Modélisation dynamique d’un sujet debout en équilibre sur une plateforme omnidirectionnelle,

application à l’analyse de l’équilibre et à la rééducation

Présenté par Jianting MADirecteur de thèse: Faïz BEN AMARCo-directeur: Mourad BOUZIT

CONTEXTE DE LA RECHERCHE

• Les troubles d’équilibre chez le sujet âgé est une pathologie et un motif de plainte fréquents, souvent non traités, et souvent responsables de chute. 36% des personnes de 75 ans présentent une instabilité posturale.

• 50 % des personnes âgées de plus de 80 ans font au moins une chute dans l'année et la moitié d'entre eux en font plusieurs.

• Les perturbations d’équilibre du aux accélérations/décélérations dans le transport en commun causent les incidents peu sévères mais fréquents. Les chiffres des blessures varie entre 22% et 75%.

• AssistMov en partenariat en l’ISIR développe une plateforme robotique mobile omnidirectionnelle capable de perturber l’équilibre du sujet et ainsi solliciter son système postural.

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OBJECTIF

Concevoir et réaliser une plateforme mobile omnidirectionnelle. Elaborer un modèle musculo-squelettique capable de reproduire fidèlement

les gestes d’un sujet en équilibre soumis aux perturbations d’une plateforme mobile omnidirectionnelle.

Analyser la capacité de l’équilibre d’un sujet a partir des paramètres biomécaniques internes (angle, muscle, couple articulaires …) révéler des nouveaux indices de stabilité.

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Perturbation d’équilibre par plateforme mobile

Modélisationmusculo-squelettique

Indices de stabilité ‘interne’

SOMMAIRE

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État de l’art

Conception & réalisation de la plateforme

Modélisation musculo-squelettique

Expérimentations et analyses des résultats

Conclusion & Perspective

ÉTAT DE L’ART

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1. Critères de stabilité

2. Modélisation biomécanique

3. Plateformes de perturbation d’équilibre

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CRITÈRE DE STABILITÉ

Centre de masse (CdM) Zéro moment point (ZMP)

Stabilité statique: la projection du CdM est situé à l’intérieur du polygone de sustentation.

Stabilité dynamique : ZMP reste contenu dans le plan du polygone de sustentation.

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MODÉLISATION DE L’ÉQUILIBRE

Modèle musculo-squelettique: • AnyBody, • SIMM, • BodyMech, • HuMANS, • LifeModeler

Modèle en pendule inverse: • simple • Double pendule inverse• Double pendule inverse + genou

La littérature est très riche en étude d’ équilibre base sur les modèles en pendules inverses

A notre connaissance, il n’existe pas (ou rare) d’étude de l’équilibre basé sur une modélisation musculo-squelettique.

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PLATEFORME DE PERTURBATION DE L’ÉQUILIBRE

EQUITEST (2 ddl, R+T)

IsiMove (4 ddl, 3R+T)

Imoove (1ddl, R) Framiral (2 ddl, 2R)

Perry dynamics (2 ddl, 2R)

A notre connaissance, il n’existe pas de plateforme mobile omnidirectionnelle pour la perturbation de l’équilibre.

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CONCEPTION DE LA PLATEFORME OMNIDIRECTIONNELLE

Roue omnidirectionnelle

Capteurs de force bipodale

Plateforme à 4 routes motrices et directrice.

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RÉALISATION DE LA PLATEFORME OMNIDIRECTIONNELLE

Prototype 1 (2011)

Prototype 2 (2012)

Roue omnidirectionnelle

Dimension 60x60x20cmCharge max 120KgVitesse max: 1.2 m/s

vidéo

MODÉLISATION MUSCULO-SQUELETTIQUE

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12

DONNÉES EXPÉRIMENTALES CINÉMATIQUES

• Nombre de marqueur: 13 (11 sur le corps du sujet et 2 sur la plateforme)

• Fréquence d’échantillonnage des données (Codamation et IsiMove) : 50Hz

• Le sujet a les yeux fermés

Système de capture de mvt. Codamotion

Caméra

ordinateur

Capture du geste

Trajectoires des marqueurs

Transmission des données à l’ordinateur du système de la plateforme

Système de perturbation dynamique

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PARAMÈTRES PERSONNALISÉES

Segments: 19 segments observant les données anthropométriques. Certains segments sont constitué de plusieurs os.

Articulations: Le nombre de ddl de chaque articulation ainsi que les coefficient d’élasticité et d’amortissement sont proches des valeurs réels.

Muscles: 178 muscles sont modélisés dont 17 muscles pour chaqu ’un des membres inférieurs.

Nous nous intéressé particulièrement aux articulations de la cheville, le genou, la hanche et le cou. Et aux 17 muscles des membres inférieur.

