Projet de Semestre Environnement virtuel de modélisation
Contents
1. comme d j mentionn dans la section la valeur contenue dans la structure Feedback qui est utilis pour lire les couples ne tient pas compte des couples ajout par l utilisateur Il a donc fallu tenir compte de ce param tre pour choisir l emplacement auquel la mesure est effectu autrement dit sur quel corps Oscillations lors des premi res mesures le valeurs lues oscillaient fortement Apr s avoir pass un moment cherch dans les param tre d lasticit des corps du l id e que la jambe rebondissait probablement sur la fixation J ai constat que la fixation oscillait La figure 6 2 a pr sente le problem et la figure 6 2 b montre la solution trouv e En effet m me avec un pas de temps tr s petit la fixation plate oscille Ce problem est donc r solu en changeant simplement la forme de la fixation Le probleme de masse cach e pour simplifier les calculs de lecture de couple sur l orth se il est agr able de mod liser la fixation comme le bras de l orth se avec une masse nulle Webots permet de 1Ce probl me semble d la fagon dont est mod lis un contacte plat dans la librairie physique Le nombre de points de contacte et limit et le calcul de la r action parait inappropri Ce ph nom ne peut se produire pour tous les contactes plats par exemple avec un cube pos le sol simul avec un timestep un peut trop grand se met osciller de la m me mani re 32 CHAPITRE 6 SIMULAT2. un patient un autre La figure 6 8 montre l approximation faite de l influence de la position sur la r action du muscle On remarque sur 6 8 b que en dehors des bornes de l exp rience r elle 20 120 le polyn me peut prendre des valeurs absurde d un point de vue r el Ce d ailleur ce qui fait que l on observe une g n ration de couples n gatif dans le cas o la jambe se trouve moins de 20 CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU couple mesur Nm couple mesur couple a vide couple vide couple mesur 35mA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 angle FIG 6 6 couples superpos s 100 38 CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 39 6 4 5 Comparaison entre couple mesur et couple th orique g n r La figure 6 9 montre que l on mesure la valeur pr vue par le mod le Un petit d calage de 3 8 semble tre pr sent ici aussi du probablement la l g re diff rence entre les deux axes de rotation pr sent e dans la section 6 4 1 6 4 6 Analyse Le couples part fortement dans le n gatif quand l angle passe en dessous de 20 ceci est du au fait que le polyn me qui approche le facteur d att nuation du couple passe en n gatif Ceci devrait tre corrig Mis part le petit probl me mentionn ci dessus on remarque que les mesures sont en parfait accord le mod le impl ment On peut donc tre satisfait du comportement de Webots 6 4 7 Remarque
3. Le temps n a malheureusement pas permit d aller plus loin dans les simulations comme dans le rapport Ce qui est regrettable car les r sultats sont prometteurs mais manquent d finitivement de comparaisons et d analyse CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 40 a R action du muscle par rapport l intensit lectrique Angle influence nomrmalized b Influence de la position angle normalis e Angle influence c Moment passif g n r par le muscle et autres forces bio m chaniques FIG 6 7 R sultats d exp rience pour patient r el CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 41 15 1 D 6 05 5 a a s 0 m o a 3 05 E 8 o 5 4 o 1 5 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Angle a de 0a 90 4 g D lt o e 2 2 8 5 2 0 o o 1 2 20 40 6D 80 100 120 140 160 180 Angle b de O 180 FIG 6 8 Polyn me approchant l influence de la position figure 6 7 b CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 40 20 Couple g n r 35mA Nm couple g n r th orqiue couple g n r par webots 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Angle FIG 6 9 Supperposition du couple th orique g n r et du couple mesur sur l orth se 42 Chapitre 7 A m liorations et Travail futur Ce projet d investigation aux capacit s de VVebots simuler un humanoide et une orth se de g
4. cr er dans le plugin physique de VVebots un joint fixe entre le robot et le monde qui bloque sa position comme si ce dernier tait physiquement suspendu 4 3 Conditions de mesure Du fait qu il est extremement difficile de faire marcher un robot humanoide de maniere stable et que ce n est pas le but de ce travail les mesures ont t effectu es sur un mod le fix dans les airs Les forces provenants des r actions avec le sols ne sont donc pas pr sente bien que ces derni res changent radicalement la forme et l amplitude des couples qui seraient mesur s Par chance le mod le Matlab qui calcule les couples th oriques auxquels nous avons compar s les r sultats est facilement parametrable pour ne pas tenir compte des ces interactions Les r sultats pr sent s ci dessous semblent donc indiquer une tr s bonne correspondance entre les valeurs mesur es dans la simulation VVebots et celles obtenues th oriquement par Matlab Cependant de part la simplification faite ils ne sont en aucun cas les m mes que les couples r els exerc s lors de la marche 4 4 R sultats La figure 4 1 pr sente les r sultats des mesures superpos s aux valeurs g n r es par le mod le Matlab Il y a deux constations principales 1 La forme des courbes est tout a fait quivalente Ce qui montre que VVebots simule de fa on fid le les differentes interactions entre les differents segments en mouvement 2 L amplitude des courbe pr sente des diff
5. du robot Le but de ce chapitre est de pr senter le travail accompli pour mod liser l humanoide l aide du logiciel VVebots au niveau graphique Dans cette partie du projet on ne cherche pas encore un mod le dont le comportement physique est exacte mais plut t une repr sentation graphique qui permette de visualiser les mouvements d crits par les differentes parties inferieures du corps durant la marche Ce chapitre pr sente d abord bri vement la fa on dont un mod le est cr Les donn es biologiques utilis es sont ensuite d taill es ainsi que les diverses hypoth ses et simplifications du mod le La fa on dont sont g n r s les mouvements ainsi que la mani re dont ils sont valid s sont ensuite expliqu s Le mod le r sultant ainsi que son interface graphique sont ensuite comment s 3 1 Mod lisation 3 1 1 Convention pour le sens des axes La figure 3 1 pr sente la mani re dont sont pos s les axes x y et z pour le reste des discussions au sujet de ce projet C est la convention propos e par The Standardization and Terminology Committee STC of the International Society of Biomechanics ISB SotISoBI02 et accessoirement aussi par Webots 3 1 2 Mani re de Mod liser Pour ce projet l humanoide est donc mod lis par un robot dont les caract ristiques physique des segments sont fournies par des mesures biologiques Dans cette premi re partie de projet les articulations sont contr l es par des servomote
6. le Une interpolation lin aire du 1 ordre donn e par l quation Fig 5 4 est r alis e pour approcher au mieux la valeur de la r action du muscle la stimulation d apr s la formule de Taylor Young au premier ordre Cette formule est videmment adapt e pour les caculs aux extr mit s c d quand on ne connais pas de IT ou I Dans ce cas on retourne la valeur la plus proche connue car la courbe de r action au courant est plate dans les cas extr mes CHAPITRE 5 COMMANDE DES ARTICUALTIONS EN COUPLE 31 Stimulation Electrique Angle D rivee Angle I Influence de la Vitesse F I FIG 5 2 diagramme du mod le de muscle de P M trailler avec l ajout possible de l influence de la vitesse M a0 b0 cO d M interpolation du moment cr MomentMusculaire M x M Avec M facteur d att nuation du la contraction longation du muscle M couple g n r par la r action du muscle l lectro stimulation F G 5 3 Equation du moment musculaire Mt M M M 1 12 y7 Avec M I couple g n r par la stimualtion I 17 Intensit sup rieur connue la plus proche de I Intensit inf rieur connue la plus proche de I MT couple g n r par la simulation du muscle avec 7 M couple g n r par la simulation du muscle avec T FIG 5 4 Interpolation lin aire Chapitre 6 Simulation avec l orthese du genou 6 1 Cr ation de l orthese L
7. occupe pas de l exactitude physique ou de l aspect du mod le Dans le cadre de ce travail elles ont t r alis es de mani re relativement parall le puisque la physique a t test e avant d ajouter la texture et ajust e plusieurs reprises par la suite 3 1 3 Donn es Biologiques et Hypoth ses Comme mentionn plus haut dans cette partie on recherche un mod le le plus exact possible du point de vue des mouvements et des divers aspects visuels Les grandeurs physiques ne sont par contre pas prioritaires Ce mod le comporte un certain nombre d hypoth ses dont les principales sont list es ci dessous La source principale des donn es biologique est le livre BIOMECHANISCS AND MOTOR CONTROL OF HUMAN MOVEMENT de David A Winter Win90 1 2 Le squelette du robot est cr e selon la figure 3 3 Les tailles des differents segments proviennent du livre Win90 elles sont calcul es pour un humain mesurant 175 centim tres Le calcul se base sur les donnees de la figure 3 3 Les masses des diff rents s gments sont pr sent s dans la table 11 3 Ces donn es ont t calcul es partir de la m me source que celles du points pr cedent Les trajectoires permettant de g n rer le mouvement de marche proviennent du modele Matlab du LSRO sous forme de s ries de fourrier et sont pr sent es dans la section suivante voir 3 2 La position des jambes a t rapproch e pour concorder avec l aspect graphique fourn
