Volting ˸ un fauteuil roulant et une interface homme-machine pour l’activité physique

Volting ˸ a wheelchair and human-machine interface for physical activity

• Auteur / Autrice : Juan Carlos Martinez rocha
• Direction : Eric Monacelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 28/01/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Magoulès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - RI - Robotique Interactive
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Magoulès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Magoulès, Patrick Hénaff, Yann Morère, Krista Best, Yasuhisa Hirata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Hénaff, Yann Morère
• DOI : 10.70675/443e5d48z16bdz43f4z9d66z2689dc3732e8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Fauteuils roulants

Interaction humain-machine

Mots clés libres

Robotique

Fauteuils roulants intelligents

Interaction homme-Machine

Aide à la mobilité

Activité physique adaptée

Danse en fauteuil roulant

Robotics

Smart wheelchairs.

Human-Machine interaction

Mobility assistance

Adapted physical activity

Wheelchair Dance

Résumé

Cette thèse présente Volting, une nouvelle fauteuil roulante motorisée conçue pour redéfinir la mobilité et promouvoir l'activité physique grâce à une interface homme-machine basée sur lesgestes. Développé dans le cadre des Activités Physiques Adaptées (APA), le projet Volting répond directement aux limites des dispositifs de mobilité traditionnels, souvent peu adaptés aux contextes récréatifs et dynamiques tels que la danse en fauteuil roulant (WD). En mettantl'accent sur l'inclusivité et l'adaptabilité, ce design innovant permet aux utilisateurs d'interagir intuitivement avec le fauteuil roulante par des gestes naturels du corps.Le design mécanique intègre des fonctionnalités telles qu'un système de suspensiondynamique et un mécanisme de siège coulissant, permettant aux utilisateurs d'effectuer des mouvements complexes tout en maintenant stabilité et confort. Le système de commande basésur les mouvements corporels utilise des unités de mesure inertielle (IMU) positionnéesstratégiquement sur le corps de l'utilisateur. Ces capteurs capturent les données de mouvement en temps réel et calibrent la posture et l'amplitude des mouvements de l'utilisateur, traduisantainsi l'intention en commandes de contrôle précises. Des essais expérimentaux ont confirmé l'efficacité du système dans le suivi et la navigation en fonction des inclinaisons de l'utilisateur, tout en garantissant sa sécurité. Les simulations du système en tant que robot mobile ermettent une future mise en oeuvre de stratégies complémentaires pour un suivi précis destrajectoires. Pour améliorer l'interaction entrel'utilisateur et le fauteuil roulante, cette étude intègre des techniques de traitement du signal de pointe et des algorithmes d'apprentissage automatique, atteignant une précision de classification des gestes allant jusqu'à 97 % pour divers mouvements. De plus, la thèse explorel'apprentissage contrastif, une méthodologie visant à améliorer la différenciation entre les gestes appris et les gestes nouveaux, démontrant son potentiel à surpasser les techniques de classification traditionnelles.Ce travail s'intéresse également aux implications plus larges de l'intégration de la robotique et de l'apprentissage automatique dans les APA, montrant comment la technologie peut être utilisée pour encourager l'activité physique, l'expression de soi et l'inclusion sociale. En combinant l'assistance à la mobilité avec des opportunités d'engagement récréatif et artistique,le fauteuil roulante Volting propose une solution transformative visant à améliorer l'autonomie et la qualité de vie des personnes en situation de handicap, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en robotique d'assistance et en design inclusif.

This thesis presents Volting, a novel powered wheelchair designed to redefine mobility and foster physical activity through a gesture-based humanmachine interface. Developed within the scope of Adapted Physical Activity (APA), the Volting project directly addresses the limitations of traditional mobility devices, which often lack versatility in recreational and dynamic contexts, such as wheelchair dance (WD). By prioritizing inclusivity and adaptability, this innovative design enables users to interact with the wheelchair intuitively through natural body gestures. The mechanical design incorporates features such as a dynamic suspension system and a sliding seat mechanism, which allow users to perform complex movements while maintaining stability and comfort. The body motion-based control system implements inertial measurementunits (IMUs) strategically positioned on the user's body. These sensors capture real-time motion data, and calibrate the user's posture and movement range enabling the translation of user intent into precise control commands. Experimental trials confirmed the system's effectiveness in following and navigate in function of the user's leanings while maintaining user safety. Simulations of the system as a mobile robot mobile robot allow for future implementation of precise trajectory tracking as a complementary strategy control. To enhance the user-wheelchair interaction the study integrates state-ofthe- art signal processing techniques and machine learning algorithms, achieving gesture classification accuracies of up to 97% for various gestures. Additionally, the thesis explores contrastive learning, a methodology to improve the differentiation between learned and novel gestures, demonstrating the potential to surpass traditional classification techniques. This work also delves into the broader implications of integrating robotics and machine learning into APA, showcasing how technology can be leveraged to promote physical activity, self-expression, and social inclusion. By combining mobility assistance with opportunities for recreational and artistic engagement, the Volting wheelchair offers a transformative solutionthat seeks for enhancing autonomy and quality of life for individuals with disabilities, paving the way for new directions in assistive robotics and inclusive design.