Présentation - Université de Valenciennes

CReSTIC
EA 3804
L. AFILAL, K. GUELTON, N. MANAMANNI, S. MOUGHAMIR, J. ZAYTOON
RFIS Juin 2004, Valenciennes France
Systèmes d’évaluations, de rééducation
et d’entraînements sportifs
Centre de Recherche en Sciences et Technologies de
l'Information et de la Communication
Université de Reims Champagne-Ardenne
CReSTIC - URCA
UFR Sciences Exactes et Naturelles
Moulin de la Housse, BP 1039
F-51687 Reims Cedex 2, France
{nom.prenom}@univ-reims.fr
Plan de l’exposé
• Présentation du CReSTIC et de l’équipe de recherche
• Présentation de l’axe de recherche en génie biomédical
• 4 projets:
• Machines MULTI-ISO
(Spécification, Commandes et Résultats)
• Machine MAB
(Spécification et premiers Résultats)
• Machine SYS-REEDUC
(Spécification)
• Système embarqué pour l’analyse des mouvements de la cheville
• Conclusion et perspectives
Contexte de recherche au CReSTIC
CReSTIC - LAM
Signal
Automatique
Micro-électronique
Système Dynamiques Hybrides
Diagnostic
et Supervision
Commande
Hybride
Automatique
et
Génie Biomédical
SED
Systèmes à
commutations
Équipe Génie Biomédical
5 Permanents
4 Thésards
2 Ingénieurs CNAM
1 Technicien
Compétences en:
Automatique
Robotique
Électronique embarquée
Biomécanique
Machines
de rééducation
et d’entraînement
Semelle
instrumentée
Multi-Iso
MAB
SYS-REEDUC
Machines d’entraînement et de rééducation
MULTI-ISO
Z
e
Médecine
MAB
‰ Rééducation
‰ Diagnostic
R1
‰ Suivi médical
Sport
‰ Renforcement musculaire
Ye
R2
Xe
‰ Évaluation
SYS-REEDUC
R3
Semelle instrumentée
Spécification de la machine Multi-Iso
Démarche méthodologique
Multi-Iso
Membres Inférieurs
1 DDL
‰ Analyse
Spécification
‰ Modélisation
‰ Contrôle-commande
• Principe mécanique de Multi-ISO
‰ Développement
Conception
axe de rotation
‰ Prototype
moteur
+ réducteur
θmin
‰ Programmation
Implantation
bras
mobile
θmax
‰ Simulations
‰ Tests
‰ Validation
Analyse des correspondances médico-techniques
Expression
Définition technique
Groupe musculaire
- Quadriceps
- Ischiojambiers
Sens de l’effort musculaire
Force exercée vers le haut (F<0)
Force exercée vers le bas (F>0)
Mode d’entrainement
- Isocinétique
- Conduit
- Isotonique
- Physiocinétique
- Assisté
- Étirement
- Isométrique
Nature du mouvement
Vitesse constante avec conditions sur la force musculaire
Vitesse sans condition sur la force musculaire
Simulation d’une charge pesante constante
Simulation d’une charge pesante fonction de la position
Vitesse fonction des réactions d’effort du patient
Simulation d’une charge constante
Jambe maintenue immobile alors que le patient produit un effort
Type d’entrainement
- concentrique
- excentrique
Nature de l’effort musculaire
Muscle moteur
Muscle résistant
Mouvement de la jambe
- extension
- flexion
Direction du mouvement
Haut
Bas
Correspondance médico-techniques
Ö Nécessité de 3 lois de commande pour l’exécution de tous les types de mouvement
Ö commande en position (Lq), vitesse (Lw) et forces (Lf)
Commande hybride de Multi-ISO
• Partie commande
θ < θmin+∆θ
Libre
entry : cons =0
throughout : LF
F < Fmin
F> Fmin
Vitesse_constante
entry : cons = -Vmin
throughout : Lω
α
cons
+
-
Position_haute
entry : cons = θmin
throughout : Lθ
θ < θmin+∆θ
LF
+
-
Cm
Low pass
Machine asservie
en vitesse
Lθ
θ
F
Patient
Résultats expérimentaux Multi-ISO
• Renforcement musculaire
1. 12 séances d’entraînement sur 3 semaines
2. Évaluations hebdomadaires
Courbes d ’effort moyen
140
140
3ème
semaine
120
120
Force [daN]
Force [daN]
100
80
2ème
semaine
60
1ère semaine
40
100
80
60
40
20
0
Évolution de la force max..
20
30
40
50
60
70
80
Position(°)
90
100
110
9 Augmentation du pic de force
0
2
4
6
8
Séance d'entraînement
10
12
9 Augmentation « linéaire » de Fmax
STIMULATION MECANIQUE DE LA BOUCLE NEUROMUSCULAIRE GAMMA
• Contrôle neuromusculaire
Charge
EFFECTEUR
COMMANDE
(Motoneurones α)
Système
nerveux
central
Fibres musculaires
SIGNAL DE RETOUR
SECONDAIRE
(neurone sensitif Ib)
SIGNAL DE RETOUR
PRIMAIRE
(neurones sensitifs Ia et II)
COMMANDE
(Motoneurones γ)
Force
générée
Organe tendineux
de Golgi
+
Masse
musculaire
Tension
mesurée
CAPTEUR DE FORCE
Fuseau
neuromusculaire
Longueur musculaire
CAPTEUR DE
LONGUEUR
Etirement du muscle par fS
• Techniques de renforcement musculaire
• Entraînement physique (méthodes classiques)
• Electrostimulation (excitation synchrone involontaire)
• Stimulation mécanique (Stimulation GAMMA)
Ö Lois de commandes adaptée
Ö Amplitude et Fréquence de fS
(déterminées de manière individuelle)
FP
Muscle quadriceps
FA
fS
Spécifications Machine MAB
• CinématiqueZede la machine Membre Sup.
