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

1. 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 MA Directeur de thèse: Faïz BEN AMAR Co-directeur: Mourad BOUZIT

2. 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.

3. 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. Indices de stabilité ‘interne’ Modélisation musculo-squelettique Perturbation d’équilibre par plateforme mobile

4. État de l’art Conception & réalisation de la plateforme Modélisation musculo-squelettique Expérimentations et analyses des résultats Conclusion & Perspective Sommaire

5. Critères de stabilité Modélisation biomécanique Plateformes de perturbation d’équilibre État de l’art

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Conception de la plateforme omnidirectionnelle Roue omnidirectionnelle Capteurs de force bipodale Plateforme à 4 routes motrices et directrice.

10. Réalisation de la plateforme omnidirectionnelle Prototype 1 (2011) Prototype 2 (2012) Roue omnidirectionnelle Dimension 60x60x20cm Charge max 120Kg Vitesse max: 1.2 m/s • vidéo

11. Modélisation musculo-squelettique

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

13. Paramètres personnalisées • Segments: 19 segments observant les données anthropométriques. Certains segments sont constitué de plusieurs os. • Articulations: Lenombre 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.

14. Intégration du corps humain avec la plateforme • 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

15. 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.

16. Validation 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. • vidéo

17. Expérimentations et Analyses des résultats

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 vitesse 13 marqueurs (11 sur le corps du sujet et 2 sur la plateforme)

19. Angles articulaires Angle (deg) • Evaluation de la stratégie d’équilibre: cheville vs hanche Déplacement de la plateforme • Corrélation entre les angles articulaires et les vitesses Coefficient d’interpolation linéaire du premier ordre Angle du cou Angle de la hanche Angle de la cheville (deg)

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

21. Forces musculaires RecFem 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 SemTen TibAnt Soleus

22. Forces de contacte Pieds droit support la majorité du poids • Répartition du poids entre le pieds droit et gauche Pieds gauche support la majorité du poids • Distribution des forces de contact sur chaque pieds

23. Centre de masse et temps de reaction 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

24. Conclusion & Perspective • 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. • Quelquesrésultats 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 classéspour qu’ils puissent être exploiter par les thérapeutes.

25. Merci de votre attentionQuestions?