IMA3/IMA4 2018/2020 P18

Présentation générale

Point important

Le projet a été proposé pour venir en aide à Florian, un adolescent malvoyant de 16 ans suivi à l'Institut d’Éducation Motrice (IEM) de Lille. Le dispositif et les choix de fonctionnement dépendent donc des besoins spécifiques de cet utilisateur. Nous avons eu l'occasion de le rencontrer le 7 mai 2019 et de mieux appréhender ce qu'il attendait du projet.

Ainsi notre travail avant cette date a été fait en supposant en grande partie les besoins de l'adolescent avec qui nous n'avions pas eu de contact préalable. Dans la suite, se trouve notre interprétation première du projet puis les modifications suite à la rencontre.

Description

Le projet consiste à réaliser un dispositif permettant le déplacement en toute sécurité et autonomie d'une personne malvoyante. Le dispositif donne la possibilité de se déplacer sur des terrains aussi bien plats qu'accidentés sans autre aide extérieure. Placé sur son l'épaule, la personne malvoyante est en mesure de se diriger par l'intermédiaire des commandes vocales et des pressions, rappelant celles d'une main d'un accompagnateur humain, qu'elle reçoit du dispositif.

• Suite à la rencontre, nous avons appris que le dispositif sera utilisé uniquement dans un contexte de promenades en forêt ou en montagne.

Objectifs

Le dispositif permet à la personne malvoyante une grande autonomie en étant prévenue lorsqu'un obstacle se présente à elle - qu'il soit fixe ou mobile - et lui indique comment l'éviter ou le contourner. Il s'agit d'être une alternative accessible à tous aux solutions existantes telles que les cannes ou les chiens guides, en étant aussi performante tout en apportant un aspect humain via les pressions sur l'épaule. Tout en conservant l'autonomie, la sensation sécurisante d'avoir une personne à ces côtés est présente. Cela est notamment important pour les enfants qui se sentent souvent plus rassurés avec un accompagnateur.

• L'adolescent n'utilise pas de dispositif d'aide au déplacement (ni canne, ni chien guide). Il n'est pas en mesure d'appréhender le relief, mais il parvient à se déplacer seul sur un terrain plat et dans un environnement connu. En cas de dénivelé il a besoin de la présence d'un accompagnateur près de lui et se déplace avec appréhension. Le but du dispositif est alors d'indiquer la différence de relief immédiat et la présence d'obstacles au sol en conservant le côté rassurant des pressions sur l'épaule et préventif par le biais indications sonores.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Plusieurs dispositifs permettent de réduire l’appréhension du monde par les personnes malvoyantes. En effet, l'environnement, dans lequel on évolue, regorge d'obstacles mobiles ou non. Une rapide analyse est alors nécessaire pour augmenter la sécurité des utilisateurs. Tout d'abord, l'Homme semble être le plus adapté à évoluer dans la société, il se révèle alors être l'accompagnant le plus sécurisant. Cependant cela réduit considérablement l'autonomie de l'individu et reste coûteux si cette assistance est professionnelle. Une alternative peut être l'appel à un animal, tel que le chien, qui offre plus d'autonomie. Des alternatives technologiques existent. Par exemple, le boîtier BuzzClip qui permet de détecter les obstacles; néanmoins il détecte seulement les obstacles à la hauteur de son installation. Ou encore, l'Ultracane qui permet le signalement d'obstacles dans l'axe de la canne.

Analyse du premier concurrent

Nos premiers concurrent sont les chiens d'aveugles.

Le chien est reconnu pour sa sensibilité à l’environnement et aussi sa fidélité à son maître. Le dressage lui permet d'analyser et de réagir, tout en prévenant son maître, à une situation particulière. Cependant cette formation a un coût élevé : de 15 000 euros à 19 000 euros. L'animal demande aussi une attention supplémentairement (vétérinaire, nourriture...). De plus, l'accompagnement d'un animal peut être limité ou interdit dans certains lieux ce qui peut diminuer la liberté de l'utilisateur dans ses mouvements.

Analyse du second concurrent

Notre deuxième concurrent est l'Ultracane.

