155,000 au Canada. 30 à 70% des utilisateurs de FRM commencent à souffrir de douleurs chroniques aux articulations des membres supérieurs dans les cinq premières années d’utilisation. Pour investiguer cette problématique en laboratoire, notre équipe a développé un simulateur de fauteuil roulant manuel. Les capteurs de force utilisés sont des roues instrumentées qui remplacent les roues originelles du fauteuil, ce qui limite le degré de réalisme du simulateur.

L’objectif du travail était d’accroître ce degré de réalisme, en remplaçant le capteur de force qui est utilisé actuellement. Pour ce faire, une cellule de force à six axes a été placée sous le fauteuil roulant. Ensuite, une boucle de contrôle par admittance a été développée pour contrôler l’interaction moment-vitesse des roues-arrière du fauteuil. Une acquisition de données pilote a été effectuée sur un sujet sain pour évaluer le degré de réalisme de la propulsion. Des deux côtés, les moments de propulsion maximaux Mzmax (Nm), la force maximale appliquée FTOTmax (N), le temps de poussée TP (s) et le temps de recouvrement TR (s) ont été calculés et comparés, et ce, dans les trois conditions ci-après: sur le sol (SS), sur simulateur contrôlé par les roues instrumentées (RI) et sur simulateur contrôlé par la cellule de force (CF).

Les résultats confirment les hypothèses de recherche : la boucle de contrôle est stable, c’est-àdire que la vitesse réelle des roues suit la vitesse désirée. La comparaison des paramètres biomécaniques donne les résultats suivants: pour Mzmax, la différence entre SS et CF est petite, alors qu’elle est grande entre SS et RI. Quant à FTOTmax et TP, les différences entre SS et CF et entre SS et RI sont toutes les deux considérées grandes. Pour TR, les différences entre SS et CF et entre SS et RI sont considérées petites dans les deux cas.

En conclusion, il semble que la propulsion sur simulateur contrôlé par la cellule de force soit légèrement plus proche de la propulsion sur le sol que celle contrôlée par des roues instrumentées. On pourrait expliquer ce résultat par le fait que le mouvement du tronc affecte le dynamique des roues, un mouvement qui est pris en compte par la cellule de force mais pas par les roues instrumentées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in engineering, concentration in health technologies". Comprend des références bibliographiques (pages 145-153).
Mots-clés libres:	robotique de la réadaptation, interface haptique, fauteuil roulant, simulateur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chénier, Félix
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	30 sept. 2021 13:43
Dernière modification:	30 sept. 2021 13:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2713

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