Conception, fabrication et mise en œuvre d’un simulateur de genou

Résumé

Objectifs : L’objectif principal de ce mémoire est de concevoir, réaliser et entamer la validation d’un simulateur de genou robotisé capable d’imiter un mouvement de marche de manière automatisée. Ce dispositif a pour vocation de servir d’outil de calibration afin de valider des méthodes de mesures angulaires utilisant les capteurs inertiels. Méthodologie : Le projet a débuté par la conception mécanique et électrique complète du simulateur, incluant le choix des matériaux, l’intégration de cinq moteurs électriques et la mise en place d’une architecture de commande basée sur Matlab/Simulink et un microcontrôleur Raspberry Pi. La communication entre le contrôleur et les moteurs a été assurée via le protocole CAN. Un modèle Simulink a été développé pour gérer la génération des signaux de déplacement angulaire de la hanche et du genou lors de la marche, le retour à zéro du simulateur et l’exécution du profil de marche. Enfin, une vérification expérimentale a été menée en deux étapes: une vérification interne, reposant sur les retours CAN des moteurs, puis une vérification externe par capture optoélectronique (OptiTrack). Résultats : Les résultats ont montré que le simulateur est capable d’imiter les trajectoires de déplacement angulaires de marche programmées, avec un suivi en position. La vérification interne a confirmé la cohérence entre les consignes envoyées et les positions mesurées par les moteurs, avec une erreur moyenne absolu inférieure à 1° et un écart maximal de 2°. La vérification externe, réalisée à l’aide du système OptiTrack, a permis de comparer les déplacements angulaires mesurés par le simulateur avec ceux issus de données biomécaniques angulaires de référence, confirmant une bonne cohérence globale entre les profils de marches. Certains artefacts ont été observés, principalement liés à la transmission CAN, mais ils n’ont pas influencé de manière notable la forme générale des trajectoires angulaires (variation inférieure à 1 % de l’amplitude totale). Conclusion : Ce mémoire a permis de démontrer la faisabilité mécanique d’un simulateur de genou robotisé pour la reproduction contrôlée de mouvements de marche. La solidité et la stabilité de la structure ont été évaluées à partir des analyses de couple et de contraintes réalisées sous SolidWorks, confirmant la capacité de la structure à supporter les efforts générés par les moteurs sans déformation significative. Le dispositif offre un protocole reproductible et constitue une plateforme pertinente pour la calibration et la vérification de capteurs inertiels ou de tout autre système de mesure. Des perspectives d’amélioration ont été identifiées, notamment en matière de réduction des erreurs de transmission et d’optimisation logicielle, afin de renforcer la précision et la fiabilité du simulateur.

Date	10 déc. 2025
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicola Hagemeister (Directeur(-trice)) & Rachid Aissaoui (Codirecteur(-trice))