L'instabilité des usagers de fauteuil roulant est un paramètre important à considérer, tant au point de vue sécurité, confort, autonomie que des problèmes de douleur ou de déformation associés à une posture inadequate. Différents types d'aides techniques à la posture ont été créés afin d'améliorer entre autres la stabilité des usagers. L'apport de ces aides est cependant difficile à comparer, peu d'études existant actuellement sur la stabilité des usagers de fauteuil roulant, la plupart testant la stabilité du fauteuil seulement.

Les objectifs de ce projet sont de développer un modèle cinématique de l'interaction usager-fauteuil roulant et de l'exploiter afin de comparer la stabilité apportée par différentes aides techniques à la posture. Le modèle réalisé à l'aide du logiciel ADAMS (Mechanical Dynamics Inc.) est composé d'un androïde, du fauteuil roulant et des aides techniques à la posture (assise et différents types de dossiers). L'androïde est modélisé par 15 ellipsoïdes rigides liés par des articulations simples (rotules et pivots). Les propriétés inertielles de ce modèle ont été adaptées de celles d'un mannequin HYBRID III développé dans l'industrie automobile. Les propriétés des articulations sont modélisées par des ressorts couplés à des amortisseurs. Les valeurs de raideurs et d'amortissements ont été adaptées de valeurs tirées de la littérature. La géométrie des aides techniques à la posture a été acquise à l'aide d'un bras numérisateur 3D, puis modélisée par des surfaces planes rectangulaires. Ces surfaces servent à définir les contacts entre l'androïde et les éléments de posture du fauteuil.

Un ensemble de simulations a été mené dans le but de comparer la stabilité offerte par différents types de dossiers. La première consistait en la montée d'un plan incliné latéralement de 10 degrés à une vitesse constante de 1.4 m/s. Deux indices de stabilité de l'usager ont été mesurés sur un sujet et comparés à ceux obtenus par simulation :​ l'inclinaison du tronc dans le plan frontal (TLT) et la rotation des épaules dans le plan transverse (TTR). Quatre niveaux de raideurs des articulations ont été testés afin de déterminer leur influence sur le modèle. Parallèlement, une étude de sensibilité a permis de tester l'influence de chaque articulation sur les résultats de simulation, montrant une grande importance des valeurs de raideur associée à l'articulation de la hanche. Deux dossiers ont été comparés en terme de stabilité :​ un dossier standard et un dossier profilé ayant des appuis thoraciques situés dans la partie supérieure du dossier. L'adéquation trouvée entre les résultats expérimentaux et la simulation (différence de 1.3 degré pour l'indice TLT et de 2 degrés pour l'indice TTR) a permis de choisir le niveau de raideur utilisé lors de la deuxième étude. Celle-ci a permis de montrer que le dossier le plus stable est celui qui possède l'appui thoracique situé le plus haut.

La deuxième étude a porté sur la comparaison de la stabilité apportée par 4 différents dossiers de fauteuils roulants manuels (dossier à tensions ajustables d'Orthofab Inc., Jay de Jay Medical Ltd., Apex de Promed Inc., Dossier contour flexible de Promed Inc.) d'une part à l'aide une étude expérimentale réalisée sur 10 sujets handicapés (blessés médulaires) et d'autre part par des simulations à l'aide du modèle. Le sujet était placé sur un fauteuil fixé à une plate-forme, qui est inclinée latéralement à une vitesse d'environ 0.3 degré/s à l'aide d'un cric jusqu'à ce que le sujet se sente tomber. Il est alors retenu par un assistant de recherche et la plate-forme est redescendue. La position de 6 marqueurs placés sur le sujet et les structures du fauteuil a été enregistrée tout au long de l'expérimentation et a permis de calculer l'inclinaison du tronc dans le plan frontal (TLT). Le modèle et les résultats expérimentaux mènent au même classement des dossiers en terme d'angle maximal de plate-forme atteint:​ le dossier à tensions ajustables donne les angles les plus faibles, le dossier Jay les plus grands et les deux autres dossiers des résultats intermédiaires équivalents. La courbe calculée par le modèle pour l'indice TLT en fonction de l'angle de la plate-forme se situe dans l'aire délimitée par les courbes expérimentales.

Les résultats obtenus indiquent que l'approche de modélisation développée permet de considérer le modèle comme un outil pour la comparaison des aides techniques à la posture existantes et l'aide au design en réduisant le nombre et le coût de prototypes à fabriquer.

Trunk instability is a common problem among wheelchair users, which has to be taken into account for the security, comfort and autonomy of the user, and also for the pain and deformity of the spine. Different types of assistive devices were designed to deal with this problem. However it is difficult to compare the stability provided by these seating devices, due to the lack of publication in the field, most of the studies dealing with the wheelchair stability itself.

The main goals of this project are to develop a kinematic model of a wheelchair user and his interface with the seating devices, and to compare different types of backrests and cushions. The model created using the ADAMS software (Mechanical Dynamics Inc.) is composed of an android, a wheelchair and the seating devices (seating cushions and different types of backrests). The android is modeled by 15 rigid ellipsoids segments linked by simple articulations (spherical or revolute joints). The inertial properties are adapted from a HYBRID III crash-test dummy. Articulation properties are modeled by springdampers, the values of stiffness and damping being taken from the literature. The geometry of the seating devices is obtained by a 3 D digitizer system and is then meshed with rectangular surfaces. These surfaces are used to determine contacts between the android and the seating devices.

Simulations were done to compare different types of backrests. The first one consisted of a translation on a 10 degrees laterally tilted pathway at a constant speed (1.4 m/s). Two indices were computed:​ the trunk lateral tilt (TLT) and the trunk transverse rotation (TTR). Four different stiffness levels were tested in order to determine their influence on the model. A sensivity study has also been performed to highlight the influence of each articulation on the model, showing that the hip stiffness had a great influence on the stability indices. Two backrests were compared in term of stability:​ a standard backrest with a lateral support in the lumbar region and a "sharper" backrest with a large lateral support in the lower thoracic region. These results were compared to a similar experiment made on an able-bodied subject. Adequation was found between the two sets of results (difference of 1.3 degree for the TLT and 2 degrees for the TTR index) and permitted to choose the stiffness level that was used afterwards. The study leads to the observation that the "sharper" backrest is more stable than the standard one.

A second study was made to compare the stability provided by four backrests (adjustable tension backrest by Orthofab Inc., Jay by Jay Medical Ltd., Apex by Promed Inc., flexible contour backrest by Promed Inc.) used in manual wheelchair, first by an experimental study on ten subjects, then by simulations using the computer model. The subject was placed in a wheelchair fixed to a platform, which was laterally inclined at an approximate speed of 0.3 degree/s using a lifting jack until the subject felt he was loosing his balance. A research assistant then restrained him and the plat-form was tilted down. Markers were put on the user and the wheelchair structure and tracked, which allows to calculate the trunk tilt in the lateral plane (TLT). The model predicted the same backrest classification as the experiment in term of maximum platform tilt angle:​ the adjustable tension backrest gave the lowest value, the Jay the highest, the two others gave equivalent intermediate results. The simulated TLT curve, as function of the platform tilt angle, is located in the area delimited by the experimental curves.

Results obtained support the modeling approach and allow considering the model as an adequate tool for comparing different backrests and for the design of novel seating aids, implying less trials and manipulations.