8. quat par la boucle principale de Webots pour pouvoir tre lues dans le plugin physique Ceci est le cas de la fonction dBodyGetTorque dBodyID et probablement de la fonction parall le dBodyGetForce dBodyID Lors des mesures suivantes la structure Feedback qui contient les couples et forces appliqu s aux deux corps attach un joint a t utilis e et a finalement permi d obtenir les valeurs d sir es Dans la derni re version de Webots 5 12 actuellement un bug dans l appel du contr leur a pour effet que ce dernier est appel une fois sur deux dans le cas d ex cution avec un pas de temps petit de l ordre d une miliseconde Ce ph nom ne induit de gros problemes lorsque l on s int resse la valeur des couples On remarque que du point de vue de la physique la position d sir e ne change qu une fois sur deux ceci implique qu un grand couple doit tre appliqu pour atteindre la position au pas de temps suivant puis on doit fournir en grand couple dans le sens oppos pour permettre de garder l articulation cette position pour le prochain pas de temps Au prochain pas de temps la position sera mise jour et donc on devra nouveau appliquer un couple dans l autre sens pour atteindre cette position et ainsi de suite Ceci implique de tres grosses oscillations au niveau des couples mesur s et donc pratiquement des mesures fausses et inutilisables Pour cette raison ce travail a t r alis en utilisant la version
9. sorjgurered TIT dvb V9OLEO 8801 VIT9 6699 691 9078 GL0 0 YACV 0 VI9 ommo COET O 866 L OT GG LT 116070 1866 0 TTT ELST LE GG nou93 9620 9685 0 18611 1818 622200 0 136607 8911 GG 88 7I 979 auoueyz 6089 0 GLIVO 6VPLO TOFT O 9v0 T 8819 0 8T6 T ESE T GIL T T6TTO 97880 2989 0 66V 8 8880 0 9GL T 2625 0 1261 GEGEN 0 oY9ue yx G610 0 662010 GOGLO O 07 8396600707 226 00 0 2916070 82 90 0 20701 urssegz SGLLO 80607 80870 GETT qG060 0 SAT 0 6071 0 6797 8LT 0 ulsseq 4 6696000 910 608100 69F 16020 0 EST T E8SI0 0 4606 100900 0 ursseqx vq 84 q Tq vo p GD Ip 09 rpu ddvy IT o171deu9 48 49 CHAPITRE 11 APPENDICE Sy sauomsos s sseur ETT AVL 0209 SPO GT Te 86996 9901 GL GL8VE GL80 T GL 180 0 900 0 91070 9600 6660 GAO TO 9970 0 SYTO O I 9997 ureur seIq JuRAL serq uon sogouey ssm erq poid aqe303 osseux
10. 4 vJ ERC TOPS Gam conc o voue eue Pe e FIG 2 1 Interface Webots 2 3 La notion de plugin physique Un plugin physique est tout comme un contr leur un fichier ex cutable Il permet l acc s direct au moteur physique ODE C est de cette mani re que l on peut ajouter des forces s exercant directement sur les objet du monde ou les lire Un plugin physique est moins facile a utiliser qu un contr leur mais beaucoup plus complet 2 4 Interface VVebots La figure 2 1 montre interface de base du logiciel Webots Elle poss de trois fenetres principales La fenetre 4 tant un simple log des messages g n r s par les differents contr leurs et le plugin physique 1 La fen tre de visualisation de la simulation Elle permet de visualiser ce qui se passe durant les phases de mod lisation et de simulation C est depuis cette fen tre qu on peut ouvrir ou enregistrer les fichiers monde 1 Elle permet aussi de contr ler l ex cution de la simulation relancer la simulation avancer avancer d un pas de temps arr ter et avancer en mode acc l r 2 lfichiers avec Pextension wbt 2mode sans affichage visuel qui permet de simuler plus rapidement CHAPITRE 2 INTRODUCTION VVEBOTS 12 2 La fen tre de mod lisation C est dans cette derni re qu on peut modifier le mod le le fichier monde On peut donc modifier ici les tailles les param tres physiques des differents segments les forces que peuvent
11. Les centres de gravit des jambes sont calcul s partir de Win90 9 Les segments sont repr sent s physiquement par des cylindres dont la section ne provient d aucun 10 mod le Elle est adapt e pour correspondre l enrobage VRML fourni Le d phasage en de l articulation des hanches avec la cuisse du tre adapt En effet le mod le matlab fourni ne semble pas tenir compte des d phasages induits par les articulations sup rieures On peut constater en utilisant les quation de mouvement d origine du mod le Matlab que par l inclinaison du bassin a pour effet de d caler les jambes vers l arri re Ceci a t corrig en compensant cette inclinaison au niveau de l articulation de la hanche pour replacer les jambes droites CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS VVEBOTS 0 055H Foot breadth 0 152H Foot length Fic 3 3 Tailles des segments Win90 3 2 Mouvements 3 2 1 Generation des trajectoires 18 Afin d obtenir un mouvement de marche on mod lise les articulations du robots par des servomoteurs que l on commande l aide de trajectoires tir es d un mod le Matlab d velopp par le LSRO Les trajectoires sont donn es par des s ries de fourrier du 4 me ordre donnant l angle de l articulation en fonction du temps voir Fig 3 4 Les param tres relatifs chaque articulations sont donn es dans la table 11 en annexe O a x cos w t by sin w xt dz
12. Z PEM 20 2 r s epzi Je uonisod ua s onern nde s l 2 aO vo h 20 6 9 on Z0 ZLIWon skep gy 902 uonesil po 9 op anbeyo 20 01 y ONL Z0 Y ML sAep 9 uo s SJUSLUSANOLU sap SOUSPIAS S N G Z0 y ONL 20 82 PaM S epg suogelnome s l uonisod 19 94 u09 v 20 2Z enL 10 02 6 s epg urewny uone io 20 V r uns J0 EL ent s epgi sjoqam 1819150 np urew US sHd 4 20 0V y ONL Loerie en s ep zz 0 uonesilensiA L e joo or zzloz I 9 lec zcz SI l 811 SC SL T 20 Mr 20 unrT 20 Aew 20 1dy 20 18 ysiul4 HEJS uojeing awen YSEL al RUISTIO Suruuejd 21 Chapitre 2 Introduction a VVebots Ce chapitre est destin donner une id e du fonctionnement de VVebots au lecteur ne connaissant pas du tout ce logiciel Il tente de pr senter bri vement les bases de son interface et de son fonctionnement VVebots est un logiciel destin la simulation de robots en trois dimensions Il est d velopp par la societe Cyberbotics en collaboration avec PEPFL Le language de VVebots est bas sur un sous groupe du langage de sp cification 3D VRML97 Il est con u pour simuler fid lement des robots existants ou inexistants ainsi que le monde qui les entoure Il permet de cr er simplement et rapidement des prototypes puis de simuler leur comportement Le portage d un contr leur du simulateur a
13. cas ils sont r gl s de mani re assez large 1 Le param tre P est le param tre le plus critique et le plus complexe d terminer La figure 3 6 a montre comment le postion volue avec la valeur P par d faut de Webots On constate que le servo n arrive pas suivre sa trajectoire La valeur par d faut tant petite due au fait que g n ralement les mod les Webots sont cr s pour des robots dont les tailles et masses sont g n ralement plus petites que celle de notre humano de La figure 3 6 b montre le suivi du servo de la hanche dans le un cas o P a t r gl une valeur trop grande On remarque alors que la trajectoire et suivi mais que le servo ne se stabilise pas la la bonne position 3 3 Interface graphique Cette section pr sente le mod le humano de accompagn de son interface graphique 3 Sur la vid o jointe ce rapport on peut voir 3 3 1 R sultat Visuel La figure 3 7 pr sente l interface graphique permettant de contr ler les articulations et ainsi de mettre en vidence les divers mouvements Les sliders repr sentent l amplitude des trajectoires aux diff rentes articulations 3 3 2 Adaptation dynamiques des amplitudes L amplitude des mouvements au niveau de la hanche autour des axes x et y ne sont pas modifiables directement depuis l interface graphique Ceci pour trois raisons 1 On essaie de garder l interface la plus simple possible pour l utilisateur lune valeur de 1 pou
14. e 28 Chapitre 5 Commande des articualtions en couple Il s agissait ici de controler les articulations en couple pour mod liser l influence d un muscle lectro stimul Un premier test a t effectu l aide d un contr leur de type PID extremement simplifi Un mod le de muscle lectro stimul a ensuite t impl ment L orth se du genou a ensuite t mod lis La partie r sultats pr sente la phase de validation qui cherche d montrer que le modele r alis sous Webots est conforme la r alit et simule de mani re repr sentative les interactions entre l humanoide avec son mod le de muscle lectro stimul et l orth se du genou 5 1 PID 5 1 1 D finition Un PID Proportional Integral Derivative contr leur est un moyen de commander une articulation en force ou couple par rapport une position d sir e La r ponse en force ou couple sur les corps rattach s au moteur est command e par l erreur e entre la position d sir e et la position actuelle Il est compos de trois parties 1 La partie proportionnelle calcule une contribution par rapport l erreur actuelle 2 La partie int grale g n re une contribution par rapport au pass r cent de l erreur 3 La partie d riv e fournit une contribution par rapport la vitesse de l volution de l erreur L quation 5 1 donne la facon dont est g n ralement calcul e la r action en couple ou force d une articulation a
