Researchers use MapleSim to develop musculoskeletal arm and robot models for rehabilitation - Maplesoft

Etude de cas d’utilisateur :
Des chercheurs utilisent MapleSim pour développer des modéles de bras et des robots musculo-squelettiques pour de la rééducation

D&ecute;fi
L’Université de Waterloo, en partenariat avec l’Institut de Réadaptation de Toronto et Quanser Inc., avait besoin d’un outil pour mieux modéliser l’interaction d’un bras humain avec un robot de réadaptation.

Solution
En raison de la complexité de simulation des mouvements humains, l’équipe a choisi MapleSim afin de développer des régulateurs d’impédance pour modéliser les différents niveaux de mouvement du bras, du mouvement sans entrave d’une personne en bonne santé au mouvement plus limité d’un patient victime d’un AVC.

Résultat
La technologie de calcul symbolique et les possibilités de génération de code optimisé de MapleSim ont fourni un modèle plus précis qu’avec d’autres outils. L’équipe utilise actuellement MapleSim pour développer une conception plus avancée, intégrant l’enveloppe musculaire dans le modèle du bras, pour améliorer au bout du compte le processus de réadaptation des patients victimes d’un AVC.


Fréquents chez les patients victimes d’un AVC, les troubles moteurs des membres supérieurs nécessitent des procédures de rééducation efficaces. Des robots de rééducation sont aujourd’hui utilisés à des fins cliniques mais, en raison des propositions qui arrivent en matière d’apprentissage moteur, il reste encore beaucoup à faire pour améliorer la conception et les algorithmes de contrôle de ces robots. On a par exemple négligé certains aspects de la conception et du développement des appareils de rééducation, comme la modélisation de l’interaction humaine avec le robot.

L’apparition d’un nouveau domaine de recherche est celui de l’utilisation de modèles musculo-squelettiques pour tudier les mouvements humains, ce qui en fait l’outil idéal pour une interaction avec les appareils de réhabilitation dans les simulations. Dans ce projet, des chercheurs de l’Université de Waterloo, Borna Ghannadi et le Dr John McPhee, ont utilisé MapleSim de Maplesoft pour élaborer un modèle musculo-squelettique de bras humain fournissant la gestuelle d’une personne à un robot de rééducation des membres supérieurs, avec pour finalité de développer à son attention des organes de commande à base de modéles. Le robot commandé est testé en partenariat avec l’Institut de Rééducation de Toronto (TRI - Toronto Rehabilitation Institute) et Quanser Inc.


Le modèle 2D initial simplifié de bras musculo-squelettique

Après évaluation des outils de différents fournisseurs, l’équipe a sélectionné MapleSim pour ses travaux de développement de modéles. Commentaires du Dr McPhee à propos de ce choix : « En prenant en compte les temps de simulation et la qualité des résultats, MapleSim, en raison de sa technique de calcul symbolique et aussi de sa génération de code optimisée, a donné de meilleurs résultats que les autres plates-formes logicielles. C’est la raison pour laquelle nous avons retenu MapleSim pour l’ensemble du projet ».

L’équipe a ensuite développé un contrôleur d’impédance à réglage automatique et admittance variable, représentant les niveaux variables de troubles moteurs affectant les patients en rééducation. Le contrôleur a été simulé en cours d’exécution du modèle 2D, dans 4 modes différents. Les deux premiers modes simulant un bras sain, ont servi à étalonner et ajuster le contrôleur ; et les deux suivants, simulant un bras de patient victime d’un AVC, à en évaluer les performances.


Modes de simulation utilisés pour calibrer et évaluer le modèle 2D



Les niveaux d’erreur de position des mains et d’activation musculaire ont été mesurés et comparés lors de simulations selon différents modes de fonctionnement. Les résultats se sont avérés positifs et conformes aux attentes, démontrant ainsi qu’il est possible d’utiliser des modèles de bras musculo-squelettiques afin d’évaluer le robot planaire.


Mesure des niveaux d’activation musculaire lors de la simulation



Au cours de la prochaine étape du projet, l’équipe développera un modàle 3D avancé de bras musculo-squelettique à enveloppe musculaire intégrée. Les modèles musculo-squelettiques devenant plus détaillés et plus réalistes, les ingénieurs sont à même de renforcer la conception des algorithmes de contrôle des robots de rééducation des membres supérieurs, ce qui au bout du compte améliore le processus de rééducation des patients victimes d’un AVC.

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