Conception, fabrication et mise en œuvre d’un simulateur de genou

Vincent, Xavier (2025). Conception, fabrication et mise en œuvre d’un simulateur de genou. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Objectifs : L’objectif principal de ce mémoire est de concevoir, réaliser et entamer la validation d’un simulateur de genou robotisé capable d’imiter un mouvement de marche de manière automatisée. Ce dispositif a pour vocation de servir d’outil de calibration afin de valider des méthodes de mesures angulaires utilisant les capteurs inertiels.

Méthodologie : Le projet a débuté par la conception mécanique et électrique complète du simulateur, incluant le choix des matériaux, l’intégration de cinq moteurs électriques et la mise en place d’une architecture de commande basée sur Matlab/Simulink et un microcontrôleur Raspberry Pi. La communication entre le contrôleur et les moteurs a été assurée via le protocole CAN. Un modèle Simulink a été développé pour gérer la génération des signaux de déplacement angulaire de la hanche et du genou lors de la marche, le retour à zéro du simulateur et l’exécution du profil de marche. Enfin, une vérification expérimentale a été menée en deux étapes: une vérification interne, reposant sur les retours CAN des moteurs, puis une vérification externe par capture optoélectronique (OptiTrack).

Résultats : Les résultats ont montré que le simulateur est capable d’imiter les trajectoires de déplacement angulaires de marche programmées, avec un suivi en position. La vérification interne a confirmé la cohérence entre les consignes envoyées et les positions mesurées par les moteurs, avec une erreur moyenne absolu inférieure à 1° et un écart maximal de 2°. La vérification externe, réalisée à l’aide du système OptiTrack, a permis de comparer les déplacements angulaires mesurés par le simulateur avec ceux issus de données biomécaniques angulaires de référence, confirmant une bonne cohérence globale entre les profils de marches. Certains artefacts ont été observés, principalement liés à la transmission CAN, mais ils n’ont pas influencé de manière notable la forme générale des trajectoires angulaires (variation inférieure à 1 % de l’amplitude totale).

Conclusion : Ce mémoire a permis de démontrer la faisabilité mécanique d’un simulateur de genou robotisé pour la reproduction contrôlée de mouvements de marche. La solidité et la stabilité de la structure ont été évaluées à partir des analyses de couple et de contraintes réalisées sous SolidWorks, confirmant la capacité de la structure à supporter les efforts générés par les moteurs sans déformation significative. Le dispositif offre un protocole reproductible et constitue une plateforme pertinente pour la calibration et la vérification de capteurs inertiels ou de tout autre système de mesure. Des perspectives d’amélioration ont été identifiées, notamment en matière de réduction des erreurs de transmission et d’optimisation logicielle, afin de renforcer la précision et la fiabilité du simulateur.

Titre traduit

Design, fabrication, and implementation of a knee simulator

Résumé traduit

Objectives: The main objective of this thesis is to design, build, and initiate the validation of a robotic knee simulator capable of imitating a walking motion in an automated manner. This device is intended to serve as a calibration tool to validate angular measurement methods using inertial sensors.

Methodology: The project began with the complete mechanical and electrical design of the simulator, including material selection, the integration of five electric motors, and the implementation of a control architecture based on Matlab/Simulink and a Raspberry Pi microcontroller. Communication between the controller and the motors was achieved through the CAN protocol. A Simulink model was developed to manage the generation of the hip and knee angular displacement signals during walking, the simulator’s homing sequence, and the execution of the walking profile. Finally, experimental verification was conducted in two stages: an internal verification based on the motors, CAN feedback, followed by an external verification using optoelectronic motion capture (OptiTrack).

Results: The results showed that the simulator can imitate the programmed walking angular trajectories with accurate position tracking. Internal verification confirmed the consistency between the transmitted commands and the motor-measured positions, with a mean absolute error below 1° and a maximum deviation of 2°. The external verification, performed using the OptiTrack system, allowed comparison between the simulator’s angular displacements and reference biomechanical angular data, confirming good overall agreement between the walking profiles. Some artifacts were observed, mainly related to CAN transmission, but they did not significantly affect the general shape of the angular trajectories (variation below 1% of the total amplitude).

Conclusion: This thesis demonstrated the mechanical feasibility of a robotic knee simulator for the controlled reproduction of walking movements. The strength and stability of the structure were evaluated through torque and stress analyses performed in SolidWorks, confirming the structure’s ability to withstand motor-generated loads without significant deformation. The device provides a reproducible protocol and represents a relevant platform for calibrating and validating inertial sensors or any other measurement system. Several opportunities for improvement were identified, particularly regarding the reduction of transmission errors and software optimization, in order to enhance the simulator’s precision and reliability.

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 technologie de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 127-128).
Mots-clés libres:	analyse de mouvement, cycle de marche, microcontrôleur, moteur électrique, prototype, simulation d’une jambe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hagemeister, Nicola
Codirecteur:	Codirecteur Aissaoui, Rachid
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	25 févr. 2026 19:49
Dernière modification:	25 févr. 2026 19:49
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3793

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