Évaluation de l’équilibre assisté par exosquelette du genou et des tâches de travail chez les travailleurs de la construction

Contexte

Les travailleurs de la construction sont confrontés à des risques importants pour leur sécurité et leur santé dans des environnements de travail dangereux, en particulier lors de travaux en hauteur. Les postures prolongées en position debout ou à genoux peuvent entraîner des blessures au genou, des troubles musculosquelettiques et des perturbations visuelles, affectant ainsi l’équilibre des travailleurs. Pour prévenir les chutes et autres accidents du travail, les chercheurs se penchent sur les moyens technologiques d’améliorer l’équilibre des travailleurs dans ces environnements à haut risque. L’exosquelette du genou (knee exoskeleton), en tant que dispositif portable, est considéré comme une intervention prometteuse pour réduire la charge sur le genou et aider les travailleurs à maintenir leur équilibre dans diverses postures de travail.

L’objectif principal de cette étude est d’explorer l’influence des articulations des membres inférieurs, en particulier celle du genou, sur les stratégies de contrôle de l’équilibre neural en position debout et à genoux. L’étude évalue également l’impact des environnements en hauteur et de l’exosquelette du genou sur l’équilibre postural et la performance des tâches de soudage chez les travailleurs de la construction. Grâce à la réalité virtuelle (VR) et à la réalité mixte (MR), les chercheurs ont simulé des environnements en hauteur et des tâches de soudage, offrant ainsi de nouveaux outils pour étudier les stratégies d’équilibre des travailleurs.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Gayatri Sreenivasan, Chunchu Zhu et Jingang Yi, respectivement affiliés à Purdue University et Rutgers University. L’article a été présenté lors de la 2023 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering du 26 au 30 août 2023 et est prévu pour publication en 2025 dans la revue IEEE Transactions on Automation Science and Engineering.

Processus de recherche

1. Conception expérimentale et modélisation

L’étude a d’abord analysé les stratégies de contrôle de l’équilibre en position debout et à genoux à l’aide de modèles de pendule inversé à plusieurs segments (multi-link inverted pendulum models). Plus précisément, la posture debout a été modélisée à l’aide d’un pendule inversé à trois segments (triple-link inverted pendulum, TIP), tandis que la posture à genoux a été modélisée avec un pendule inversé à deux segments (double-link inverted pendulum, DIP). Ces modèles ont été utilisés pour quantifier les stratégies de contrôle neural de l’équilibre, notamment en analysant le comportement fréquentiel de la hauteur du point d’intersection des forces de réaction au sol (intersection point, IP).

2. Création de l’environnement de réalité virtuelle

Les chercheurs ont utilisé le système de réalité virtuelle HTC Vive Pro pour simuler des environnements de construction en hauteur et ont construit différents scénarios visuels à l’aide du moteur de jeu Unity. Ces scénarios incluaient des environnements de construction à basse altitude (low elevation, LE) et à haute altitude (high elevation, HE). Des tâches de soudage ont également été simulées dans l’environnement virtuel pour évaluer l’équilibre et la performance des travailleurs lors de l’exécution des tâches.

3. Sujets et procédure expérimentale

L’étude a recruté 11 sujets sains (4 femmes, 7 hommes), qui ont participé à des expériences en position debout et à genoux. Chaque sujet a effectué une série de tests dans différentes conditions, notamment : - Protocole A : Évaluation de l’équilibre : Les sujets ont maintenu une posture debout ou à genoux pendant 60 secondes, avec ou sans exosquelette, pour évaluer leur capacité d’équilibre. - Protocole B : Évaluation de la tâche de soudage : Les sujets ont effectué des tâches de soudage dans un environnement virtuel, évaluant ainsi leur équilibre et leur performance lors de l’exécution des tâches.

Les données expérimentales comprenaient les forces de réaction au sol (ground reaction force, GRF), le centre de pression (center of pressure, COP), les accélérations (mesurées par des capteurs IMU) ainsi que les données de fréquence cardiaque. Les chercheurs ont synchronisé et analysé ces données à l’aide de scripts Python personnalisés.