15. effectuer des simulations de stimulation musculaire Sur une orth se du genou puis sur le MotionMaker Travail demand Visualisation 30 e Cr er un tre humain virtuel sous Webots Les longueurs de segments ainsi que leurs masses seront calqu es sur un homme 4 standard Les aspects visuels seront import s depuis ProEngineer mod le humain d ja d velopp Contr ler en position les articulations de la hanche du genou et de la cheville Un g n rateur de marche d velopp sous Matlab contient toutes les informations n cessaires coefficients de Fourier e Mettre en vidence les mouvements selon chaque degr de libert au moyen de sliders par exemple Modelisation 7029 e Commander les articulations en position et mesurer les couples n cessaires au mouvement ceci afin de valider notre modele d velopp dans Matlab e Int grer un mod le du muscle au niveau de l articulation En clair il s agira de commander les articulations en couple Ce dernier d pendra de l intensit de la stimulation lectrique et de la position Le modele d velopp par P M trailler sera utilis Prevoir la possibilit d inclure des parametres li s a la vitesse de l articulation egalement e Valider la simulation en cr ant une orth se du genou virtuelle simplifi e qui permettra une comparaison avec les r sultats r els En cas de succ s il sera possible de simuler le MotionMaker AVEC la stimulation muscula
16. impl mentation laisse la possibilit d ajouter facilement l influence de la vitesse en fournissant ce parametre a la fonction qui calcule la r action du muscle L orth se du genou a ensuite t mod lis e dans VVebots et les r sultats de la simulation ont t compar s avec les r sultats d exp riences r elles La suite de ce document se pr sente de la mani re suivante Le chapitre 2 pr sente le fonctionnement general de VVebots Dans le chapitre 3 la fa on dont est mod lis l humanoide est pr sent e ainsi que l interface graphique permettant de contr ler l amplitude des differents degr s de lib rt Le chapitre 4 d cris la fa on dont sont effectu es les mesure de couples et en pr sente les r sultats Le Chapitre 5 s interesse la fa on dont on peut g n rer un couple sur une articulation dans VVebots et pr sente la fa on dont t impl ment le mod le de muscle Le chapitre 6 donnes les r sultats obtenus l aide de la mesure La conclusion chapitre 8 rappelle les r sultats essentiels de ce travail L environnement de d veloppement comprenant la liste des logiciels et leur version utilis s lors de la phase de cr ation comme lors de la phase de validation sont pr sent en fin de document pour permettre la meilleur reproductivit e des r sultats possible chapitre 10 INTRODUCTION CHAPITRE 1 f pou np UOMRPITEA s q240 1 uonesr pour s rred SA ms fqissod np ms u
17. orthese du genou t simul e comme un deuxi me robot dans Webots et t ajout e au monde C est donc un autre objet part enti re qui peut int ragir librement avec humanoide L orth se comporte un seul servomoteur qui est celui de son bras articul Le reste du mod le est compos de groupes de forme simples assembl es de sorte repr senter l orth se du genou Contrairement au mod le de l humanoide auquel un enrobage visuel avait t ajout la forme du robot reste celle des formes qui la composent Des textures ont t ajout es dans un souci esth tique La figure 6 1 pr sente le r sultat graphique du modele Une vid o fournie en annexe ce rapport montre le robot humanoide exercent Dont le muscle du lecro stimul avec 35mA exerce un couple d pendant de la position sur le bras de l orth se Le moteur de l orth se va se d placer jusqu a atteindre une position de 45 degr s puis se stabiliser 6 2 Mesure du couple produit par le genou sur l orth se Apr s avoir r solus les probl mes rencontr s qui sont r sum s dans la section 6 3 La solution finale ment adopt e est de mesurer le couple produit au niveau du joint entre le bras de l orth se et la fixation La valeur dont on parle est donc la composante en Z du couple g n r par le joint sur le bras de l orth se 6 3 Problemes rencontr s Voici une liste des plus gros problemes rencontr s dans cette partie du travail Feedback
18. position courante Pt position d sir e donn e par le contr leur Vp vitesse au pas de temps pr c dant Vd vitesse maximum que peut atteindre un servo donn e par l utilisateur A acc l ration maximale dont est capable le servo donn e par l utilisateur calcule Vc vitesse courante a acc l ration requise pour atteindre Vc ts pas de temps timestep Ve P x Pt Pc if Ve gt Vd Ve Vd if A 1 1 a Vc Vp ts if a gt A a A Ve Ve a ts 3Tls ont du tre modifi pour permettre un suivi correcte de trajectoires CHAPITRE 2 INTRODUCTION VVEBOTS 14 La vitesse du servomoteur est donc limit e par quatre facteurs que sont P Vd A et une quatri me valeur non pr sente dans cette proc dure MAX FORCE 5 qui comme les autres est sp cifi e par le cr ateur du mod le Ces quatre param tres sont donc ceux qui peuvent influencer le comportement du servo et auxquels on fera r f rence plus tard dans ce rapport tla force maximal qu un servo peut exercer Chapitre 3 Aspect Visuel Creation d un humanoide sous VVebots L inter t de cette partie du travail est d obtenir un outil de d monstration pour pr senter les mou vements aux patients Une interface graphique a t r alis e pour mettre en vidence certains de ces mouvements ce qui est r alis au moyens de sliders contr lants les amplitudes des differents degr s de libert
19. x cos 2 w xt b x sin 2 x w t cos 3 x w x t b3 x sin 3 w t da cos 4 w xt ba x sin 4 w x t F G 3 4 S rie de Fourrier du 477 ordre 3 2 2 Suivi des trajectoires Dans le but de s assurer que la position des jambes est bien celle que Von a command On compare la position d sir e avec la position effective des servos CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS VVEBOTS 19 R sultats La figure 3 5 montre que les trajectoires donn es en param tres sont bien suivies pour les 3 articula tions La courbe en traitill repr sente la position d sir e en radians alors que la ligne pleine d cris la position au temps donn du servo Les parametre associ s aux servos pour atteindre ces r sultats sont pr sent s dans la table 3 1 La fa on dont ces param tres influencent le contr le de la trajectoire avait t d taill e dans le dans la section 2 5 2 La section suivante revient sur ces valeurs et leur influence max force NJ max speed m s controlP acc l ration m s 5000 5000 100 1 TAB 3 1 Param tres des servos Importance des divers param tres du moteur Pour obtenir un tel suivi les 4 param tres pr sent s dans le tableau 3 1 doivent tre adapt Max force acc l ration et max speed ne sont que des bornes qui repr sentent la force l acc lereation et la vitesse maximal que le servo peut atteindre Dans notre
20. 2 INTRODUCTION A VVEBOTS bipedOrthesebindcyl wbt Webots 5 1 10 Woe File Simulation Wizard Tools Help F a E 4 b 0 00 00 020 0 00775 Scene Tree Webots 5 1 10 x m x F 4 Q Worldinfo Q Viewpoint amp Q Background Q DirectionalLight Q DirectionalLight DEF FLOOR Solid DEF BIPED Supervisor DEF ORTHESE Supervisor 2 Jal Solid DEF FLOOR dE F EPFL_MASTER SemesterProject svn model controller Fal mc x oo x orthese cpp 11 13 include lt device robot h gt 14 include lt device servo h gt 15 include lt math h gt 16 finclude lt stdlib h gt 17 dinclude cdevice supervisor h c ntrol step duration in millisec 20 define TIME STEP 1 22 define pi M PI 24 number of DOFs of the ro 25 define MAX SERVOS 20 27 define KEYB OFF 0 29 define AMPL STEP 0 01 34 DeviceTag servosIMAX SERVOS1 36 NodeRef orthese NULL lt m Tio Webots 5 1 10 PHYSICS Initialising Physics PHYSICS nb geom 2 PHYSICS nb geom 4 PHYSICS body 1 is tigh PHYSICS body 2 is tibia biped Biped found Orthese Orthese found biped orthesel 1 0 000000 0 000000 1 0 000000 0 0000001 PHYSICS 0 000000 0 000000 1 0 000000 0 000000 PHYSICS 1 30 852246 201 051021 31 134292 201 0522171 rnuverreir ace 492809 0 nannan 11403 ONADAN la s n m PHYSICS 0
