Détermination de l’orientation d’une unité inertielle dans un repère global

Détermination de l’orientation d’une unité inertielle dans un repère global

REVUE DE LITTÉRATURE:

Cette revue de littérature a pour but de clarifier ce qu’est la cinématique tridimensionnelle du genou, de justifier les outils et méthodes choisis dans ce projet pour la mesurer, et de présenter la méthode référence à laquelle on se compare.

 Brève présentation de l’articulation du genou:

Pour comprendre comment on mesure les mouvements au genou, il est nécessaire en premier lieu de connaître ces mouvements:c’est à dire de comprendre le fonctionnement de  l’articulation du genou.

Description:

L’articulation du genou est composée de trois articulations différentes, en une seule cavité (Marieb et Hoehn, 2007) : l’articulation fémoro-patellaire (entre la partie distale du fémur et la patella), et les articulations tibio-fémorales, respectivement entre les parties médiales, et latérales,du fémur distal (les condyles du fémur)et les surfaces tibiales (voirfigure1.1). C’est l’articulation la plus complexe du corps humain.

 Fonction:

Le principal mouvement permis par l’articulation du genou est celui de flexion-extension. Marieb et Hoehn (2007) expliquent que lorsque la jambe est pliée et que l’on commence à la tendre (mouvement d’extension), les condyles fémoraux roulent sur les surfaces tibiales. Or le condyle fémoral latéral arrête sa rotation avant le condyle médial, ce qui entraine une rotation médiale du fémur sur le tibia en fin d’extension. De légers mouvements de translation du fémur par rapport au tibia sont aussi présents.Tous ces mouvements combinés font du genou une articulation triaxiale (Marieb et Hoehn, 2007; Moore, 2013).

Comparaison des résultats obtenus avec la méthode inertielles avec ceux obtenus avec VICON TM

Méthode:

Pendant les mouvements de calibrage décrits ci-dessus,un capteur inertiel était fixé sur chacun des corps rigides du harnais KneeKGTM. Les données inertielles enregistrées pendant les deux types de mouvements ont été utilisées pour calculer l’angle de désalignement, tel que décrit en 3.2.. Nous avons cherché lequel des deux mouvements de calibration permettait de trouver par la méthode inertielle l’angle de désalignement le plus proche de celui de référence (obtenu grâce à VICONTM).

 Résultats:

En utilisant le mouvement de circumduction pour la méthode inertielle, on a trouvé un angle de désalignement entre l’unité inertielle de la cuisse et celle du mollet de 39.79◦,soit 18.67◦ de différence avec l’angle de référence.
En utilisant le mouvement d’abduction-adduction, on a trouvé un angle de 30.18◦, soit cette fois 9.06◦ de différence avec l’angle de référence.

DISCUSSION:

La discussion porte sur deux aspect : d’abord, les limites de la méthode elle-même, puis les limites constatées lors de la validation et les résultats.Ces derniers sont analysés,et des propositions pour améliorer leur précision sont faites.

Limites de la méthode;

Dans cette partie sont discutées les limites intrinsèques à la méthode,soit le fait que le recalage ne permet pas de supprimer la dérive du heading, la rigidité relative de la jambe pendant le mouvement de solidification, la définition des axes légèrement différentes de celle proposée par Grood et al. (1983), et le fait que les éventuels varus ou valgus ne sont pas pris en compte.

 Méthode de recalage de l’orientation:

Comme on a pu le voir en 4.1.2, le fait que la méthode ne permette pas de recaler le heading entraine une accumulation progressive de dérive, malgré un recalage de l’inclinaison efficace. Plus les acquisitions sont longues, plus la dérive devient grande.Mais ce n’est pas uniquement un problème de durée:la dérive vient du bruit qui reste présent sur les données des gyromètres après filtrage, et dépend de l’orientation du capteur, car les axes ne sont pas tous bruités de la même façon.
Voici un exemple : L’axe x du gyromètre a tendance a être plus bruité que les autres. Dans ce cas, lorsque l’unité inertielle est immobile et avec son axe x à l’horizontal, le bruit de celui-ci va donner l’ »impression » que l’unité tourne autour d’un axe horizontal. Comme c’est son inclinaison qui est modifiée par la dérive, la méthode va pouvoir correctement recaler l’orientation. En revanche,plus l’axe x se rapproche de la verticale,plus la dérive va se faire sentir sur le heading, et donc s’accumuler.
On comprend donc que le filtrage est primordial pour éviter que la dérive ne s’accumule trop; malheureusement, comme mentionné en 3.5, on trouve peu d’informations dans la littérature sur des filtres qui permettent de supprimer le bruit de capteurs inertiels placés sur les membres inférieurs de sujets humains.

