Un simulateur pour analyser la propulsion lors des virages

 Introduction

Se déplacer en fauteuil roulant est une activité fastidieuse qui présente un risque élevé de blessures à long terme et de douleur dans le haut du corps [1]. Pour comprendre et réduire les répercussions de cette activité sur la partie supérieure du corps, une analyse exhaustive de la biomécanique de propulsion en fauteuil roulant a été réalisée, principalement pour les déplacements en ligne droite, sur des surfaces planes, des rampes ou des pentes transversales au cours de la dernière décennie [2], [3]. Cela dit, faire tourner un fauteuil roulant est une tâche très différente que celle requise pour un déplacement en ligne droite. Par exemple, pour effectuer un virage à gauche, la main gauche cesse de pousser la roue pour la ralentir, tandis que la main droite compense en produisant une force de propulsion plus élevée [4]. Actuellement, nous en savons peu sur la biomécanique des manœuvres de virage, malgré leur utilisation fréquente en espaces restreints.

Outils d’évaluation – trajectoires

Les ergomètres instrumentés pour fauteuil roulant fixe, sur tapis roulants ou à rouleaux, permettent de mieux reproduire les conditions de propulsion que le travail au sol. Et comme ils nécessitent aussi moins d’espace, ils ont été largement utilisés dans les études portant sur la propulsion des fauteuils roulants.

Les tapis roulants présentent l’avantage de reproduire avec précision les conditions de propulsion sur des rampes et des pentes transversales variées. Quant aux ergomètres à rouleaux, ils ont l’avantage de permettre à l’utilisateur de sélectionner lui-même la vitesse. Ils peuvent aussi simuler différentes résistances au roulement [2], [5]. Il est toutefois impossible d’effectuer des manœuvres de virage sur un tapis roulant. En outre, si les ergomètres à rouleaux actuels simulent la masse totale (de l’utilisateur et du fauteuil roulant) au moyen de rouleaux d’inertie et la résistance au roulement au moyen de freins [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], le moment d’inertie du système fauteuil-utilisateur et la direction des roulettes pivotantes ne sont pas pris en compte, et ce, malgré l’importante qu’ils ont sur le comportement d’un véritable fauteuil roulant [16]. Par conséquent, aucun ergomètre fixe n’est actuellement en mesure de reproduire la propulsion d’un fauteuil roulant sur une trajectoire curviligne.

Outil d’évaluation – trajectoires droites et curvilignes

On a récemment présenté et validé un nouveau modèle dynamique  du système fauteuil-utilisateur qu’il est possible de propulser sur des trajectoires droites et curvilignes [15]. Il s’agit d’un estimateur non linéaire de la vitesse des roues en fonction des moments appliqués sur les roues arrière par l’utilisateur. En raison de sa nature non linéaire, ce modèle serait difficilement applicable à un ergomètre qui utilise uniquement des pièces mécaniques. Toutefois, des dispositifs haptiques permettent de générer un grand éventail d’interactions force-vitesse pour l’interface dispositif-utilisateur [16]. Il a ainsi été possible de concevoir un ergomètre instrumenté pour fauteuil roulant qui a les propriétés d’un dispositif haptique. Les mains-courantes du fauteuil constituent l’interface utilisateur.

Objectif de l’étude

Nous présentons dans cet article un nouvel ergomètre instrumenté pour fauteuil roulant conçu comme un dispositif haptique à admittance asservie. Notre ergomètre reproduit le modèle fauteuil-utilisateur décrit en [15] en temps réel, ce qui permet d’évaluer la propulsion tant pour des trajectoires courbes que droites.

 Le prototype

Le fauteuil roulant est installé sur deux rouleaux motorisés indépendants (figure 1). Contrairement aux autres ergomètres, ces rouleaux sont vides afin de minimiser leur moment d’inertie. L’effet d’inertie du fauteuil roulant durant la propulsion est, en fait, simulé et créé par les moteurs.

Puisque les moteurs à transmission directe produisent un couple élevé à basse vitesse, leur action est directement transmise aux rouleaux sans que soient nécessaires une courroie de distribution ni des vitesses supplémentaires. La position angulaire des rouleaux est mesurée par des encodeurs sinus/cosinus à haute résolution. Les roues arrière du fauteuil sont remplacées par des roues intelligentes à infrarouge et servent de capteurs de force. Elles mesurent en temps réel les forces et les moments appliqués sur les roues arrière par l’utilisateur.

Deux ordinateurs sont utilisés en parallèle. Le premier gère les boucles d’asservissement et l’environnement virtuel. Le second sert d’interface entre l’ergomètre et l’opérateur; il commande l’ergomètre et consigne les données choisies. Les deux ordinateurs communiquent par protocole TCP-IP.

La commande haptique

La commande haptique comporte deux stratégies principales :

• La commande de l’impédance. Elle entrave le mouvement qui autrement serait libre, normalement au moyen de moteurs. Pour ce type de commande, la valeur d’entrée est le mouvement produit par l’utilisateur, et la valeur de sortie, la force produite par les moteurs. Il est ainsi possible d’associer à un mouvement une inertie, un amortissement et une rigidité virtuels, donc de créer une interaction physique entre l’utilisateur et l’objet virtuel.