La cane est répandue pour sa facilité d'utilisation. L'Ultracane permet, de plus, de détecter les obstacles à moins de 4 mètres (environ 2 mètres au bout de la canne qui mesure 1,60 mètre) grâce à la technologie des ultrasons. Un obstacle se traduit par des vibrations dans la canne pour prévenir l'utilisateur. Cependant ces obstacles doivent se situer dans l'axe de la canne. Ceci force alors l'utilisateur à mettre en mouvement sa canne autour de lui ce qui peut diminuer la compréhension des vibrations ; mais aussi porte l'attention sur le malvoyant. Ainsi, ce dispositif permet une autonomie complète, une sécurité plus ou moins établie, néanmoins l'utilisation n'est pas discrète.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Dans notre scénario d'usage on prend le cas d'une jeune malvoyante nommée Léa. Elle désire un moment de solitude et décide de s'aventurer dans la foret. Pour autant elle veut se sentir en sécurité face à d’éventuels obstacles ou imprévus sur son chemin. Elle active alors son "système d'aide au déplacement", le pose sur son épaule et commence sa promenade. Après une semaine particulièrement pluvieuse et venteuse, la foret est pleine d'obstacles. Dès l’entrée de Lea sur le sentier, celle-ci ressent une pression au milieu de son épaule et entend "attention obstacle en hauteur", elle comprend qu'elle doit être vigilante par rapport à un obstacle tel qu'une branche et lève donc sa main pour la repousser. En s'aventurant plus profondément, elle ressent des pressions successives sur son épaule et entends "attention obstacle mobile à gauche à 40m". Elle s’arrête alors, recule et prends la meilleure décision pour contourner l'obstacle en toute sécurité sachant que si l'obstacle représentait encore un danger, son "système d'aide au déplacement" lui aurait signalé sa présence par un nouveaux signal auditif. Elle continue donc sa promenade en suivant les pressions (gauche, droite, vers le bas) et indications de son "système d'aide au déplacement" par rapport aux différents obstacles et le type de terrain (exemple "attention obstacle en hauteur" ou "terrain en pente glissant"...). Léa a donc pu profiter d'une après midi très apaisante, en autonomie complète grâce a son "système d'aide au déplacement". Elle se relevera demain pour une nouvelle aventure en ville ou en campagne toujours guidée par son "système d'aide au déplacement".

Question(s) difficile(s)

• Comment gérer l'autonomie du dispositif pour éviter à l'utilisateur de devoir le recharger trop régulièrement ?

• Comment réduire l'encombrement du dispositif pour une utilisation aussi discrète que possible ?

Réponse à la question difficile

• Le dispositif étant destiné à un usage occasionnel, sur la durée d'une balade ou d'une petite randonnée soit une à quatre heures, il peut y avoir deux solutions. L'usage de piles à recharger ou d'une batterie externe légère peut-être envisagé.

• Nous avions envisagé un patch pour une utilisation discrète. Néanmoins, suite à la rencontre avec l'adolescent, un dispositif sous forme de main placé sur un harnais ne le gêne pas. Il s'agit donc de placer l'ensemble du dispositif sur le harnais. La mains étant imprimée en 3D, la taille est réglable pour correspondre aux dimensions l'épaule de l'adolescent. Lors des semestres 7 et 8, nous réaliserons un PCB pour limiter au maximum la place occupée par les différents composants électronique ce qui permettra de réduire l'encombrement qui en découle.

Préparation du projet

Cahier des charges du groupe

Notre dispositif doit permettre d'aider une personne malvoyante à se déplacer. Il est constitué de deux parties communicant entre elles par Bluetooth. La première est placée sur l'épaule et sert à prévenir l'utilisateur de la présence d'obstacles par l'intermédiaire de vibrations et d'indications vocales. Elles proposent également à l'utilisateur un moyen de les éviter. La seconde partie contient les capteurs servant à analyser l'environnement. Ils doivent permettre de détecter des obstacles immobiles proches et ceux en mouvement, déterminer la présence de dénivelé (capteur de distance). Éventuellement de déterminer où se situent les limites de la route ou du chemin qu'emprunte l'utilisateur (par traitement d'images).

À l'issue du semestre 6 :

• Réaliser un prototype du dispositif en vue d'une rencontre avec l’ergothérapeute à l'origine du sujet et l'adolescent malvoyant et leur présenter nos deux idées de dispositif. La présentation nous permettra d'avoir des retours sur notre vision du projet et de l'adapter concrètement aux besoins de l'utilisateur durant la quatrième année, par exemple en ne gardant qu'une seule version ou en les combinant.
  • La première version est un dispositif discret sous la forme d'un patch à placer sur l'épaule. Il guide par le biais de vibrations (moteurs vibrants) dans la direction à emprunter accompagnées par des informations sonores sur l'environnement, la nature de la position des obstacles. En cas de danger imminent l'utilisateur est prévenu par une alerte sonore couplée aux vibrations.
  • La seconde est une main réalisée à l'imprimante 3D dans le but de conserver l'aspect rassurant de la main d'un accompagnateur. Comme le patch elle utilise les vibrations. La main applique des pressions sur l'épaule en cas de détection d'un danger et est légèrement chauffante pour rappeler le contact humain.