21. 5 10 de Webots qui ne pr sente pas ce bug Si les prochaines version n taient pas corrig es il faudra continuer utiliser cette version 1 La valeur que retourne Feedback n est pas document Au vu des probl mes rencontr s dans son utilisation pour les mesures de couples tenant compte de Telectro stimulation et des tests ensuite r alis s nous avons conclu que cette structure retournait les couples et forces calcul s par ODE TLors d une discussion r cente avec le programmeur principal de Webots il m a indiqu qu il tait en train de travailler la correction de bug 24 CHAPITRE 4 MESURE DES COUPLES LORS DE LA MARCHE 25 mais ne prenait pas en compte les forces ajout es manuellement Sachant cela cette structure retourne les r sultats d sir s de mani re fiable il est donc tr s important d tre au courant de ce fait qui a t l origine de bien des maux de t te Pour que les mesures de couple soient correctes la fa on de fixer le robot dans les airs est importante Jusqu ici il tait maintenu en le repla ant une position donn e chaque pas de simulation ce qui permettait aussi de d placer le robot en accord avec les translations du bassin Ceci fonctionne tr s bien d un point de vue visuel Cependant il s est av r lors des mesures que les forces cr es lors du pas de temps ne sont pas toutes remises z ro et il en r sulte des mesures erron es La meilleure solution test e consiste
22. 71 509008 Wiley Interscience 1990 45 Chapitre 9 Annexes Ce rapport est rendu avec deux compl ments 2 exemplaires du r sum un CD ROM dont le contenu est d taill dans la section suivante 9 1 Contenu du CD ROM Le CD ROM rendu contient quatre dossiers principaux 1 report partie rapport qui contient le rapport en pd son fichier source en format Lastex et les illustrations du rapport doc une partie de la documentation qui a t utile durant le travail et qui pourrait avoir un interet pour le lecteur ou la personne qui r utilise ce travail model La partie logiciel du travail qui contient les differents modeles contr leurs plugins physiques etc Le detail de la partie logiciel est donn e dans le fichier README txt contenu dans ce dossier 46 Chapitre 10 Outils de travail Webots 5 10 Matlab 7 1 Visual Studio Express 2006 Eclipse 3 2 Java 1 5 Latex Mac OSX 47 ur squsur3as Sogre3 TT AVL GLGG 0 6870 GGGc 0 GGGE O0 9287 0 STSV O GOTZ 0 GCVEE O 918 27 0 G ET 869600 9960 9689010 S468 1 ST 960 9160 3630 GLE 0 2100 9190 CIS O 6860 670 c6V 0 TTO VOE 0 820 0 9971 G 610 8010 9 9810 9800 8860 9070 1610 Gyc 0 9760 GG0 0 6610 66070 6810 I 9393 ureuq SeIq JUeAR seiq somedo zsomed9 9uU0709 zsoyouey assmo 2140 14 Xpord Apotd QU0I3 18303 1
23. ION AVEC L ORTH SE DU GENOU z 444 M FIG 6 1 Mod les d orth se du genou avec humanoide 33 CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 34 sp cifier la masse de deux fa ons par l interm daire d une densit ou en sp cifiant la masse Pour sp cifier la masse on met le champs densit 1 et le champs masse a la valeur d sir e Cependant un objet avec une masse nulle n est pas accept e et sans en avertir l utilisateur VVebots2 d fini un objet de densit 1000 Si l on veut une masse n gligeable il faut donc la sp cifier comme tr s petite mais pas z ro robl me b solution a p FIG 6 2 Illustration du probleme d oscillaitons du a la fixation et sa solution 6 4 Re sultats Cette section pr sente les r sultats des exp riences qui tentent mesure le couples que la jambe exerce sur le bras de l orth se 6 4 1 Cas simple statique Ces premiers tests visent a v rifier que la valeur de couple lue dans la simulation est correcte Il se d roule de la mani re suivante On applique un couple constant tout au long de la simulation sur le genou 0 pour le test vide La simulation d marre a 90 jambe fl chie et va atteindre la position O jambe tendue Une fois stabilisi la position finale 0 on lit la valeur du couple exerc e Sans couple masse de la jambe La figure 6 3 sch matise le calcul qui suit On cherche calculer le couple exerc sur
24. Projet de Semestre Environnement virtuel de mod lisation de mouvements humains et de stimulation musculaire Candidat C dric Favre Professeur Reymond Clavel Assistants Yves Stauffer et Ludovic Righetti 25 juin 2007 Table des mati res 1 Introduction dde ICO MACHO O o A E A a oe ered Ae q 1 2 Planning original e e e adada a ario a A o 604 2 Introduction Webots 2 1 Lanotionde monde sicim enee o ER LE Z T Cac a le da a 2 2 Es notion de controleur 2 aers o 2 2 A Oe OR asa al rsan an ee E 2 3 La notion de plugin physique LL 2 4 Interface Webots sons data k Es Bol EE ADADA a EE a l LS 2 5 Bonc onnement oea see A EE es hea s y n BE EE es 2 5 1 D roulement de la simulation 2 5 2 Contr le des servos 4 sus RS a AA am Alma d e gar dua da da a od ce 4 3 Aspect Visuel Creation d un humanoide sous VVebots Sol Mod lisation x 4 2 at ea LL Peter een a a a La LE 3 1 1 Convention pour le sens des axes 3 1 2 Mani re de Mod liser 3 1 3 Donn es Biologiques et Hypoth ses Mouvements asi A AA 06 Hg ya Vent er nt 3 2 1 G n ration des trajectoires 3 22 Suivi des trajectoires 4 4 4 4 4 5 a de a a q q dada ae 3 39 Interface graphique 202 led a Re S S s dt d
25. acements articulaires provoqu es par lectrostimulation doivent tre les plus similaires possibles aux mouvements physiologiques LSR Le LSRO a cr plusieurs ortheses dont deux mod les sont pr sent s sur la figures 1 1 Le mod le 1 1 a est une orth se de genou alors que le mod le 1 1 b est le mod le le plus avanc actuellement Dans le cadre de ce projet le LSRO est amen effectuer des mesures biom caniques Notamment des membres inf rieurs et du bassin La repr sentation ainsi que l analyse de ces r sultats peuvent s av rer complexes Le but de ce projet est d employer Webots afin de mod liser un humanoide et les propri t s physiques qui lui sont propre Webots est un logiciel de simulation physique de corps solides articul s base sur ODE un moteur physique Les r sultats de simulation seront confront s une s rie de modeles existants ce qui permettra de valider l exactitude de la simulation par rapport la r alit Une fois ce modele valid il pourra tre un outil de r flexion et de v rification efficace pour l tude de mouvements complexes Le but principal de ce projet est donc de v rifier que Webots est capable de simuler fidelement un syst me aussi complexe que les membres inf rieurs d un humain en mouvement et de cr er un tel modele Le projet est compos de trois phases distinctes 1 Modelisation visuelle de l humanoide 2 Mesures des couples aux articulations afin de v rifier l exactitud
26. du syst me simul est en accord avec la r alit 2 2 A quel point est il stable C est dire est ce que les erreurs de calculs vont un moment ou un autre causer un comportement non physique du syst me simul par exemple causer Pexplosion du syst me sans raison L int grateur actuel d ODE est tr s stable mais pas particuli rement pr cis moins que le pas de temps soit petit Pour la plupart des usages faits d ODE ceci n est pas un probl me Le comportement d ODE parait toujours parfaitement physique dans presque tous les cas Cependant ODE ne devrait pas tre utilis pour des travaux d ing nierie quantitatif moins que ce probl me soit corrig dans une version future Smi06 Sachant que cette phrase est tir e de la documentation actuelle de ODE et que VVebots utilise une version datant de deux ans en arri re cette explication alarmante donne une forte raison d etre a ce travail pour ce qui est de valider le comportement du mod le d humanoide sous VVebots La suite de ce document se veut heureusement rassurante dans le sens qu avec un pas de temps assez petit une milliseconde on a pu constater des r sultats se raprochant de ceux obtenus via g n rateur de marche Matlab du LSRO ou m me des exp riences sur des patients r els Pour en revenir au proc d de simulation en lui m me A chaque pas de temps Webots appelle le contr leur pour connaitre les consignes qui peuvent lui tre donn es posi
27. e de la simulation physique 3 Commande des articulations en couple simulant un muscle et validation de la simulation conjointe de l orth se du genou et de l humanoide CHAPITRE 1 INTRODUCTION 7 Electrode Angular sensor y on Force sensor a Orth se du genou LSR b WalkTrainer LSRO Fic 1 1 Appareils de r ducation LSR Comme indiqu pr c demment la simulation se concentre sur les membres inf rieurs du corps com prenant les muscles et articulations allant du pelvis la cheville La simulation est principalement valid e au travers des exp riences suivantes la premi re consistant contr ler que les couples g n r s lors de mouvements de marche corres pondent ceux auxquels sont soumis les membres d un humain La deuxi me a t de contr ler les articulations en couples et ainsi de passer un modele o les articulations sont mod lis es par des servomoteurs un mod le qui se rapproche plus d un syst me musculaire classique Finalement la troisi me et plus importante tape n cessite l impl mentation d un mod le de muscle r agissant en fonction d une stimulation lectrique M t05 ainsi que la mod lisation de l orth se du genou d velopp e au LSRO toujours dans le cadre du projet Cyberth se LSR On contr le alors que les mesures faites dans la simulation soient similaires aux valeurs obtenues lors d exp ri mentations sur des pa
