Conception d’une plateforme compacte d’évaluation de mobilité avec reproduction adaptée des retours haptiques

by Franck Pouvrasseau

Doctoral thesis in Robotique

Under the supervision of Eric Monacelli, Sébastien Charles and François Routhier.

Thesis committee President: Alain Hamaoui.

Thesis committee members: Eric Monacelli, Faïz Ben Amar, Guy Bourhis, Marie Babel, Philippe Archambault.

Examiners: Faïz Ben Amar, Guy Bourhis.

  • Alternative Title

    Designing a compact platform of mobility assessment with appropriate reproduction of haptic feedback


  • Abstract

    Simulators using Virtual Reality have greatly evolved in a short period of time. The vast majority of these simulators have been developed to become learning environments.Initially developed for domains such as driving and avionics, virtual reality has also found applications in medicine, and more recently, in rehabilitation. This thesis focuses on the problems of a particular type of simulator: wheelchair driving simulators.Simulators dedicated to wheelchair driving training offer complete and efficient training programs. However, we note that they all have in common that they focus almost exclusively on driving performance to evaluate the user's progress. We believe that an aspect that has not yet been addressed is the evaluation of postural behavior in a disturbance situation.Moving around in a wheelchair can lead to disturbances, for example, when crossing obstacles. These disturbances can cause the person to lose stability or to suffer physical trauma. If the disturbance is too important, it can lead to a fall of the person or a tilting of the wheelchair.For this thesis, we worked with the Virtual Armchair platform. It is a wheelchair driving simulator created at the Laboratory of Systems Engineering of Versailles (LISV, UVSQ) with EDF R&D and CEREMH. The objective of this thesis is to improve Virtual Fauteuil in order to propose to users an evaluation of their postural behavior.A first action has been done to propose a model to represent the postural behavior of a person when it undergoes a disturbance. Using the Lagrangian equations, we managed to express the movement induced by the perturbation that is felt by the person in relation to the movement of the perturbation itself. These two motions are two rotations: the rotational motion of the person's torso and the rotational motion of the Virtual Armchair motion platform. We used a Kinect camera to observe the rotation of the torso of the Virtual Armchair users.In order to validate the assumptions made for the model, we conducted two test campaigns on able-bodied people. The first set of experiments allows us to validate the hypothesis formulated for the model concerning the muscular behavior of the persons in front of a disturbance. The second series of experiments concerns the measurements obtained with the Camera Kinect on the posture of the person. This second series confirms that the predictions of the model were satisfactory. Moreover, to a larger extent, this experiment showed that for relatively small perturbations, the Kinect sensor provided accurate measurements on the person's postural behavior.These results confirm the idea that the evaluation of the postural behavior of simulator users is relevant to the wheelchair driving domain.In the long term, the idea is to propose to wheelchair users a training program for resistance to disturbances. We hope that our simulator will improve the postural behavior of wheelchair users.


  • Abstract

    Les simulateurs utilisant la Réalité Virtuelle ont grandement évolué en peu de temps. La grande majorité de ces simulateurs a été développé pour devenir des environnements d’apprentissage.Développée dans un premier temps pour des domaines comme la conduite automobile et l’avionique, la réalité virtuelle a également trouvé des applications dans la médecine, et plus tardivement, dans la réhabilitation. Cette thèse s'est penchée sur les problématiques d'un type de simulateur bien particulier : les simulateurs de conduite de fauteuils roulants.Les simulateurs dédiés à l'apprentissage de la conduite de fauteuils roulants proposent des programmes d'entraînement complets et efficaces. Cependant, nous remarquons qu’ils ont en commun de se concentrer presque exclusivement sur les performances de la conduite pour évaluer les progrès de l’utilisateur. Nous pensons qu'un aspect encore jamais abordé manquait : l'évaluation du comportement postural en situation de perturbation.Un déplacement en fauteuil roulant peut amener à subir des perturbations, comme par exemple, lors de franchissements d’obstacles. Ces perturbations peuvent créer chez la personne une perte de stabilité ou des traumatismes corporels. Si la perturbation est trop importante, cela peut entraîner une chute de la personne ou un basculement du fauteuil.Pour cette thèse, nous avons travaillé avec la plateforme Virtual Fauteuil. C’est un simulateur de conduite de fauteuils roulants créé au Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV, UVSQ) avec EDF R&D et le CEREMH. L'objectif de cette thèse est d'améliorer Virtual Fauteuil afin de pouvoir proposer aux utilisateurs une évaluation de leur comportement postural.Une premier action a été effectué pour proposer un modèle pour représentait le comportement postural d'une personne lorsqu'elle subit une perturbation. A l’aide des équations du Lagrangien, nous sommes parvenu à exprimer le mouvement induit par la perturbation qui est ressentie par la personne par rapport au mouvement même de la perturbation. Ces deux mouvements sont deux rotations : le mouvement de rotation du torse de la personne et le mouvement de rotation de la plateforme de mouvement de Virtual Fauteuil. Nous avons utilisé une caméra Kinect pour observer la rotation du torse des utilisateurs de Virtual Fauteuil.Afin de valider les hypothèses posées pour le modèle, nous avons mené deux campagnes de tests sur des personnes valides. La première série d’expériences permet de valider l’hypothèse formulée pour le modèle concernant le comportement musculaire des personnes face à une perturbation. La seconde série d'expériences concerne les mesures obtenues avec la Camera Kinect sur la posture de la personne. Cette seconde série confirme que les prédictions du modèle étaient satisfaisantes. De plus, dans une plus large mesure, cette expérience a permis de constater que pour des perturbations relativement faibles, le capteur Kinect fournissait des mesures précises sur le comportement postural des personnes.Ces résultats nous confortent dans l’idée que l’évaluation du comportement postural des utilisateurs de simulateurs est pertinent pour le domaine de la conduite de fauteuil roulant.A terme, l’idée est de proposer, aux utilisateurs de fauteuil roulant, un programme d’entraînement à la résistance aux perturbations. Nous caressons l’espoir que notre simulateur permettrait ainsi d’améliorer les comportements posturaux des utilisateurs de fauteuils roulants.


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