Modification du cahier des charges suite à la rencontre avec l'adolescent

• La détection d'obstacles en hauteur, mobiles ou immobiles n'est plus une priorité. Le dispositif doit avant tout prévenir du changement de relief.
• Le côté chauffant de la main ou du patch n'est pas souhaité par Florian.
• Les deux dispositifs pourront être combinés. La main avec les pressions pouvant se placer sur un manteau et être utilisée même par temps froid. Le patch avec les vibrations disposé sur l'épaule ou un t-shirt.

Projet IMA4 :

• Réaliser le dispositif sous ses deux formes, le patch et la main, qui pourront se combiner.
  • La main effectue des pressions plus ou moins importantes en fonction du danger et peut se placer sur un manteau
  • Le patch vibre selon les obstacles et peut se placer sur la peau ou un t-shirt
• Faire le choix définitif des capteurs à utiliser.
• Associer la partie détection de l'environnement par les différents capteurs au patch et à la main grâce à une liaison directe ou Bluetooth.
• Réaliser la partie indications sonores :
  • Liaisons avec les capteurs et la main ou le patch
  • Enregistrement des phrases types
  • Utilisation d'oreillettes

Cahier des charges des équipes

Equipe 1: Travail sur le dispositif (main et/ou patch)

La partie principale de notre projet consiste a élaborer un dispositif portable permettant de guider une personne malvoyante, celui ci doit être :

• Portable et léger (cette partie doit pouvoir être positionnée sur l’épaule d'un adolescent de 16 ans)
• Peu encombrant mais solide : Le dispositif sera utilisé lors de balades en foret, donc d'activités physique; il doit donc être suffisamment solide et stable pour résister a l’activité et aux mouvements de l'enfant sans le gêner.
• Discret et esthétique.
• Remplacer tout ce que la main humaine représente de part son cote rassurant (chaleur), ses indication (indications sonores) et ses pressions face a un danger.

Equipe 2: Travail Capteurs

La seconde partie du projet et la plus technique est la captation de l'environnement. Notre dispositif doit:

• Capter l'environnement de la personne malvoyante
• Mesurer la distance séparant l'utilisateur a l'obstacle
• Analyser les données observées pour déterminer la nature de l'obstacle, sa position et comment l’éviter
• Communique avec la deuxième partie du projet pour transmettre, a l'utilisateur, les bonnes informations (les plus utiles, pour que l'adolescent puisse correctement les interpréter)

Liste des tâches à effectuer

Equipe 1: Travail sur le dispositif (main et/ou patch)

Projet S6:

L'objectif a la fin de ce semestre est d'avoir un premier prototype fonctionnel expliquant le fonctionnement général du projet:

• Effectuer des recherches pour trouver une matière suffisamment souple pour se posée discrètement sur l’épaule et fine pour faire passer les vibrations.
• Trouver un design de main articulée à imprimer en 3D
• Élaborer le code pour que le dispositif réagisse en fonction des indication extérieurs:
  • Main : la main en 3D doit se resserrer lorsqu'un obstacle est trop proche, les moteurs vibrant qui lui sont intégrés doivent vibrer en indiquant vers quelle direction est l'obstacle.
  • Patch : Le patch fonctionne comme les tableaux a LED : en fonction de la position de l'obstacle , une partie des moteurs vibreurs vont s'activer pour indiquer a l'utilisateur la provenance de l'obstacle (pour lui permettre de réagir) exemple: si l'obstacle est devant a gauche, seule une partie spécifique des moteurs ( a gauche vers arrière de l’épaule ) seront mobilisés.
• Trouver le microprocesseur adapter pour avoir le dispositif le moins encombrant (arduino = trop gros) réunissant toutes les fonctions nécessaires:
  • il doit commander une vingtaine de moteurs vibrants
  • Doit avoir la possibilité de communication en bluetooth (intégrée ou a l'aide d'un module à commander)
• Penser au design final du dispositif et étudier sa stabilité sur l’épaule de l’adolescent

Projet IMA4

A la fin de cette année, le dispositif doit être complètement fonctionnel et adapté aux besoins de Florian A FAIRE:

• Imprimer la version finale de la main 3D
• Sourcing: Commander tous les composants nécessaires pour faire le patch ET la main.
• Mettre en place la connexion bluetooth ou la communication directe (câble) pour envoyer les indications sonores
• Compléter le code pour que le dispositif réagisse correctement au données envoyées par la partie capteur
• Programmer le microprocesseur pour commander le patch
• Faire évoluer le design final du dispositif pour qu'il soit le plus stable et adaptable a la personnalité, aux envies et besoin de Florian.

Equipe 2: Travail Capteurs

Projet S6:

L'objectif de ce semestre est de réunir dans un rapport clair une étude des différents capteurs présents sur le marché.

