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15 janvier 2021

Estimation des forces de réaction au sol à partir des mesures de semelles instrumentées


Catégorie : Doctorant


Descriptif du sujet

Dans le milieu du travail ou du sport, les contraintes mécaniques subies par le travailleur ou le pratiquant peuvent conduire à des troubles fonctionnels moteurs voire des dommages corporels immédiats. Leurs évaluations sont donc un enjeu important de sécurité et de santé pour l’individu. Dans ces milieux, les évaluations sont réalisées par des préventeurs ou des cadres de santé (ergonomes, kinésithérapeutes, médecins) et se fondent encore aujourd’hui sur des évaluations visuelles notamment des grilles de cotation pour l’ergonome. Celles-ci ne tiennent pas compte des réalités biomécaniques qui ne sont pas directement accessibles par un observateur extérieur et sont donc mésestimées. Afin d’apporter une aide à la prise en charge de l’individu dans son activité, il est nécessaire de développer des outils de mesures et de modélisation appropriés qui prendront en compte ces facteurs.

Il s’agit ici d’enrichir un système de capteur logiciel embarqué existant, constitué de centrales inertielles (IMU) retraçant la cinématique segmentaire du corps entier d’un individu permettant ainsi la reconstruction d’un avatar en trois dimensions. L'évolution de cet équipement a pour objectif l’estimation des contraintes mécaniques subies par le système musculosquelettique s’exprimant au niveau des articulations du corps ; cette estimation de paramètres dynamiques se réalisera en tenant compte de données cinématiques tracées par les IMU, de caractéristiques anthropométriques et de dynamiques s’exprimant au niveau des surfaces de contact aux appuis.

Le présent projet de recherche se focalisera sur l’estimation des forces de réaction aux contacts pieds-sol, selon les trois composantes du repère corporel humain : composante antéro-postérieure (Fx) ; médio-latérale (Fy) ; verticale (Fz) et de la dynamique de leurs centres de pression au sol (CoP). La décomposition s’obtiendra à partir d’une cartographie des mesures de pression plantaire, complétée par les mesures des centrales inertielles de localisation des positions des pieds. Les cartographies seront réalisées au moyen de semelles instrumentées disposées au sein même des chaussures.

Le candidat exploitera les gradients d’image de la cartographie de pression 2D pour reconstruire un vecteur tridimensionnel (Fx, Fy, Fz). Afin d’accéder à ces informations, les méthodes de traitement mobilisées s’inscriront dans le champ de l’analyse des données et celui de l’intelligence artificielle comprenant les techniques de réduction de dimensionnalité et les méthodes par apprentissage, en mode supervisé et/ou profond. Le côté supervisé sera nourri des mesures issues des dispositifs du laboratoire (deux plateformes de force associées au système de capture cinématique des positions segmentaires VICON), ceci pour différentes tâches.

Résultats attendus

Les travaux doivent aboutir au développement de méthodes d'estimation des forces de réaction au sol à partir des mesures de la semelle instrumentées et des données IMU à la cheville. Les résultats attendus sont la livraison pour l'entrepise des algorithmes d'estimation qui doivent être rapidement portables en C sur plateforme dédiée.

Références bibilographiques

Joo, Su-Bin, Seung Eel Oh, et Joung Hwan Mun. 2016. « Improving the Ground Reaction Force Prediction Accuracy Using One-Axis Plantar Pressure: Expansion of Input Variable for Neural Network ». Journal of Biomechanics 49 (14): 3153‑61.
Rouhani, H., J. Favre, X. Crevoisier, et K. Aminian. 2010. « Ambulatory Assessment of 3D Ground Reaction Force Using Plantar Pressure Distribution ». Gait & Posture 32 (3): 311‑16.
Savelberg, H.H.C.M., et A.L.H.de Lange. 1999. « Assessment of the Horizontal, Fore-Aft Component of the Ground Reaction Force from Insole Pressure Patterns by Using Artificial Neural Networks ». Clinical Biomechanics 14 (8): 585‑92.
Sim, Taeyong, Hyunbin Kwon, Seung Eel Oh, Su-Bin Joo, Ahnryul Choi, Hyun Mu Heo, Kisun Kim, et Joung Hwan Mun. 2015. « Predicting Complete Ground Reaction Forces and Moments During Gait With Insole Plantar Pressure Information Using a Wavelet Neural Network ». Journal of Biomechanical Engineering 137 (9).

