Conception d’une plateforme mobile omnidirectionnelle pour l’analyse de l’équilibre postural dans les transports

Dans ce travail de thèse nous nous sommes consacrés au développement d’un système robotique permettant de reproduire en laboratoire l’ensemble des perturbations subies par un passager dans un transport en commun afin de faire une analyse de son équilibre postural.

En effet, l’analyse des troubles de l’équilibre est un problème de santé majeur qui a suscité beaucoup de recherches durant les dernières décennies. Néanmoins, peu d’études se sont intéressées à l’analyse des troubles dans les moyens de transport et en particulier lors des phases d’accélération-décélération. C’est pendant ces phases critiques que 50% des blessures sans collision sont recensées contre 7% seulement lors de virages. Ces blessures s’aggravent pour les personnes à risques en particulier les personnes âgées où selon plusieurs études 36% des personnes de 75 ans présentent un déséquilibre postural (Faucher et al., 2000; Halpern et al., 2005; Pereira, 2006) . Il est ainsi prouvé que les effets de l’âge sont significativement associés à une diminution des fonctions visuelles, vestibulaires et sensori-motrices responsables des fonctions de l’équilibre (Lord et al., 1996).

Toutes les études montrent que ce problème est complexe à cause de la multitude et des variations des mouvements dans les moyens de transport, des pathologies qui touchent le système de l’équilibre mais aussi de la stratégie adoptée par la personne mettant en jeu toutes les articulations de la cheville, du genou et de la hanche. Cependant, malgré la complexité du phénomène, une détection précoce des facteurs de risques peut offrir des possibilités de mesure préventive et/ou de rééducation pouvant prévenir les risques de chute.

Les cliniciens utilisent une série de tests, dont les plus courants sont : le test de Tinetti et al. (1994), l’échelle d’équilibre de Berg et al. (1991), le test “Get Up and Go” (Podsiadlo and Richardson, 1991), le test simple de station unipodale (Hurvitz et al., 2000). Les tests ci-dessus doivent être menés avec précaution et complétés par des entretiens adaptés à la situation du patient car ils peuvent déséquilibrer une personne trop fragile. Ces tests évaluent le contrôle postural et la réalisation des tâches quotidiennes. Ils peuvent ainsi renseigner le clinicien sur le niveau de performance et d’autonomie du patient comparé à une population dite de référence.

Les tests cliniques décrits ci-dessus ont l’avantage d’être simples et rapides. Cependant, ils ne permettent pas d’anticiper la situation du patient s’il est placé dans un environnement dynamique, ni de quantifier la qualité de ses mouvements lors de situations imprévues. Ils ne nous renseignent pas enfin sur le système responsable de la détérioration des performances de l’équilibre. Les limites des tests cliniques poussent les chercheurs à les compléter par d’autres protocoles et instruments d’analyse. Ce travail s’inscrit donc dans une mise en place de tests expérimentaux et d’analyse biomécanique afin d’approfondir toute analyse clinique globale. L’approche proposée dans cette thèse est à la fois robotique et biomécanique. Elle permet une évaluation quantitative et qualitative de la performance posturale lors des phases de perturbations dynamiques grâce à l’utilisation d’outils de mesure adaptées. Cette analyse se base d’une part sur la conception d’une plateforme robotique mobile qui présente les avantages de la reproduction et de la programmation des mouvements et d’autre part sur la mise en place d’outils et d’algorithmes d’estimation des paramètres et variables biomécaniques.

Troubles de l’équilibre et chute 

Les troubles de l’équilibre sont une pathologie qui augmente avec l’âge (Lord et al., 1996). Ils sont causés principalement par l’atteinte des structures nerveuses et des appareils musculo-squelettiques. Ils ne constituent pas une maladie déterminée mais un groupe hétéroclite de divers états spécifiques (Thoumie and Mevellec, 2001). Ils représentent un problème de santé publique car ils touchent à la mobilité et pour une partie à l’autonomie.

