Institut des Systèmes Intelligents
et de Robotique

AXE 1 – analyse et modélisation des gestes et des mouvements humains. 

Le geste est l’aspect figural du mouvement volontaire (ou action). Ce dernier peut être vu comme une organisation temporelle et spatiale de mouvements élémentaires. Apparaissent ainsi différents niveaux dans l’action : de la fonction automatique, comme le maintien en équilibre, au mouvement de précision, très consciemment organisé, qui s’applique à déplacer un "point de travail" dans l’espace.

Notre objectif est de développer des méthodes innovantes pour décrire et suivre les variations (aide au diagnostic) dans l’exécution des mouvements volontaires. Ces études portent d’une part sur l’analyse du mouvement humain et d’autre part sur sa modélisation.

    A. Analyse du mouvement humain

Le corps humain peut être compris, en première approximation, comme un système mécanique polyarticulé. La mesure de la position, au cours du temps, des solides qui le composent permet l’analyse à différents niveaux du mouvement volontaire.

Analyse des mouvements inter-articulaires.L’articulation peut être considérée comme le lieu où se produit le mouvement relatif de deux os. Le modèle cinématique articulaire a évolué du simple modèle à un degré de liberté (en rotation) au modèle plus complexe à six degrés de liberté (trois rotations et trois translations). Le choix du modèle par l’expérimentateur est difficile et directement lié aux contraintes expérimentales et à son besoin de précision. Les trajectoires de mouvement capturées peuvent être utilisées directement et/ou permettre l’analyse fine de la motricité.

Fig. 1.  Evolution de l’axe instantané du mouvement de flexion du coude, au cours du temps

Une première approche consiste à utiliser des systèmes de capture du mouvement électromagnétiques ou optiques, le formalisme de Lagrange et un protocole international. Aussi précis que soit le système de capture de mouvements utilisé, les données cinématiques recueillies sont entachées d’erreurs, qui proviennent en grande partie des déformations des tissus entre la peau sur laquelle le marqueur est positionné et l’os. Dans la littérature, il existe des méthodes d’optimisation et de filtrage tendant à recaler les données sur des modèles rigides. En général, l’optimisation se fait directement sur les valeurs des vitesses angulaires. Nous avons proposé, au contraire, de travailler directement sur le recalage des coordonnées bruitées des marqueurs. Le résultat de l’optimisation n’est donc ni un repère ni une estimation de la vitesse angulaire mais un repositionnement des points dans l’espace ( 2009ACLI1323 ). Les axes instantanés de rotation (cf. Fig. 1) sont alors déterminés à partir des repères attachés aux segments corporels dont on cherche à analyser le mouvement relatif, sans aucune hypothèse sur la nature de l’articulation ( 2010ACTI1716 ).

Fig. 2. Analyse du mouvement de verticalisation assisté

Analyse des mouvements complexes.Nombre de mouvements quotidiens volontaires sont constitués de différentes séquences de mouvements élémentaires que nous exécutons sans en avoir conscience. Il en est ainsi pour le maintien de l’équilibre, la marche ou encore pour se lever d’une position assise (verticalisation). L’analyse de ces mouvements complexes revient à déterminer la séquence et les mouvements élémentaires qui les construisent. Cette analyse a été menée dans le cadre de l’élaboration de la commande du déambulateur robotisé pour l’assistance à la verticalisation. Dans ce cas, nous avons mis en évidence une séquence de 4 mouvements chacun déterminé par des efforts d’interaction pieds/sol et main/poignée et par la variation de la position du centre de pression, cf. Fig. 2.

Fig. 3. Analyse de l’équilibre dynamique

Le maintien de l’équilibre postural lors de perturbations est un autre mouvement complexe étudié. Le déséquilibre induit par des rotations ou translations du support sur lequel se tient un sujet debout permet de discriminer les trois entrées : visuelle, vestibulaire et proprioceptive, utilisées par le système nerveux central pour la stabilisation bipodale. L’analyse de paramètres biomécaniques expliquant l’équilibre dynamique est en cours. Cette analyse utilise la plateforme de perturbation posturale (2010BR1760 ) couplée au système actif de capture de mouvements CodaMotion (cf. Fig. 3).

    B. Modélisation du mouvement humain

L’analyse des mouvements volontaires peut conduire à l’élaboration d’un modèle. Cela a été le cas pour le mouvement de verticalisation assisté par le robot déambulateur. Dans ce cadre, l’analyse du mouvement des mains et la prise en compte d’un critère de confort, à savoir le minimum jerk, nous a permis de construire une trajectoire paramétrable des poignées. Ce modèle dépend de 5 paramètres définissant l’état morpho-pathologique de l’utilisateur. Trois des paramètres sont mesurables et deux restent difficiles à fixer. Pour trouver des valeurs acceptables de ces paramètres, un deuxième critère de confort a été introduit, associé à des méthodes d’apprentissage afin d’adapter les valeurs des paramètres au comportement de l’utilisateur ( 2010ACTI1539 ).

Fig. 4. Construction de la trajectoire de verticalisation des poignées du robot déambulateur à partir d’acquisition de mouvement des mains de patients