Profil recherché

Ce poste est ouvert aux candidats au doctorat qui ont un intérêt pour la biomécanique, le traitement du signal et l'électronique embarquée. Le candidat doit être titulaire d'un master avec une solide expérience dans plusieurs domaines précédemment cités mais la valence traitement du signal et des données est prépondérante.

Mots clés : Extraction de paramètres, modélisation, intelligence artificielle, apprentissage supervisé, réduction de dimensionalité, électronique embarquée, biomécanique

Laboratoire / Entreprise

Cette proposition de thèse se fera dans le cadre d’un contrat CIFRE avec un partenariat entre le laboratoire PRISME de l’université d’Orléans et la société EMKA ELECTRONIQUE . Le doctorant sera amené à travailler sur 2 sites géographiques : Orléans et Romorantin

Contacts : philippe.ravier@univ-orleans.fr; olivier.buttelli@univ-orleans.fr



Descriptif du poste

Dans le milieu du travail ou du sport, les contraintes mécaniques subies par le travailleur ou le pratiquant peuvent conduire à des troubles fonctionnels moteurs voire des dommages corporels immédiats. Leurs évaluations sont donc un enjeu important de sécurité et de santé pour l’individu. Dans ces milieux, les évaluations sont réalisées par des préventeurs ou des cadres de santé (ergonomes, kinésithérapeutes, médecins) et se fondent encore aujourd’hui sur des évaluations visuelles notamment des grilles de cotation pour l’ergonome. Celles-ci ne tiennent pas compte des réalités biomécaniques qui ne sont pas directement accessibles par un observateur extérieur et sont donc mésestimées. Afin d’apporter une aide à la prise en charge de l’individu dans son activité, il est nécessaire de développer des outils de mesures et de modélisation appropriés qui prendront en compte ces facteurs.

Il s’agit ici d’enrichir un système de capteur logiciel embarqué existant, constitué de centrales inertielles (IMU) retraçant la cinématique segmentaire du corps entier d’un individu permettant ainsi la reconstruction d’un avatar en trois dimensions. L'évolution de cet équipement a pour objectif l’estimation des contraintes mécaniques subies par le système musculosquelettique s’exprimant au niveau des articulations du corps ; cette estimation de paramètres dynamiques se réalisera en tenant compte de données cinématiques tracées par les IMU, de caractéristiques anthropométriques et de dynamiques s’exprimant au niveau des surfaces de contact aux appuis.

Le présent projet de recherche se focalisera sur l’estimation des forces de réaction aux contacts pieds-sol, selon les trois composantes du repère corporel humain : composante antéro-postérieure (Fx) ; médio-latérale (Fy) ; verticale (Fz) et de la dynamique de leurs centres de pression au sol (CoP). La décomposition s’obtiendra à partir d’une cartographie des mesures de pression plantaire, complétée par les mesures des centrales inertielles de localisation des positions des pieds. Les cartographies seront réalisées au moyen de semelles instrumentées disposées au sein même des chaussures.

Le candidat exploitera les gradients d’image de la cartographie de pression 2D pour reconstruire un vecteur tridimensionnel (Fx, Fy, Fz). Afin d’accéder à ces informations, les méthodes de traitement mobilisées s’inscriront dans le champ de l’analyse des données et celui de l’intelligence artificielle comprenant les techniques de réduction de dimensionnalité et les méthodes par apprentissage, en mode supervisé et/ou profond. Le côté supervisé sera nourri des mesures issues des dispositifs du laboratoire (deux plateformes de force associées au système de capture cinématique des positions segmentaires VICON), ceci pour différentes tâches.

 

Résultats attendus

Les travaux doivent aboutir au développement de méthodes d'estimation des forces de réaction au sol à partir des mesures de la semelle instrumentées et des données IMU à la cheville. Les résultats attendus sont la livraison pour l'entrepise des algorithmes d'estimation qui doivent être rapidement portables en C sur plateforme dédiée.