MAB
Membres supérieurs
Machine à 3 DDL
R1
Ye
R2
Xe
R3
• 3 articulations rotoïdes
• Plan horizontal et vertical
• Exécution de mouvements physiologiques
• Rééducation graduelle
• Capteurs d’efforts
Contraintes de commande:
• Objectif et spécification de la partie commande
• Contraindre le sujet à rester dans l’espace de travail assignéZe
• Simulation de l’inertie désirée (Erreur faible)
Ö Commande en force
• Correction de position + sécurité (Erreur importante)
Ö Commande en impédance
trajectoire désirée
trajectoire
réelle
espace de travail
Ö Commande hybride Force/Impédance
Xe
xmax
Simulations et résultats (MAB)
0.6
• Simulation avec suivit de trajectoire
Trajectoire imposée:
épaule
• Amplitude angulaire de l’effecteur: 135°
• Déplacement horizontaux négligés
• Action humaine supposée sinusoïdale
Ze (m)
Lf = 0.6 m
• Simulation de lâché prise et reprise
L2 = 0.4 m
R3
coude
Lo = Lb = 0.5 m
L3 = 0.4 m
• Lâché: erreur initiale nulle, force nulle à t=0
• Reprise: échelon de force à 9.81N à t=1s
x i m a x = 1 0 c m
θf = 45°
R2
0
-0.6
-0.5
0
0.04
0.5
0.05 m
0.1 m
0.4
0.03
erreur de position (m)
0.3
0.2
Ze (m)
0.5
Xe (m)
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
0.02
0.01
0
-0.01
-0.5
0
0.2
0.4
Xe (m)
Suivit de trajectoire
0.6
-0.02
0
0.5
1
1.5
2
temps (s)
Lâché prise et reprise
2.5
3
Machine SYS-REEDUC (rééducation 3D du genou)
SYS-REEDUC
• Objectifs
Machine à 6 DDL
• Un meilleur diagnostic de ses pathologies
• Une rééducation précise et personnalisée
• L’amélioration des performances lors des entraînements
• La validation de dispositifs médicaux tels que les prothèses totales du genou
• Modélisation cinématique et dynamique du genou
• 3 translations
• 3 Rotations
Ö Modèle 3D
Machine de rééducation tridimensionnelle du genou
• Modèle cinématique
Ö Proposition d’une architecture mécanique de la machine
Ö Spécification de trajectoires de consignes
Médiale Latérale
z0
Antérieure
postérieure
Flexion
extension
Tibiale axiale
Adduction
abduction
Interne externe
T Médiale
latérale
x0 x1
β
R Adduction Abduction
α
T Antérieure postérieure
R Flexion
extension
y1
T Tibiale axiale
R Interne
Externe
z2
Machine de rééducation tridimensionnelle du genou
• Modèle dynamique
!
Système fortement
non linéaire
Ö Évaluation des contraintes articulaires
Dynamique inverse, observateurs…
Ö Synthèse de lois de commandes
Automatique avancée
Positions, Vitesses, Forces…
(Commande floue, modes glissants…)
• Simulation 3D des mouvement et contraintes articulaires
Fémur
h
Tibia
Vue frontale
Vue sagittale
Système embarqué pour l’analyse des mouvements de la cheville
• Objectif
• Analyse dynamique du geste sportif
• Système d’évaluation pour la conception de
semelles pour sportifs de haut niveaux
• Spécifications
• Microprocesseur, multi capteur, mémoire
• Analyse temps réel des contraintes articulaires à la cheville
• Analyse temps réel des contacts pieds/sol
• Communication sans fil
Utilisation possibles:
Détermination de la distance parcourue, fatigue articulaire, détection temps réel
des risques d’entorses…
d
Conclusion et perspectives
• Applications de l’automatique en Génie Biomédical
• Compétences initiales: SDH, électronique embarquée, robotique
• Contrats industriels (société Myosoft…)
Ö Réalisation de la machine MULTI-ISO
• Développement de l’axe génie biomédical
ÖMAB (machine membres supérieurs)
ÖObtention d’un CPER: SYS-REEDUC
ÖSemelle instrumentée (partenariat STAPS Reims)
• Perspectives
• Renforcer les compétences en Génie Biomédical au CReSTIC
• Favoriser le transfert technologique (ERT)
• Études de commandes robustes pour systèmes robotisés
(Exosquelettes, Prothèses intelligentes…)
Résultats expérimentaux Multi-ISO
• Correction de la courbe d ’effort: Mode physiocinétique
4. Entraînement avec suivi de consigne imposée
5. Évaluation finale
1. Courbe de référence
2. Adaptation de la consigne
3. Première évaluation
Courbes d ’évaluation : Isocinétique
70
70
60
60
50
Force [daN]
Force [daN]
Courbes d ’entraînement : Physiocinétique
40
30
20
40
30
20
10
0
20
50
30
40
50
60
Position(°)
70
80
90
10
40
50
60
9 Décalage du pic de force (80°)
70
80
Position(°)
90
100
110