28. e generation de mod les Dans le but de rendre la modification de certains param tres des mod les VVebots plus rapide un petit logiciel Java a t impl ment En effet devoir modifier certains param tres depuis l interface du logiciel comme par exemple la force ou la vitesse maximale des moteurs peut s av rer fastidieuse Les fichiers monde de Webots portants l extension wbt sont de simples fichiers texte Le pro gramme prend donc en entr e un template qui n est autre qu un fichier monde de Webots auquel a t ajout certaines balises Il le modifie pour ressortir un fichier wbt Le programme cherche dans le fichier tpl des balises qu il remplacera par la valeur d sir e Une balise telle que d finie actuellement se pr sente sous le format lt NOM_BALISE gt Le programme actuellement modifie pour chaque moteur les trois param tres suivants max force la force maximale qu un moteur peut exercer max speed la vitesse maximale laquelle un moteur peut op rer controlP le param tre P qui modifie la vitesse r action du moteur comme expliqu dans la section 2 5 2 Ces balises sont facilement augmentables Il suffirait d ajouter dans le code la balise et la valeur par laquelle on aimerait la remplacer tout en placent la balise dans le fichier template On pourrait aussi imaginer definir les balises dans un fichier s par pour ne pas avoir modifier le code La valeur par la
29. e la jambe Remarques 90est l angle pour lequel la jambe est vertical La mesure pour la jambe tendue est donc celle tout gauche sur le graphe Ceci est aussi valable pour les autres mesures par rapport l angle du genou De plus la valeur du couple mesur e est n gative car en n gatif sur l axe Z CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 37 40 30 20 10 10 couple mesur Nm 0 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100 angle FIG 6 5 couple g n r par le muscle pour une stimulation lectrique de 35mA en fonction de la position 6 4 3 Couple g n r par le muscle stimul avec une intensit de 35 mA en fonction de la position Les couples d cris dans la figure 6 5 sont les couples r sultants du couple g n r sur le muscle pour une stimulation 35mA On voit sur la figure que l intensit varie clairement en fonction de l angle du muscle La figure 6 6 montre le couple mesur avec stimulation et sans stimulation De plus la courbe en traitill est la superposition des deux autres Cette derni re repr sente donc le couple g n r par la muscle 6 4 4 Donn es sur patient r els Les donn es pr sent e par la figure 6 7 proviennent des r sultat d une exp rience sur un patient Ce sont ces r sultats qui ont t utilis s pour mod liser le muscle En effet les diff rents param tres comme par exemple la r action l intensit de la stimulation lectrique diff rent d
30. ede A aR A LADA 3 9 1 R sultat Visuel Re apa a q zala a aa Be M AL EE a 3 3 2 Adaptation dynamiques des amplitudes 3 4 Programme de g n ration de mod les LL a 4 Mesure des couples lors de la marche AS SB US a a he aces a ie a x TT 4 2 Problemes war a oya te ee D AA RAA Fhe e aa oo de ec EE Lee e a 4 3 Conditions de mesure 4 4 R sultats o b s s Sanjala Boh DS a DC q s RES EL 5 Commande des articualtions en couple Da DD MR A Sa DNA vI w ah ES x SLD D finitons 232 86 EL LE A de Va ds aa a Le Re Pes 5 1 2 Impl mentation 42222446 eo a RR AE AS 5 2 Integration du mod le de muscle LL a 52d Modele xo P o ELE A De Le e Des SSS ae eee 10 10 10 11 12 12 13 15 15 15 15 18 18 18 19 19 19 20 TABLE DES MATI RES 6 Simulation avec l orth se du genou 6 1 Cr ation de l orth se 6 2 Mesure du couple produit par le genou sur l orth se 6 3 Probl mes rencontr s 6 4 R sultats 641 Cas simple statique 4 4 52 6 2 22 Pa Ge ae Yee d 6 4 2 Couple g n r par la masse en fonction de la position 6 4 3 Couple g n r par le muscle stimul avec une intensit de 35 mA en fonction de la position 6 4 4 Donn es sur patient r els 6 4 5 Compa
31. en fonction de la position Erreur et sa source Une erreur d environ 3 8 est observ e entre les valeurs lues et valeurs attendues La valeur lue tant sup rieur L erreur ne provient pas de Webots mais du fait qu on lis le couple g n r sur la bras de l orth se par rapport son axe de rotation et non sur la jambe par rapport l axe du genou Un d calage entre les deux axes est donc vraisemblablement l origine de cette diff rence Ce d calage pourrait tre corrig en ce point mais il faut garder l esprit que le robot est fix l orth se uniquement par son interaction avec la fixation et la table sur laquelle il est assis Le genou se d place donc ind pendamment de l axe du moteur qui lui devrait tre fixe car rattach au monde par un joint fixe Ces deux axes sont donc align s du mieux possible au d part de la simulation mais l humanoide pouvant bouger ses jambes il peuvent se trouver l g rement d cal s apr s un moment de simulation De plus cette erreur correspond plus ou moins 1cm de d calage entre les deux axes Ce type d erreur est de plus un probl me qui se pr sente aussi lors de mesures sur des patients r els 6 4 2 Couple g n r par la masse en fonction de la position La figure 6 4 pr sente les couples mesur s sur l axe z en fonction de la position de l orthese alors qu on ne g n re aucun couple sur l articulation Le couple mesur est donc uniquement celui provenant de la masse d
32. enou ouvre la porte plusieurs travaux futurs ou simple am liorations dont voici une liste non exhaustive Si les mesures obtenues ne font que valider les valeurs obtenues exp rimentalement ou par l inter m diaires de modeles existant VVebots pourrait simuler des mouvements bien plus complexes et fournir des informations jusque l inconnues Il serait donc interressant d aller plus loin dans la simulation et de et de Tetendre au mod le du MotionMaler Le mod le de muscle actuel peut d j tre tendu simplement en lui ajoutant la contribution de la vitesse ce param tre est d j calcul et ne demande quia tre utilis De plus le moment passif pourrait tre mieux mod lis car en ce moment le seul moment passif g n r est celui de la gravit Comme d cris dans la section 3 4 le programme java de generation de modeles pourrait tre am lior pour pouvoir generer facilement des mod les differents taille masse forces etc Les textures sp cialement celles de l orth se du genou sont de taille assez grande et il est possible qu elle ralentissent la simulation Des textures plus optimis es pourraient augmenter la vitesse de simulation Si on veut privil gi e la vitesse de simulation plut t que l aspect esth tique on pourra m me supprimer les textures de l orth se ainsi que l enrobage du robot 43 Chapitre 8 Conclusion Le but de ce projet tait de v rifier que VVebots est capable de simuler fid
33. es exerc es par le muscle les ligaments et autres forces bio m caniques pr sentes chez un humain Dans le cas de stimulation r elles tous ces param tres sont d termin s dans une phase d identification r alis e directement sur le patient Ce mod le doit tre crit dans la physique m me du simulateur et on utilisera la possibilit offert par VVebots d crire un plugin physique Ce dernier permet d acc der aux fonctions de la librairie physique ODE et ainsi d appliquer directement des couples et des forces sur les objets mod lis 5 2 1 Mod le Ce mod le prend en consid ration la position en degr de l articulation et l intensit de la stimula tion Il ne d pends pas d autres facteurs comme la fr quence de la stimulation la fatigue la vitesse ou autre Dans le but d tre facilement am lior e l impl mentation actuelle fourni un param tre qui per mettra d ajouter facilement l influence de la vitesse dans le calcul de la r action musculaire Une vision sch matique de ce mod le est donn e par la figure 5 2 L quation Fig 5 3 pr sente la mani re dont est calcul le Moment musculaire cr par un muscle elle ne prend cependant pas en compte le moment passif qui dans le mod le de P Metrailler est lui aussi exprim par un polyn me de degr trois tout comme M On s attend ce que VVebots simule uniquement le moment passif g n r par la gravit Les autres forces ne sont pas inclues dans cette version du mod
34. es probl mes plus complexes comme le mod le du MotionMaker M me si VVebots fournit de bons r sultats il est incontestablement plus complexe moins flexible et facile modifier qu un mod le Matlab Pour compliquer les choses on utilise VVebots d une mani re diff rente de celle pour laquelle il est con u En effet alors que VVebots est principalement con u et utilis pour mod liser des prototypes et tester des contr leurs l utilisation faite de VVebots dans le cadre de la mod lisation de l humanoide est beaucoup plus orient e vers des mesures physiques sur le mod le L acc s et l utilisation de la librairie physique s av rent tre moins document s et plus complexes que l utilisation classique de Webots Ceci pose la question de l utilit d un tel mod le Quelles sont les personnes susceptibles de l utiliser 2 D un point de vue personnel j ai beaucoup appr ci ce travail Il est multidisciplinaire dans le sens qu il touche la biologie la m canique la physique et bien entendu a l informatique De plus il porte sur un probl me concret et il tait toujours tres agr able de pouvoir se rep rer la r alit qui est derri re la simulation Ce projet a aussi pr sent son lot de problemes et a t accompagn de moments frustrants La progression a t plus fastidieuse qu imagin interrompue par les divers probl mes mentionn s dans ce rapport qui se sont av r s plut t difficiles r soudre de