Références bibilographiques

Joo, Su-Bin, Seung Eel Oh, et Joung Hwan Mun. 2016. « Improving the Ground Reaction Force Prediction Accuracy Using One-Axis Plantar Pressure: Expansion of Input Variable for Neural Network ». Journal of Biomechanics 49 (14): 3153‑61.
Rouhani, H., J. Favre, X. Crevoisier, et K. Aminian. 2010. « Ambulatory Assessment of 3D Ground Reaction Force Using Plantar Pressure Distribution ». Gait & Posture 32 (3): 311‑16.
Savelberg, H.H.C.M., et A.L.H.de Lange. 1999. « Assessment of the Horizontal, Fore-Aft Component of the Ground Reaction Force from Insole Pressure Patterns by Using Artificial Neural Networks ». Clinical Biomechanics 14 (8): 585‑92.
Sim, Taeyong, Hyunbin Kwon, Seung Eel Oh, Su-Bin Joo, Ahnryul Choi, Hyun Mu Heo, Kisun Kim, et Joung Hwan Mun. 2015. « Predicting Complete Ground Reaction Forces and Moments During Gait With Insole Plantar Pressure Information Using a Wavelet Neural Network ». Journal of Biomechanical Engineering 137 (9).

Profil recherché

Ce poste est ouvert aux candidats au doctorat qui ont un intérêt pour la biomécanique, le traitement du signal et l'électronique embarquée. Le candidat doit être titulaire d'un master avec une solide expérience dans plusieurs domaines précédemment cités mais la valence traitement du signal et des données est prépondérante.

Mots clés : Extraction de paramètres, modélisation, intelligence artificielle, apprentissage supervisé, réduction de dimensionalité, électronique embarquée, biomécanique

Entreprise

Cette proposition de thèse se fera dans le cadre d’un contrat CIFRE avec un partenariat entre le laboratoire PRISME de l’université d’Orléans et la société EMKA ELECTRONIQUE . Le doctorant sera amené à travailler sur 2 sites géographiques : Orléans et Romorantin.

Le Laboratoire pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes (PRISME), équipe d'accueil (EA4229) de l'université d'Orléans est composé de 114 enseignants chercheurs. Il traite des sciences pour l'ingénieur et des technologies de l'information. Plus spécifiquement le département Image, Robotique, Automatique, Signal (IRAuS) interviendra dans le projet afin de déployer son expertise dans le domaine des technologies pour la santé.

Le groupe EMKA ELECTRONIQUE comprend 3 établissements secondaires, SOREC (41), FAPRONIC (49) et EMKAMed (Tunisie). CA 2018 de 17 M€ et effectifs totaux 190 personnes dont 10 en R&D. EMKA ELECTRONIQUE est une des principales PME françaises de conception et fabrication de produits électroniques sur cahier des charges clients (ODM = Original Design Manufacturer). EMKA ELECTRONIQUE est plus particulièrement orientée vers les applications médicales qui représentent 20 % de son CA annuel et possède la certification ISO13485 ainsi que l’homologation UL. EMKA et l’université d’Orléans sont partenaires depuis plus de 20 ans à travers notamment 5 projets FUI (CAPTHOM, RWU, CORTECS, E-MONITOR’AGE et COCAPS), et membres fondateurs du pôle de compétitivité S2E2.

Autres collaborations

Le travail s'effectuera dans le cadre du projet TEEMPO (Technologie pour l’Evaluation EMbarquée de la Pénibilité et de la mOtricité) qui vise à développer un système d’expertise pour l’évaluation et la classification de la pénibilité du travailleur relative aux contraintes biomécaniques qu’il subit. Le doctorant sera amené à travailler conjointement sur la mise en place d'un protocole de mesures et l'acquisition des données correspondantes, avec un autre doctorant CIFRE du projet. Une entreprise spécialisée en ergonomie est également partie intégrante de TEEMPO.

Dans cette rubrique

(c) GdR 720 ISIS - CNRS - 2011-2020.