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UGA
Système d’Information, conception RobustE des Produits
Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
Système d’Information, conception RobustE des Produits

Soutenance de thèse de Jingtao CHEN Lundi 30 Janvier 2017 à 14h au Gipsa-lab - salle Mont Blanc - 11 Rue des Mathématiques, 38400 Saint Martin d'Hères

Publié le 19 janvier 2017
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Soutenance 30 janvier 2017

Intitulé : " Biomechanical analysis of haptic interaction. Application "

Membres du jury :
 
  • M. Georges DUMONT Professeur, Ecole normale supérieure de Rennes, Rapporteur
  • M. François MOUTET Professeur, Centre Hospitalier Universitaire Grenoble Alpes, Invité
  • M. Pierre PORTERO Professeur, Université Paris – Est Créteil, Rapporteur
  • M. Marc SARTOR Professeur, INSA Toulouse, Examinateur
  • M. Michel TOLLENAERE Professeur, Grenoble INP, Examinateur
  • M. Peter MITROUCHEV Professeur, UGA , Directeur de thèse

Résumé  :

Aujourd’hui la réalité virtuelle (RV) est de plus en plus intégrée dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne et, par conséquent, elle influence certaines pratiques comme : le comportement humain, les méthodes de communication, la cognition… entre autres. Dans ce contexte, notre recherche a visé à mieux comprendre comment la réalité virtuelle (RV) influence le comportement humain en utilisant les méthodes d'analyse de la biomécanique et son utilisation dans la réhabilitation du Syndrome douloureux régional complexe (SDRC) en particulier. Premièrement les niveaux de fatigue musculaire associés à différentes tâches de désassemblage en utilisant un dispositif haptique dans un environnement RV ont été évalués. A cet effet, un nouveau modèle analytique pour la dépense d'énergie mécanique est proposé où le travail mécanique requis est utilisé comme paramètre principal. Ensuite, la méthode proposée a été validée par l'analyse des signaux EMG (électromyographie) enregistrés sur le bras de l’opérateur lors d’un exercice réalisé dans l’environnement de RV. En second lieu, nous nous sommes concentrés sur la compréhension de l'effet d’un retour pseudo-haptique sur le comportement humain. La tâche consistait à discriminer la raideur d’un ressort simulé par rapport à un ressort réel. A cet effet des expériences ont été effectuées sur un banc d'essai spécialement conçu. La force de compression, certains paramètres cinématiques du test et les signaux EMG, enregistrés sur les muscles impliqués des bras des sujets ont été analysés et comparés. Il a été constaté que les changements des forces de pression sur les ressorts réels et le ressort virtuel ont un comportement similaire tandis que la co-activation musculaire induite par le comportement du ressort virtuel est la même que dans le cas du test de ressort réel correspondant (tâche dynamique), en dépit du fait que les doigts des sujets étaient immobiles en appuyant sur le ressort virtuel. La douleur et la mal-adaptation musculaire associées à une posture anormale constituent des obstacles importants pour les patients souffrant de CRPS dans leur thérapie physique et leur vie quotidienne. Ainsi, afin de surmonter certains inconvénients de la thérapie physique traditionnelle, une application basée sur le Leap Motion et Unity3D a été développée permettant de manipuler la relation entre le mouvement de l'utilisateur et le mouvement virtuel rendu de l’avatar. L’application a été validée par une étude pilote menée au Centre Hospitalier Universitaire (CHU) de Grenoble (Service chirurgie de la main). Au cours des expériences, le mouvement de la main de l’avatar est rendu identique, amplifié ou réduit par rapport au mouvement réel de l’utilisateur. Les commentaires des utilisateurs, après chaque expérience, ont permis de conclure positivement sur la possibilité d’utiliser l'application dans le processus de réhabilitation.


Abstract  :

Nowadays, Virtual reality (VR) is being more and more integrated into many fields of our daily life thus influencing some practices such as: human behavior, communication methods, cognition… amongst others. In this context, our research aimed to better understand how VR is influencing on human behavior with using biomechanical analysis methods and its application for Complex Regional Pain Syndrome (CRPS) rehabilitation in particular. Firstly, the muscle fatigue levels associated with different disassembly task simulations by using haptic device in VR environment are evaluated. For this purpose, a new analytical model for mechanical energy expenditure is proposed where the required mechanical work is used as main parameter. After then, the proposed method is validated by analyzing the recorded electromyography (EMG) signals on operator’ arm performed in a VR environment. Secondly, we focus to understand the effect of pseudo-haptic on human behavior. The task consisted in discriminating the stiffness between a real and a virtual spring. For this purpose, series of experiments were performed on the specially designed test bench. The pressing force, some kinematic parameters of the test and the EMG signals recorded from the involved muscles of subjects’ arms were analyzed and compared. It was found that pressing forces on both real and virtual springs have similar behavior and the muscle co-activation induced by pseudo-haptic spring behavior is as in dynamic task, even though subjects’ fingers were static while pressing on the virtual spring. Pain and muscular maladaptation, due to the abnormal posture of affected limbs, are big obstacles for CRPS patients in their physical therapy and daily lives. Thus, in order to overcome some drawbacks of the traditional physical therapy, an application based on Leap Motion and Unity3D was developed allowing to manipulate the relationship between the user’s physical hand motion and the rendered avatar virtual motion. The application was validated by a pilot study performed at University Hospital Center (CHU) Grenoble in the Service of Hand surgery. During the experiments the rendered avatar hand motion is shown identical, amplified or reduced compared to the users’ real hand motion. Users’ feedback, after each experience, allowed to positively conclude for the possibility to use the application in rehabilitation process.

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Rédigé par Fadila Messaoud-Djebara

mise à jour le 19 janvier 2017

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