35. exercer les differents moteurs le contr leur utilis par un robot le pas de temps de la simulation etc Les modifications sont appliqu es et peuvent tre visualis es dans la fen tre 1 3 La fenetre d dition permet d diter et de compiler les contr leurs et plugins physiques 2 5 Fonctionnement Cette section traite de la fa on dont les diff rents composants du logiciel pr sent s pr c demment int ragissent entre eux La premi re sous section expliquent le d roulement d un pas de simulation La seconde s int resse plus particuli rement a la fa on dont Webots commande les servomoteurs lorsqu on leur demande d atteindre une position au prochain pas de temps 2 5 1 D roulement de la simulation Le chef d orchestre de la simulation est le timestep ou pas de temps Ce pas de temps d fini le temps durant lequel la simulation va s ex cuter avant que les prochains calculs r actions collisions contr le des moteurs etc s effectuent nouveau L explication traduite directement du manuel utilisateur de ODE Le processus de simulation au travers du temps d un syst me de corps rigide est appel int gration Chaque pas d int gration fait avancer le temps d un pas de temps donn ajustant l tat de tous les corps pour la nouvelle valeur du temps Il y a deux facteurs principaux consid rer quand on travaille avec un int grateur 1 A quel point est il pr cis 7 C est dire quel point le comportement
36. formatique Assistants Yves Stauffer et Ludovic Righetti Professeur Reymond Clavel But Ce projet s inscrit dans le cadre du travail men par le LSRO autour de la Cyberth se qui vise la r ducation de patients parapl giques Le but principal de ce projet est de v rifier que Webots un logiciel de r alit virtuel est capable de simuler fid lement un syst me aussi complexe que les membres inf rieurs d un humain en mouvement et pour se faire de cr er un mod le humano de qui sera soumis divers tests de validation marcher D roulement Le projet est compos de trois phases distinctes Mod lisation visuelle de l humanoide Mesures des couples aux articulations afin de v rifier l exactitude de la simulation physique Commande des articulations en couple et validation de la simulation conjointe de l orth se du genou et de l humanoide R sultats Principaux Le robot humanoide a t mod lis avec succ s Il suit des trajectoires de marche Humano de en train de r elles Le mod le poss de une interface graphique permettant de mettre en vidence divers mouvements lors de la marche Les couples mesur s aux articulations sont similaires en forme ceux g n r s par le mod le Matlab de Yves Allemand Des diff rences d intensit sont cependant mesur es Ces derni res semblent principalement dues au fait que les deux mod les utilisent des donn es biom canique
37. i et ainsi obtenir un humanoide plus r ussi En effet alors que sur le mod le du squelette les jambes sont plac es aux extr mit s du bassin ce n est pas le cas de l enrobage Cette hypoth se est faite car il parait plus important de conserver un rendu graphique plaisant que d tre exacte au niveau de l espacement des jambes Ce dernier n a aucune influence dans le cadre des exp riences men es CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANOIDE SOUS WEBOTS 17 a Mod le sans texture b Mod le avec texture Fic 3 2 Diff rentes phases de mod lisation dans ce projet Cependant il pourrait s av rer important de corriger cet espacement pour d autres projets comme par exemple si l on en venait a simuler le WalkTrainer Encore une fois pour des raisons graphiques et d animation l articulation entre le bassin et la colonne vert brale a t d plac e contre le haut par rapport au squelette original Ceci pour concorder avec l enrobage VRML fourni Cette hypoth se encore a nouveau t faite pour am liorer le r sultat graphique De plus dans le cadre des exp riences r alis es cette modification ne semble pas avoir une importance capitale Les mouvements des bras sont tout fait artificiels et sont g n r s en utilisant les trajectoires des jambes un peut d cal es pour paraitre cr dibles Ces trajectoire ne sont donc pas les trajectoires des bras d un humain en train de marcher 8
38. ire Le code devra tre modulaire et r utilisable C avec commentaires Remarques Un plan de travail d taill crit sera remis aux responsables du projet avant le 26 mars 2007 Un rapport dactylographi noir blanc comprenant en son d but l nonc du travail suivi d un r sum d une page forme standardis e noir et blanc 2 exemplaires du r sum seront galement joints en feuilles volantes et la version informatique VVord sera adress e au professeur responsable sera remis le 25 juin 2007 16 heures au plus tard en 3 exemplaires Une photo du candidat format passeport sera int gr e a la page de garde du rapport Ces documents seront galement grav s sur un CD forme PDF limit e 3 MBytes pour le rapport sans les annexes VVord pour le r sum et remis a l assistant responsable Ces documents seront inclus par le LSRO sur son site vveb pour autant qu il n y ait pas de probl me de confidentialit et que le niveau de qualit soit suffisant Une d fense de 45 minutes environ 25 minutes de pr sentation et d monstration plus 20 minutes de r ponses aux questions aura lieu dans la p riode du 26 juin au 4 juillet 2007 Le professeur responsable Assistants responsables R Clavel L Righetti Y Stauffer Lausanne le 08 03 2007 LSRO R sum du projet du semestre d t 25 juin 2007 Environnement virtuel de mod lisation de mouvements humains et de stimulation musculaire C dric Favre In
39. l articulation par la masse de la jambe quand celle ci est tendue A 0 y 2 eye d finition Z r x F Avec gt r le vecteur position du point par rapport auquel on calcul le couple jusqu au point d application de la force F la force exerc e au point d application 20u la librairie physique ceci n est pas document CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU dans notre cas T genouTotal gt genouTotal r sultat de la simulation 11 78 11 36 _ erreur 3 7 Avec un couple F G 6 3 repr sentation des forces T mtibia SUT genou TaT Mpied SUT genou RxR R x F TI x 7 T3 x Mpied y 0 186 x 3 488 s 9 82 0 431 0 034 x 1 088 9 82 6 384 4 962 11 346Nm 11 78 Nm La table 6 1 donne les r sultats des diff rentes simulations avec Couple g n r Nm Couple mesur Nm Couple g n r mesur Nm erreur 0 11 78 0 0 10 1 4 10 38 3 8 100 92 02 103 8 3 8 200 195 79 207 57 3 785 500 507 76 519 54 3 908 Couple mesur Couple g n r par la masse obtenu pr c dement TAB 6 1 Resultats de simulation de l orth se 35 6 1 CHAPITRE 6 SIMULATION AVEC L ORTH SE DU GENOU 36 couple mesur Nm ly co 10 12 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 angle FIG 6 4 couple g n r par la masse
40. lement un syst me aussi complexe que les membres inf rieurs d un humain en mouvement et de cr er un tel mod le Le mod le t cr e et les r sultats obtenus sont encouragent Le chapitre 3 pr sente un humanoide a l aspect visuel r ussi qui pourra comme esp r tre un outil permettant de mettre en vidence certains mouvements dans le but de les pr senter aux patients Au chapitre 4 on voit que les couples mesur s lors de la marche sont de la m me forme que ceux calcul s par le mod le Matlab Cependant il faut nuancer cet enthousiasme car l intensit des deux valeurs differe de mani re inqui tante Il y a plusieurs explications a cela comme la diff rence de mod le utilis par les deux repr sentations mais cela ne permet honnetement pas d en conclure que les intensit s mesur es sont celles qu elles devraient tre et il serait probablement n cessaire de passer plus de temps comprendre ce probl me avant de se lancer dans des exp riences dynamiques Le mod le de muscle pr sent au chapitre 5 et test avec l aide d une orth se de genou dans le chapitre 6 est un succ s Le temps n a malheureusement pas permit d aller tr s loin dans le rapport sur cette partie du projet On notera cependant que les r sultats obtenus sont ceux que le mod le pr voit VVebots semble donc tout fait capable de simuler correctement les interactions entre les diff rents membres et pourra probablement faire de m me avec d