En effet, une personne qui souffre de troubles de l’équilibre risque une chute lourde, notamment les personnes âgées. 36% des personnes âgées de 75 ans présentent un déséquilibre postural, 30% des plus de 65 ans chutent au moins une fois par an et 50% pour les plus de 80 ans (Blake et al., 1988; Coogler and Wolf, 1999; Faucher et al., 2000; Tinetti et al., 1988). La chute pourrait avoir pour conséquence des blessures, ce qui engendre une perte d’autonomie dans les activités de la vie courante, une source d’isolement ou de repliement sur soi. Si l’on considère à titre d’exemple les personnes âgées, les chutes sont la deuxième cause de mortalité après les accidents cardio-vasculaires. En France, on dénombre 9000 décès par an de personnes âgées de plus de 65 ans en raison d’une chute (SFDRMG-HAS, 2005). Concernant les effets dynamiques sur l’équilibre, la prise de moyens de transports urbains constitue une source de ces accidents. En effet, lors de la prise de moyens de transports, les effets sont différents car c’est pendant les phases critiques d’accélération-décélération que 50% des blessures sans collision sont recensées (Björnstig et al., 2005; Halpern et al., 2005). Des recherches comme celles de Pereira et al. (May 2001 (cité dans Robert, 2006)), Kirk et al. (2003), Björnstig et al. (2005) et Zunjic et al. (2012), montrent que la plupart des passagers blessés sont les personnes de plus de 60 ans dont les femmes âgées occupent une proportion variée entre 54% et 76%. Le projet européen Safetram a traité le problème de la sécurité passive des personnes assises et debout (Pereira, 2006). D’autres analyses de données accidentologiques des risques de blessure pour les passagers dans les transports en commun se trouvent dans Robert (2006) et O’Neill (2013). L’examen clinique est le seul moyen qui permette de chercher les causes des troubles posturaux afin d’en limiter les conséquences. Il permet aussi de préciser les facteurs intrinsèques à l’individu liés à un déficit sensoriel et/ou pathologique. En effet, plusieurs systèmes sensori-moteurs interviennent dans le système de l’équilibre : le système vestibulaire, le système de vision et la sensibilité proprioceptive (Horak, 2006; Mahboobin et al., 2008; Peterka, 2002). En raison de la multitude des pathologies liées aux systèmes impliqués dans le maintien de l’équilibre, l’évaluation des troubles de l’équilibre est un processus délicat. Elle doit permettre un diagnostic précis posé après des examens non invasifs effectués en laboratoire. Ces examens ont besoin de dispositifs spécifiques et d’indices d’évaluation pour les compléter. Les deux sous sections suivantes permettent d’en expliciter certains aspects.

Plateformes statique et dynamique 

Les plateformes de forces biomécaniques constituent un moyen simple et fiable pour évaluer l’équilibre du corps. Elles mesurent la projection du mouvement du centre de masse (CoM) dans le plan horizontal. Techniquement elles indiquent l’évolution au cours du temps du centre de pression (CoP) agissant sur les pieds. Le CoP reflète non seulement les forces de réaction du sol mais aussi les moments des forces permettant de se maintenir en équilibre (HAS, 2007). Ainsi pour analyser des troubles de l’équilibre d’une personne debout, nous pouvons l’effectuer en statique ou en dynamique.

Dans le cas statique, cela consiste à utiliser une plateforme statique (Figure 1.1a) munie de capteurs permettant de mesurer l’évolution au cours du temps de la distribution du poids et de la position du CoP (HAS, 2007; Thoumie and Mevellec, 2001; Velche-Haag et al., 2004). Pour rajouter un “petit” effet dynamique, un tapis de mousse pourrait être positionné sur la plateforme statique. La personne est positionnée debout sur le tapis mousse avec ses yeux ouverts ou fermés afin de renseigner le clinicien sur une anomalie éventuelle de la fonction de l’équilibre (Figure 1.1b).