4. Analyse des données et validation du modèle

L’étude a utilisé un régulateur quadratique linéaire (linear quadratic regulator, LQR) comme contrôleur neural de l’équilibre pour quantifier les stratégies d’équilibre des sujets dans différentes conditions. En analysant les courbes de fréquence de la hauteur de l’IP, les chercheurs ont déterminé les stratégies de contrôle de l’équilibre des sujets à différentes fréquences. De plus, les chercheurs ont calculé l’aire de l’ellipse d’accélération (acceleration ellipse area, A_acc) et l’aire de l’ellipse de balancement (sway ellipse area, A_sway) pour quantifier le contrôle dynamique et la stabilité posturale des sujets.

Résultats de l’étude

1. Analyse des stratégies d’équilibre

Les résultats expérimentaux montrent que le genou joue un rôle clé dans le contrôle de l’équilibre en position debout et à genoux. En particulier, dans les environnements en hauteur, l’exosquelette du genou a significativement réduit les oscillations posturales des sujets. Les données spécifiques indiquent que, dans un environnement en hauteur, l’aire de balancement du centre de pression des sujets portant l’exosquelette a été réduite de 62 % en position debout et de 39 % à genoux.

2. Évaluation de la performance des tâches

Lors de l’exécution des tâches de soudage, les sujets portant l’exosquelette ont montré une amélioration significative de leur performance dans les environnements en hauteur. Le taux d’achèvement, la précision et l’exactitude des tâches de soudage se sont améliorés, en particulier dans les environnements en hauteur où l’assistance de l’exosquelette était plus prononcée.

3. Fréquence cardiaque et réponses physiologiques

L’étude a également révélé que les environnements en hauteur entraînaient une augmentation de la fréquence cardiaque des sujets, et que le port de l’exosquelette pouvait atténuer dans une certaine mesure cette pression physiologique. Bien que la signification statistique des variations de la fréquence cardiaque ne soit pas élevée, la tendance suggère que l’exosquelette contribue à réduire le stress psychologique lié aux environnements en hauteur.

4. Validation du modèle et ajustement des paramètres

Grâce à l’ajustement des meilleurs paramètres du contrôleur LQR, les chercheurs ont constaté que les stratégies de contrôle de l’équilibre en position debout et à genoux présentaient des différences significatives. En position debout, les sujets avaient tendance à utiliser des stratégies au niveau de la cheville et du genou, tandis qu’à genoux, ils dépendaient davantage du genou. Ces résultats fournissent des informations précieuses pour la conception des exosquelettes.

Conclusions et implications

Cette étude, grâce à la technologie de réalité virtuelle et aux modèles de pendule inversé à plusieurs segments, a exploré en profondeur le rôle clé du genou dans le contrôle de l’équilibre des travailleurs de la construction et a validé l’efficacité de l’exosquelette du genou dans les environnements de construction en hauteur. Les résultats montrent que l’exosquelette peut non seulement améliorer de manière significative la stabilité posturale des travailleurs, mais aussi améliorer leur performance dans les tâches, en particulier dans les environnements en hauteur. Ces découvertes fournissent une base scientifique pour la conception et l’optimisation future des dispositifs exosquelettiques.

Points forts de l’étude

1. Modélisation innovante : Cette étude utilise pour la première fois des modèles de pendule inversé à trois et deux segments pour quantifier les stratégies de contrôle de l’équilibre en position debout et à genoux, en mettant l’accent sur le rôle du genou.
2. Technologie de réalité virtuelle : Grâce à la VR et à la MR, l’étude a simulé avec succès des environnements de construction complexes, offrant de nouveaux outils pour la recherche sur le contrôle de l’équilibre.
3. Validation de l’application de l’exosquelette : L’étude a validé la valeur pratique de l’exosquelette du genou dans le contrôle de l’équilibre et la performance des tâches des travailleurs de la construction, en particulier dans les environnements en hauteur.
4. Analyse multidimensionnelle des données : L’étude a évalué de manière exhaustive les stratégies de contrôle de l’équilibre des sujets grâce à l’analyse fréquentielle de la hauteur de l’IP, des aires d’accélération et de balancement.

Autres informations utiles

Les chercheurs ont également souligné que les études futures pourraient élargir le pool de sujets pour inclure des travailleurs de la construction expérimentés et introduire des mesures physiologiques plus directes (comme l’électromyographie, EMG) pour approfondir l’analyse de l’effet de l’exosquelette sur l’activation musculaire. De plus, le développement de systèmes de contrôle adaptatifs capables de répondre en temps réel aux changements d’équilibre constitue une direction de recherche importante pour l’avenir.