41. ompte exactement les m me donn es biologiques Le probl mes est apparu assez tard dans le projet En effet les courbes obtenues originalement taient plus vraisemblables car les articulations ne suivaient pas correctement la commande du a un param tre P trop faible Du l apparition tardive de ces erreurs trop grandes du fait qu il tait plus interressant de passer la suite et que l on utilise plus ces servos par la suite on commande les articulations en couple J ai jug pr f rable d avancer la suite du projet Pour r sumer ce chapitre de mesures on peut donc constater que pour ce qui est de la forme les couples mesur sont tout a fait conforme au mod le Matlab Fait normal sachant que les memes trajectoires sont utilis es par les deux mod les Par contre l intensit des couples diff re ce qui semble d aux differences de modeles utilis s CHAPITRE 4 MESURE DES COUPLES LORS DE LA MARCHE 27 couple Nm couple Nm couple Nm 0 1 02 03 04 05 06 07 06 09 1 temps s a Hanche Matlab Webots 02 03 04 05 06 07 08 s 1 temps s b Genou T T T T T T T T Matlab Webots 02 03 04 05 06 07 08 s 1 temps s c Cheville Fic 4 1 Couples mesur s aux diff rentes articulations CHAPITRE 4 MESURE DES COUPLES LORS DE LA MARCHE couple Nm 0 0 1 02 03 04 05 06 Of 08 s temps sec FIG 4 2 couples g n r s sur la cheville isol
42. par le manque de documentation Je tiens donc remercier les assistants et professeurs qui m ont beaucoup aid comprendre et r soudre ces problemes 44 Bibliographie CLV92 con97 LSR Ltda Ltdb M t05 Mic04 Smi06 SotISoBI02 Web Win90 Jermy O Connor Christopher L Vaughan Brian L Davis Dynamic of Human Gait Number 0 620 23558 6 Kiboho Publishers 2nd edition 1992 Web3D consortium Vrml97 functional specification International Standard ISO IEC 14772 1 1997 LSRO Cyberth se http lsro epfl ch page62460 html Cyberbotics Ltd Webots reference manual Cyberbotics Ltd Webots user guide Patrick M trailler Systeme robotique pour la moilisation des membres inf rieurs d une personne parapl gique PhD thesis Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 2005 O Michel Webots Professional mobile robot simulation Journal of Advanced Robotics Systems 1 1 39 42 2004 Russel Smith Open dynamic engine user guide 2006 The Standardization and Terminology Committee STC of the International Society of Biomechanics ISB Isb recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion part i ankle hip and spine Journal of Biomechanics 2002 VVebots http www cyberbotics com Commercial Mobile Robot Simulation Software David A Winter Biomechanics and motor control of human movment Number 0 4
43. quelle les differentes balises pourrait aussi etre calcul e par le programme ainsi Ces am liorations peuvent aller plus loin et apporter la possibilit d avoir un mod le dont les differents param tres tailles masses centres de gravit e seraient variables On peut donc imaginer tendre ce programme pour lui permettre de g n rer des mod les physiologiquement different tel un petit gros ou un grand maigre Les enrobages doivent aussi tre adapt es aux nouveaux param tres II semble r aliste de s adapter la taille il existe un champs scale qui permet d adapter la taille de chaque partie de l enrobage La masse parait beaucoup lus difficile refl ter sur le mod le le petit gros aura difficilement l aire gros 4un fichier wbt dont l extension t chang e en tpl CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL position rad position rad position rad CREATION D UN HUMANO DE SOUS WEBOTS 21 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t millisec a Hanche 200 400 d sir e actuelle 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t millisec b Genou 200 400 d sir e actuelle 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t millisec c Cheville FIG 3 5 Suivi des positions CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS VVEBOTS 22 position rad postion rad 200 200 400 400 d si
44. r e actuelle 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t millisec a P 10 d sir e actuelle 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t millisec b P 3000 Fic 3 6 Examples de mauvais suivi de positions dus un P inadapt CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS VVEBOTS 23 bipedG wht Webots 5 1 10 y El Cares b gt azi Amplitudes Arm ArmLeft 120 ArmRight Hips Pelvic bl PelvicRot PelvicTilt 2 7 7 DeltaY y Fic 3 7 Biped avec Interface Graphique Chapitre 4 Mesure des couples lors de la marche 4 1 But Afin de valider le mod le VVebots par rapport au mod le Matlab il tait important de mesurer les couples obtenus lors des mouvements induits par les trajectoires pr sent es la section 3 2 Ceci a t r alis par l interm diaire d un plugin physique qui lit les couples aux articulations appliqu es par VVebots afin d atteindre les positions command es Ceci permet de s assurer que la physique appliqu e par VVebots est similaire celle imagin e dans le mod le Matlab 4 2 Probl mes Lors des mesures plusieurs probl mes sont survenus Ils sont bri vement d crit dans cette section de sorte qu une personne d sireuse de r utiliser ce travail soit enclin le faire dans les meilleures conditions possibles Fonctions non mise jour correctement certaines fonctions d ODE ne sont pas appel es au moment ad
45. r Y suep dem er e prejor ar fomd np uorsso1801d e quo qdno s ms ur s p 5101 sniedde guos s umrqo rd XnoIqUIOU apuosas e SIO T UOTESTT DSTA 91 Ied r rum rd e 389 mb mod mms UDIQ 5911 939 e Suruurerd lt eulpeeg f Gesuunsbs i sse fo1d 20 62 6 Hz 0120 Uo s liy feul xz4 Alguns uds ns uui s pl oid 99 014 SNS eula x3 o ysel 20 7 2 P M 10 92 9 ent s ep2 ejeul4 uonelu s d Ll 3 LO SZ 9 UON 20 Z i UON La Hoddey uonoepey 9 oe s o 20 06 6 PEM 20 06 S PAM SAep 0 III 9 1e1pauuJa u Voggjueseud SL CIS o 10 2 5 PSM 20 Z 9 PSM sAep 0 II uogejueseld vb viy Y 20 7 y PSM Z0 y y PSM sAep 0 uogejuese d A oe ft 20 7 2 PM L0 Z UON sAep 89 suone u s ud uoneju uinooq z 20 61 98n1 20 1 9 H4 s ep el np LL 20 1 S NUL 20 71 S UON S epyL 259410 SP UONESIJSPON 01 nou B s luio u 20 61 99NL ZOMLISUON s ep Z aun qUE9 9 Ud uonelnuuis El s pileEA 6 vopejnome ZOIGL S enL 20 1 6 ONL s ep LL ne ajosnu np 8 s dnoo s l J39 1ns uu 20
46. r l acc l ration et une fa on de dire a VVebots que l acc l ration peut tre infinie 2Cette interface graphique fonctionne et a t test uniquement pour le syst me d exploitation Windows XP Pour une utilisation Mac OS ou Linux elle devrait tre adapt e aux librairies graphique et syst me de threading du syst me d exploitation et recompil 3 Ayant constat 3 plusieurs reprises que Webots n arrivait pas toujours lancer l interface si elle tait stock e sur un volume de stockage externe tel une cl usb ou un lecteur r seau Il est conseill de copier sur le disque dur et de l ex cuter depuis l CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS WEBOTS 20 2 Ces mouvements ne font pas parties des mouvements que Ton cherche mettre en vidence IIs sont uniquement pr sents dans le mod le pour garder une d marche r aliste 3 Ils sont fortement coupl s aux amplitudes colonne hanche et les modifier ind pendamment r sul terai en un mouvement faux Il sont donc calcul s directement partir des amplitudes colonne hanche En effet en l absence de ces mouvements ou si ils sont mal adapt s le mouvement du bassin et le fait que notre humanoide est suspendu impliqueraient que les jambes se balancent de gauche droite du fait de la rotation du bassin autour de l axe z De plus on observerait une rotation des jambes autour de l axe y induit par la rotation du bassin autour de ce m me axe 3 4 Programme d
47. raison entre couple mesur et couple th orique g n r 6 4 6 Analyse 6 4 7 Remarque 7 Am liorations et Travail futur 8 Conclusion Bibliographie 9 Annexes 9 1 Contenu du CD ROM 10 Outils de travail 11 Appendice 32 32 32 32 34 34 36 37 37 39 39 39 43 44 45 46 46 47 48 LABORATOIRE DE SYSTEMES ROBOTIQUES LSRO Mi pf L Adresse postale EPFL LSRO ME3 Station 9 COLE POIYTECHNIQUE CH 4015 Lausanne F D RALE DE LAUSANNE PROJET DE SEMESTRE ETE 2007 Titre Environnement virtuel de mod lisation de mouvements humains et de stimulation musculaire Candidat C dric FAVRE Section Informatique Professeur Reymond Clavel Assistants Ludovic Righetti Yves Stauffer Introduction Dans le cadre de la r ducation de bless s m dullaires nous sommes amen s a effectuer des mesures biom caniques Notamment des membres inf rieurs et du bassin La repr sentation ainsi que l analyse de ces r sultats peuvent s av rer complexes Pour faciliter ces op rations il s agira dans ce projet d employer un logiciel de r alit virtuelle Webots afin de r aliser un homme virtuel incluant des longueurs de segments param trables ainsi que des masses physiologiques ajustables Cet humain virtuel sera utilis pour la visualisation et pour la validation des mesures Dans un deuxi me temps il s agira d inclure le mod le du muscle afin de pouvoir