Dans le cas d’une analyse dynamique, la plateforme est motorisée et l’analyse consistera non seulement à étudier la répartition du poids mais aussi à déséquilibrer le sujet placé sur la plateforme et à scruter ses possibilités de se maintenir en équilibre (HAS, 2007). Plusieurs plateformes dynamiques existent dans le commerce (Figure 1.2). Nous pouvons citer :

✦ Imoove : la plateforme à un degré de liberté permettant une rotation autour de l’axe vertical.
✦ Proprio (Allum et al., 2001) : la plateforme à deux degrés de liberté permettant une rotation dans le plan horizontal et une rotation dans le plan vertical antéro/postérieur (A/P).
✦ Equitest (Ford-Smith et al., 1995; Ionescu et al., 2005; Nashner et al., 1982) : cette plateforme est munie de deux degrés de liberté permettant une rotation dans le plan vertical A/P et une translation A/P.
✦ Framiral (Ionescu et al., 2006; Radvay et al., 2005) : la plateforme à trois degrés de liberté permettant deux rotations dans les plans verticaux A/P et médio/latéral (M/L) et une translation verticale.
✦ Synaps (Ghulyan and Paolino, 2005) : cette plateforme est munie d’un degré de liberté permettant une translation A/P.
✦ Isimove (Kharboutly et al., 2014) : cette plateforme est munie de quatre degrés de liberté permettant trois rotations autour des trois axes de coordonnées et une translation A/P.

Toutefois, ces plateformes créent des petites perturbations dynamiques locales et généralement en inclinaison ; elles ne sont pas adaptées à la simulation des perturbations dans les transports en commun. Une solution alternative est l’utilisation d’une plateforme mobile entièrement libre et pouvant appliquer une combinaison de la translation et de la rotation.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Contexte général de l’étude
Introduction
1.1. Troubles de l’équilibre et chute
1.1.1. Plateformes statique et dynamique
1.1.2. Indices d’évaluation de l’équilibre
1.2. Eléments de modélisation biomécanique
1.2.1. Modèle mécanique du corps humain
1.2.2. Logiciels biomécaniques
1.3. Instruments de modélisation biomécanique
1.3.1. Mesure des angles articulaires par les systèmes de MOCAP
1.3.2. Mesure des angles articulaires par capteurs portables
Conclusion
Chapitre 2. Conception de la plateforme omni-directionnelle
Introduction
2.1. Conception mécanique
2.1.1. Solution de mobilité
2.1.2. Plateau de force
2.1.3. Prototype complet
2.2. Modélisation cinématique
2.3. Modèle de commande
2.3.1. Instrumentation du module de roue
2.3.2. Architecture de commande
2.4. Evaluation de la performance
2.4.1. Suivi de trajectoire
2.4.2. Mesure d’accélération
Conclusion
Chapitre 3. Méthodes d’estimation des angles et des couples articulaires
Introduction
3.1. Estimation des angles articulaires
3.1.1. Estimation basée sur le système de MOCAP
3.1.2. Estimation basée sur LM
3.1.3. Estimation basée sur les accéléromètres
3.2. Estimation des couples articulaires
3.2.1. Estimation basée sur LM
3.2.2. Estimation basée sur les accéléromètres
Conclusion
Chapitre 4. Analyses biomécaniques
Introduction
4.1. Validation de l’algorithme APCAP
4.1.1. Validation sur bras mécanique
4.1.1.1. Expérimentation
4.1.1.2. Résultats
4.1.2. Validation sur sujet humain
4.1.2.1. Expérimentation
4.1.2.2. Résultats
4.1.3. Discussion
4.2. Validation du niveau des perturbations de la plateforme IsiSkate
4.2.1. Expérimentations
4.2.2. Comparaisons des résultats entre le métro et le laboratoire
4.2.2.1. Moyennes des angles articulaires absolus
4.2.2.2. Moyennes des vitesses, accélérations et jerks angulaires absolus
4.2.2.3. Moyennes des couples articulaires absolus
4.2.2.4. Discussion
4.3. Proposition de nouveaux indices d’équilibre
4.3.1. Expérimentation
4.3.2. Indices d’équilibre
4.3.2.1. Moyennes des angles articulaires absolus
4.3.2.2. Moyennes des vitesses, accélérations et jerks articulaires absolus
4.3.2.3. Moyennes des couples articulaires absolus
4.3.2.4. Raideurs articulaires
4.3.2.5. Pentes des droites de régression
4.3.2.6. Discussion
Conclusion
Conclusion générale

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