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Création des motions agents pilotant le mouvement du modèle

Création du contact entre pieds/sol couplant le sujet et la plateforme

Simulation des conditions initiales statiques

INTÉGRATION DU CORPS HUMAIN AVEC LA PLATEFORME

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SIMULATION DYNAMIQUE

• Dynamique inverse: Les motions agents pilotent le mouvement du modèle. Enregistrer l’historique des angles articulaires et contractions musculaires.

• Dynamique directe: Couple articulaire et force musculaire activent le mouvement du modèle.

• Comparaison des gestes du sujet entre la simulation dynamique directe et inverse.• Trajectoire du centre de pression mesuré avec celle du centre de masse simulé.

• Comparaison de certaines forces musculaires mesurées par EMG et forces simulées.• Comparaison de distribution des forces de contact mesurées par un tapis avec ceux

simulées.

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VALIDATION DU MODÈLE

vidéo

EXPÉRIMENTATIONS ET ANALYSES DES RÉSULTATS

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18

DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE

Perturbation dynamique:• Profile: triangulaire à vitesse constante• Vitesse: 25, 50 et 70 mm/s• Déplacement: 290mm• Durée: 20s

1 seul sujet et 3 essais par chaque vitesse13 marqueurs (11 sur le corps du sujet et 2 sur la plateforme)

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ANGLES ARTICULAIRES

• Evaluation de la stratégie d’équilibre: cheville vs hanche

Déplacement de la plateforme

maxmax

max

maxmax

max

hanchecheville

hanche

hanchecheville

cheville

Angle de la cheville (deg)

Angle (deg)

Angle du cou

Angle de la hanche

6,06.0

6,03.1

6.07.0

33

22

11

vcou

vhanche

vcou

vhanche

vcou

vhanche

aa

aa

aa

ba chevillevihanchehanche

• Corrélation entre les angles articulaires et les vitessesCoefficient d’interpolation linéaire du premier ordre

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COUPLES ARTICULAIRES

• Proportion de l’énergie fournis par la cheville et la hanche

• Répartition de l’énergie interne

• Analyse de la densité spectrale:

Déplacement de la plateforme

hanchehanchechevillecheville

hanchehanche

hanchehanchechevillecheville

chevillecheville

TT

T

TT

T

,

hancheT

chevilleT

plateformec

cou

plateformec

hanche

plateformec

genou

plateformec

cheville

E

E

E

E

E

E

E

E

....

,,

Fréquence de contrôle du couple de la hanche plus élevé que celui de la cheville

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FORCES MUSCULAIRES

MuscleSemTendroit

SemTengauche

Soleusdroit

Soleusgauche

RecFemdroit

RecFemgauche

TibAntdroit

TibAntgauche

Force maximum (N) 284 192 0.4 0.4 21.8 22.7 0.4 0.4

Quelques indices préliminaires:• Proportion antérieur/postérieur et gauche/droite

• Distribution de l’énergie fournis par les forces musculaires • Distribution d’un groupe de force musculaire en fonction des perturbations

Soleus

TibAnt

RecFem

SemTen

n

ii

g

ii

Fm

Fmn

iii

ii

FCm

FCm

%5.9

max.

max.

np

i

posterieuri

na

i

anterieuri

F

F%3.70

max.

max.

nd

i

droitei

ng

i

gauchei

F

F

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FORCES DE CONTACTE

Pieds droit support la majorité du poids

• Répartition du poids entre le pieds droit et gauche

%4.28

t

i

droitii

t

i

gaucheii

Rt

Rt

Pieds gauche support la majorité du poids

• Distribution des forces de contact sur chaque pieds

gaucheR

droiteR

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CENTRE DE MASSE ET TEMPS DE REACTION

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-150

-100

-50

0

50

100

150

temps (s)

de

pla

ce

me

nt

(mm

)

cpY

projection du cmY du sujet

deplacement de la plateforme

Centre de pression

Projection du centre de masse

• La projection du CdM du corps est toujours à l’intérieur du CdP pour que le sujet maintient son équilibre

• Un grand temps de réponse signifie un danger potentiel de la chute pour un passager

Vitesse de perturbation Temps de réponse Max (s)

Vitesse rapide (70mm/s) 0.2

Vitesse moyenne (50mm/s) 0.3Vitesse lente (25mm/s) 0.4

Une plateforme omnidirectionnelle a été conçu et prototypé. Un modèle musculo-squelettique a été créé dans LifeModeler.

Les premiers essais expérimentaux pour valider la modélisation et les mesures ont été réalisé.

Quelques résultats préliminaires sur l’analyse de l’équilibre a partir des paramètres biomécaniques internes ont été élaboré.

De nouveaux testes seront réalisé avec plusieurs sujets de différent âges et sexes, voir avec des pathologies et avec différents intensités de perturbation.

Des nouveaux indices d’équilibre ‘interne’ seront étudiés, comparés et classés pour qu’ils puissent être exploiter par les thérapeutes.

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CONCLUSION & PERSPECTIVE

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

QUESTIONS?