• La commande de l’admittance, à l’opposé, permet d’obtenir un mouvement sur un dispositif qui, autrement, serait rigide. Pour ce type de commande, la valeur d’entrée est la force produite par l’utilisateur, et la valeur de sortie, le mouvement produit par les moteurs. Il est ainsi possible d’associer à la force une inertie, un amortissement et une rigidité virtuels. Donc, comme c’est le cas pour le réglage de l’impédance, une interaction physique est créée entre l’utilisateur et l’objet virtuel.

La commande de l’impédance est utilisée plus fréquemment puisqu’elle ne requiert pas de capteurs de force. Les moteurs génèrent des moments en rétroaction du déplacement des roues. Cette stratégie est bien adaptée à la simulation d’objets de faible inertie comportant une interface dont la maniabilité vers l’arrière est importante, c’est-à-dire lorsqu’il est facile de faire bouger les roues si aucun moment n’est appliqué en rétroaction [16], [18]. Les systèmes fauteuil-utilisateur présentent toutefois une inertie élevée. De plus, Harrison et coll. [10] ont découvert que pour satisfaire l’exigence de maniabilité vers l’arrière, il est nécessaire de réaligner fréquemment les moteurs, les rouleaux, les embrayages et les freins. Notre prototype n’a ni embrayages ni freins, mais les moteurs et les rouleaux doivent être bien alignés pour réduire la friction. Nous avons trouvé que la commande de l’admittance était une solution mieux adaptée à la simulation d’objets à l’inertie élevée comportant des interfaces difficilement maniables vers l’arrière [16], [20]. Cette stratégie de commande implique que les moteurs ajustent leur vitesse en réaction aux moments appliqués sur les roues. La figure 2 présente un schéma de premier niveau de la commande de l’admittance utilisée par l’ergomètre proposé. Il est composé de deux parties principales : l’environnement virtuel (EV) et l’interface haptique.

L’environnement virtuel (EV)

L’environnement virtuel met en œuvre le comportement d’un objet virtuel dans son environnement. Ici, l’objet virtuel est un fauteuil roulant propulsé manuellement par un utilisateur. L’environnement est une surface plane. Plus précisément, l’environnement virtuel donne la vitesse angulaire des roues arrière virtuelles () correspondant au moment appliqué. Le modèle dynamique du système fauteuil-utilisateur présenté en [15] a la même fonction. Ce modèle, dont un schéma d’équilibre est fourni par la figure 3, a été validé pour dix sujets. Il s’est avéré deux fois plus précis que le modèle standard d’ergomètre à rouleaux libres pour ce qui est de la propulsion en continu d’un fauteuil roulant sur trajectoires curvilignes. Il servira donc d’environnement virtuel à l’ergomètre.

L’interface haptique

L’interface haptique constitue le lien entre l’utilisateur et l’environnement virtuel. Elle a pour rôle de faire correspondre les moments mesurés (, ) aux moments appliqués (, ), et la vitesse des roues réelles (, ) à la vitesse des roues virtuelles (, ). La figure 4 présente un schéma synoptique de l’interface haptique proposée pour une roue. Cette interface est reproduite pour l’autre roue. La partie réelle modélise la vitesse réelle  de la roue en réponse au courant  du moteur et à la perturbation appliquée par l’utilisateur. La partie ordinateur en temps réel sert principalement de compensateur de vitesse. Un compensateur proportionnel-intégral est utilisé afin d’éliminer l’erreur en régime permanent.

 

Conclusion

Ce nouvel ergomètre instrumenté pour fauteuil roulant est deux fois plus précis qu’un ergomètre à rouleaux libres standard pour la propulsion sur trajectoire curviligne. Il faut apporter une attention spéciale aux chaînons de transmission entre les moteurs et les rouleaux pour en limiter l’élasticité et les contrecoups. Nous avons aussi découvert que ce n’est pas tant l’appareil en soi qui limite l’exactitude de l’ergomètre (erreur-type inférieure à 0,9 %), mais l’environnement virtuel (erreur-type de 6 à 11 %, selon la trajectoire des roues). Le développement futur  pour augmenter l’exactitude de l’ergomètre devrait donc se concentrer sur l’amélioration du modèle dynamique du système fauteuil-utilisateur. Enfin, la commande de l’admittance permet l’utilisation d’interfaces haptiques difficilement maniables vers l’arrière, ce qui réduit les besoins d’entretien. Ce type de commande permet aussi de limiter la stabilité de l’ergomètre à des paramètres d’inertie très faible (). Si on se base sur ces valeurs minimales, toutes les valeurs possibles pour les paramètres de l’environnement virtuel assureront la stabilité de l’ergomètre. Ce nouvel ergomètre instrumenté pour fauteuil roulant donne une rétroaction haptique du moment mieux représentative de la propulsion en fauteuil roulant et plus facilement modulable.

Article de recherche

Pour en savoir plus sur ce nouveau simulateur de propulsion en fauteuil roulant, nous vous invitons à lire l’article de recherche suivant :

Chenier, F. et Bigras, Pascal and Aissaoui, Rachid. 2014. « A New Wheelchair Ergometer Designed as an Admittance-Controlled Haptic Robot ». IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 19, nº 1. p. 321-328.