 Méthode de solidification:

La méthode de solidification choisie par Favre et al.(2008) utilise un mouvement d’abduction adduction de la hanche, avec la jambe tendue rigide. Nous nous sommes interrogés sur le choix de ce mouvement plutôt que celui de circumduction, et les résultats présentés en 4.2.2.2 montrent qu’effectivement,le mouvement d’abduction-adduction permet d’obtenir un anglede désalignement plus proche de l’angle de référence.
Les résultats sur la variabilité de l’angle de mésalignement, calculés en utilisant le KneeKGTM et VICONTM pendant les deux types de mouvements, montrent qu’il est plus facile de maintenir la jambe tendue et rigide pendant de l’abduction-adduction. Néanmoins, même pendant ce mouvement la variabilité reste non négligeable: 2.89◦,et l’angle de désalignement moyen a 1.06◦ d’écart avec l’angle de référence.La jambe n’est donc pas absolument un segment rigide pendant ce mouvement.
De plus, il est possible que l’action musculaire importante requise pour maintenir la jambe rigide modifie un peu la position des capteurs par rapport à celle de leur position au repos ou lors d’efforts moins musculairement intenses (comme la marche). L’angle de désalignement calculé de cette manière est donc peut être légèrement faussé.
Il serait intéressant de refaire des mesures en utilisant un mécanisme qui maintienne la jambe tendue sans effort actif de la part du sujet, ou un système mécanique pour tester la la méthode dans un contexte parfaitement connu.

Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE 
1.1 Brève présentation de l’articulation du genou
1.1.1 Description
1.1.2 Fonction
1.2 Système de référence pour la mesure de la cinématique du genou
1.2.1 Définitions des systèmes d’axes : conventions de l’International Society of Biomechanics  1.2.2 Détermination des axes : méthode fonctionnelle et posturale
1.2.3 Système de mesure du mouvement du genou
1.2.3.1 Système de capture du mouvement : VICONTM
1.2.3.2 Le KneeKGTM
1.2.4 Conclusion sur la méthode de référence:fiabilité,reproductibilité et précision
1.3 Autres systèmes de mesures de la cinématique
1.3.1 Systèmes inertiels
1.3.2 Autres systèmes optométriques
1.3.3 Fluoroscopie
1.3.4 Systèmes électromagnétiques
1.4 Récapitulatif sur les systèmes de mesure de la cinématique
1.5 Outil mathématique : les quaternions
1.5.1 Quelques propriétés de base
1.5.2 Représentations de rotations
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUES ET OBJECTIFS 
2.1 Problématiques
2.1.1 Utilisation des magnétomètres
2.1.2 Différence entre positions et orientations
2.1.3 Solidification des repères de plusieurs unités
2.1.4 Calibrage
2.1.5 Calcul des angles
2.2 Objectifs
CHAPITRE 3 ADAPTATION DE LA MÉTHODE PROPOSÉE PAR FAVRE ET AL.
3.1 Détermination de l’orientation d’une unité inertielle dans un repère global
3.1.1 Calcul de l’orientation initiale dans le repère global GI
3.1.2 Calcul des orientations à chaque instant dans un repère global GI
3.1.3 Suppression de la dérive
3.1.3.1 Identification des instants de recalage
3.1.3.2 Calcul de la dérive à l’instant de recalage
3.1.3.3 Interpolation de la dérive entre deux instants de recalage
3.1.3.4 Mise à jour des orientations en supprimant la dérive
3.2 Méthode de solidification
3.3 Méthode de calibrage
3.3.1 Calcul du quaternion de passage qTibtoJ entre le repère du tibia LTib et le repère local inertiel de la jambe LIJ
3.3.2 Calcul du quaternion de passage qCtoFem entre le repère du fémur LFem et le repère local inertiel de la cuisse LIC
3.4 Calcul des angles au genou
3.4.1 Calcul à chaque instant du quaternion de rotation qRot(i) entre l’orientation du tibia et du fémur
3.4.2 Calcul des angles 3D au genou à partir des qRot
3.4.3 Comparaison avec le modèle de Grood et al. (1983)
3.5 Notes sur le filtrage des données
CHAPITRE 4 VALIDATION : MÉTHODOLOGIE ET RÉSULTATS 
4.1 Validation de l’orientation d’une unité inertielle
4.1.1 Choix des valeurs des
4.1.2 Efficacité du recalage de l’orientation
4.1.2.1 Matériel
4.1.2.2 Résultats
4.1.3 Comparaisons des orientations calculées par la méthode inertielle avec celles obtenues grâce au système VICONTM
4.1.4 Matériel
4.1.5 Résultats
4.2 Choix du mouvement de calibrage pour la solidification
4.2.1 Matériel
4.2.2 Rigidité de la jambe pendant les deux types de mouvements
4.2.2.1 Méthode
4.2.2.2 Résultats
4.2.3 Comparaison des résultats obtenus avec la méthode inertielles avec ceux obtenus avec VICONTM
4.2.3.1 Méthode
4.2.3.2 Résultats
4.3 Validation du calibrage
4.3.1 Quaternion de passage entre le repère de l’unité inertielle de la jambe, et le repère du tibia  4.3.1.1 Méthode
4.3.1.2 Résultats
4.3.2 Quaternion de passage entre le repère de l’unité inertielle de la cuisse, et le repère du fémur
4.3.2.1 Méthode
4.3.2.2 Résultats
4.4 Validation des angles au genou
4.4.1 Méthode
4.4.2 Résultats
CHAPITRE 5 DISCUSSION 
5.1 Limites de la méthode
5.1.1 Méthode de recalage de l’orientation
5.1.2 Méthode de solidification
5.1.3 Définition des axes
5.2 Discussion des résultats
5.2.1 Détermination de l’orientation d’une unité inertielle dans un repère global
5.2.1.1 Filtrage
5.2.1.2 Optimisation des
5.2.1.3 Précision des orientations
5.2.1.4 Conclusion sur le calcul d’orientation
5.2.2 Solidification
5.2.3 Calibrage
5.2.4 Angles au genou
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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