48. rences significatives Quelques constatations Les r sultats pour la hanche ne pr sentent que des diff rences minimes Les r sultats pour la chevilles sont clairement les plus loign s du mod le Matlab L erreur semble augmenter au fur et mesure que l on descend le long du corps Explications possibles a Le mod le physiologique du mod le matlab est diff rent tailles masse centre de gravit e b L erreur incr mentale c Les offsets des diff rents segments Pour tenter d y voir plus claire la figure 4 2 montre les r sultats pour des mesures effectu es sur la cheville isol e c est dire seule la cheville bouge On remarque que 1 La courbe est toujours bien suivie et l amplitude toujours differente 2 L erreur semble sensiblement plus faible 3 H y a un d calage les deux courbes ne sont pas centr es sur le m me axe Cette nouvelle mesure semble confirmer l hypoth se de l erreur incr mentale Le d calage complet de la courbe peut venir de l offset Les diff rence semblent toujours tr s grandes comparons les deux modeles CHAPITRE 4 MESURE DES COUPLES LORS DE LA MARCHE 26 Malgr les explications nonc es ces erreurs paraissent tr s grandes surtout pour la cheville II serait donc bon d investiguer plus en d tails les hypoth se mentionn es ci dessous Cel n a pas t fait pour les raisons suivantes Le mod le matlab devrait tre fortement chang pour prendre en c
49. s diff rentes Le mod le de muscle pr sent par le docteur P M traill a t impl ment et test par l interm diaire d une simulation de l orth se du genou Les r sultats montrent le comportement souhait la seule diff rence avec le mod le original tant le moment passif induit par les ligaments et autres forces biom caniques qui ne sont pas simul s dans le mod le Webots L humanoide et l orth se du genou Chapitre 1 Introduction 1 1 Introduction L assistance robotis e offre des possibilit s de traitements th rapeutiques de mobilisation aux paralys s Le LSRO travaille sur un projet nomm Cyberth se LSR qui vise la r ducation de bless s m dullaires associant orth se et lectrostimulation musculaire La paralysie est un effet cons cutif une l sion du syst me nerveux central Il en r sulte une immobilit qui s accompagne de complications m dicales parfois importantes On peut les pr venir en mobilisant les membres paralys s et en entretenant la musculature par des exercices de physioth rapie ou de fitness A quoi s ajoutent d sormais des traitements bas s sur Pelectrostimulation neuromusculaire ou Stimulation lectrique fonctionnelle SEF Pour tre efficace un programme de r ducation doit stimuler les muscles selon des s quences et des efforts qui reproduisent le plus fidelement possible les contractions musculaires naturelles La cin matique et la dynamique des d pl
50. tients r els On distingue deux phases principales lors de la mod lisation La premiere environ un tier du projet est consacr e l aspect visuel de l humanoide Il consiste en la cr ation de l tre humain sous Webots en utilisant les tailles des segments humains standard d crites dans le livre Win90 Les articulations sont contr l es au moyen de trajectoires d finies par des s ries de fourrier provenant d un mod le Matlab existant Ce mod le Matlab avait t d velopp au LSRO par Yves Allamand lors de son travail sur l orh se des jambes Une interface graphique est ajout e au modele Webots permettant de mettre en vidence les divers degr s de libert au moyen de sliders influant Vamplitude des mouvements La seconde partie est consacr e la mod lisation physique et la validation du modele Les couples auxquels les diff rents segments des jambes et du bassin sont soumis lors de la simulation Webots utilisant les trajectoire d finies ont tout d abord t mesur s puis compar s avec ceux calcul s par Matlab afin CHAPITRE 1 INTRODUCTION 8 de s assurer que le mod le r pond correctement Le systeme de contr le des articulations jusque l mod lis par des servos moteur t chang pour passer au modele de muscle developpe par P M trailler M t05 Les articulations sont donc command es en couple en fonction de l angle de la position et de la stimulation lectrique auquel le muscle est soumis L
51. tions atteindre des moteurs et applique ainsi certaines forces pour s approcher de ce but Si un plugin physique est sp cifi il ex cute galement la m thode robot step de ce dernier Puis il fait voluer la physique au pas de temps suivant CHAPITRE 2 INTRODUCTION VVEBOTS 13 initial rotation current rotation Servo s children Servo s parent tranislation maxPosition minPositio maxStop minStop FIG 2 2 diagram de servo rotationel Webots reference manual Ltda 2 5 2 Contr le des servos Du fait de Putilisation dans ce projet de servomoteurs comme du fait que comprendre les parametres les contr lant a t n cessaire a son bon d roulement Il appara t important de pr senter la fa on dont Webots les mod lise et g n re les forces ou plut t les vitesse qui les contr le ainsi que les param tres principaux influen ant leur r action Le fonctionnement des servos est d crit en d tail dans la section 2 35 du manuel Webots Ltdb Cette rapide section tente de r sumer la partie concernant les servos de type rotationel Webots commande les servos en vitesse Le contr leur donne g n ralement la position d sir e au prochain pas de temps m me si il y a d autres moyens de faire La figure 2 2 montre un sevo rotationel La proc dure suivante pr sente la maniere dont est calcul e la vitesse entr e P param tre de contr le donn e par l utilisateur Pc
52. u robot r el generalement sans problemes majeurs et est une des principales qualit s de ce programme Il offre en plus l avantage de pouvoir r aliser des exp rimentations en temps acc l r sans utiliser des robots Le logiciel utilise le moteur physique ODE Open Dynamics Engine pour g rer la dynamique les frottements et les contacts Cette librairie open source est capable de simuler de mani re fiable est performante la dynamique de corps rigides La documentation de se logiciel se compose principalement de trois documents Le guide utilisateur Ltdb c est de ce dernier qu est tir la plus grande partie des informations pr sent es dans ce chapitre Le manuel de r f rence Ltda Le manuel d utilisateur Smi06 2 1 La notion de monde Un monde dans VVebots est un environenement virtuel en trois dimensions dans lequel on peut cr er des objets et des robots Ce monde est donc la description du mod le qui est repr sent sous la forme d un arbre dans lequel chaque objet robot sol etc est repr sent par un noeud et ses fils qui sont ses param tres 2 2 La notion de contr leur Un contr leur est un fichier ex cutable qui permet de contr ler le robot Il acc de une API VVebots qui est plus ou moins limit e au contr le des moteurs c est ce que l on cherche faire dans la majeure partie des cas Le contr leur utilis par la simulation est defini dans le fichier monde 10 CHAPITRE
53. u temps t par rapport une erreur e Elle est repr sent e d un moyen plus graphique par la figure 5 1 t Output t Kye t K e r dr K 5 1 0 Les constantes K K et Ka doivent tre adapt es selon la dynamique du probl me pour obtenir le mouvement d sir sans oscillations 5 1 2 Impl mentation Dans le cadre de ce projet c est uniquement la partie proportionnelle qui a t impl ment e et test e Le but ici n tait pas d avoir un contr leur PID parfait mais simplement de se familiariser avec la physique du simulateur ODE et ainsi d crire un premier plugin physique fonctionnel qui permette de commander l articulation en couple Ceci a permi outre l apprentissage du fonctionnement de la librairie physique de mieux comprendre comment passer d un contr le en position un contr le en intensit couple ou force qui peut tre utilis dans le cas de la simulation comme dans le cas de robots r els 29 CHAPITRE 5 COMMANDE DES ARTICUALTIONS EN COUPLE 30 t I K fe r dr Output 0 FIG 5 1 diagramme PID VVikipedia 5 2 Integration du modele de muscle Le mod le de muscle utilis est celui pr sent par monsieur Patrick Metrailler dans sa th se M t05 Il comporte certains param tres propres chaque muscle qui d terminent sa r ponse en fonction de l angle de Particulation et de la stimulation lectrique appliqu e Il comporte aussi d autres param tres d crivants les forces passiv
54. urs qui n ont nullement la pr tention d tre la simulation ad quate d un muscle mais dont la simple t che consistera suivre des trajectoires donn es Lors de la deuxi me partie du projet ces servomoteurs sont supprim s et remplac s par un mod le de muscle La mod lisation s est d roul e en trois tapes principales 1 En premier lieu la g om trie du robot est cr ce qui comprend les diff rents segments leur taille et les joints qui sont la mani re de les fixer l un l autre La figure 3 2 a pr sente le robot au terme de cette tape les formes visibles sont pr sentes pour aider la visualisation et seront supprim es pour l tape suivante d enrobage 15 CHAPITRE 3 ASPECT VISUEL CREATION D UN HUMANO DE SOUS VVEBOTS 16 2 3 Fic 3 1 Systeme d axe selon SotISoBT02 Dans un deuxi me temps on ajoute l enrobage VRML qui avait t dessin pour un autre projet dans le logiciel pro egineer Cet enrobage doit tre import puis appliqu sur les diff rentes parties du corps La figure 3 2 b pr sente le r sultat une fois cette tape effectu e Les grandeurs physiques tels que le poids la force des moteurs et la position des centres de gravit des diff rents segments sont alors ajout s et adapt s au modele Les tapes 2 et 3 ne sont pas li es et pourraient tout fait tre effectu es dans un autre ordre L une d elle pourrait m me ne pas tre effectu selon si on ne se pr
Download Pdf Manuals
Related Search