• Identifier les capteurs potentiellement intéressants pour le projet
• Pour chaque capteur expliciter:
  • Le principe de fonctionnement (technique)
  • Utilisation
  • Le type de données renvoyées
  • Comment récupérer et analyser les données renvoyées par le capteur (traitement des données)
  • Leur poids et prix

Projet IMA4

L’élaboration de la partie capteur sera le plus gros enjeux de cette année. On devra:

• Se baser sur l'étude effectuée au S6 pour sélectionner le meilleur capteur pour la problématique de Florian (principalement la détection des reliefs)
• Implémenter le processus de traitement de données
• Implémenter le processus de communication avec le dispositif sur l’épaule (communication bluetooth ou directe)
• Création du boitier + harnais contenant tout le dispositif de captation

Calendrier prévisionnel

Le calendrier prévisionnel peut se concrétiser sous la forme d'un diagramme de GANTT.

Réalisation du Projet

Projet S6

Semaine 4

Réflexion

Réflexion sur la forme et le comportement du dispositif.

Nous envisageons un patch qui se placerait sur l'épaule et un capteur au niveau de la poitrine tenu par un harnais par exemple pour un plus grand angle de détection.

Division du travail entre les recherches sur les types de capteurs dont on aurait besoin et la forme à adopter pour le dispositif.

• Patch : La prévention d'obstacle se ferait par l'intermédiaire de moteurs miniatures vibrants Photo et par un signal sonore. Pour que ce soit plus discret, nous pourrions utiliser une oreillette. Les données du capteur seraient transmises via des modules Bluetooth

Recherches sur le fonctionnement des moteurs vibrants et du module Bluetooth.

• Capteur : idée → détecter les obstacles à l'aide d'un Lidar

Recherches sur son fonctionnement et comment exploiter les données récupérées.

Semaine 5

Séance design

Lors de cette séance, nous avons rencontré une intervenante extérieure pour centrer notre projet autour de l'utilisateur.En effet, notre dispositif est destiné à être utilisé par un adolescent malvoyant, il est donc primordial de se mettre à sa place pour développer une solution pertinente.

La séance a commencé par une réflexion de groupe pour décrire notre projet et en donner nos perceptions. Cela nous a permis de nous rendre compte que si nous avions la motivation d'aider l'adolescent, nous étions déjà focalisées sur les solutions techniques. Il est important de prendre en compte que l'utilisateur peut s’être adapté et qu'il est trouvé une alternative à une fonction de notre dispositif, elle deviendra alors inutile.L'usager doit rester un point central.

À partir des informations du aux recherches, observations et rencontres, il s'agit de dégager les traits caractéristiques pour obtenir un usager type. C'est l'étape de la collecte. Nous avons eu ensuite la présentation de plusieurs méthodes a fin de réutiliser ces données pour mieux comprendre notre utilisateur :

• le Persona : fiche de présentation détaillée de l'utilisateur type qui doit constituer sa réalité reflétant sa personnalité,ses activités. Cette fiche a pour but de mettre en évidence les problématiques de l'utilisateur en lien avec sa fragilité.
• carte d'empathie : fiche décrivant toutes les sensations de l’utilisateur, ce qu’il entend, voit, dit, ressent, pense…

Après avoir mis l'usager au centre de notre réflexion, on peut établir un meilleur scénario d'usage.Ce dernier peut être réalisé sous différentes formes : un texte narratif, une bande dessinée ou un storyboard, une vidéo...

Pour appréhender de manière plus concrète notre scénario d'usage, nous avons testé la méthode Lego® Serious Play®. À l'aide d'un nombre limité de pièces de Lego nous avons recréé le scénario d'usage, ce qui nous a permis de réfléchir à certains cas particuliers que nous n'avions pas envisagé. Par exemple en cas d'obstacle mobile, comment notre dispositif doit réagir. À l'issue de cette séance, une rencontre avec l'adolescent semble indispensable afin de répondre pleinement au cahier de charge.

Semaine 6

Capteurs

Réflexion sur le type de capteur que l'on pourrait utiliser :

1. Capteur de distance :

• capteur à ultrasons HC-SR04 (celui utilisé habituellement avec un arduino) : renvoie la distance d'un obstacle immobile ou mobile (on peut en déduire la vitesse)

• capteur laser LIDAR-Lite v3 : même utilisation que le capteur à ultrason, permettrait d'avoir plus de précision

Pour que les capteur de distance prennent en compte une plus large partie de l'environnement, nous réfléchissons à placer le capteur sur un servomoteur. Ainsi le capteur pourrait pivoter de haut en bas et prendre en compte la présence d'obstacles à la hauteur de la personne et les changements de dénivelé, les trous.

2. Camera :

• détecter les formes dans le but de différencier un trou d'un rocher par exemple, éventuellement nommer les obstacles, pour que l'utilisateur se repère mieux (annonces vocales type : Attention, trou à 1m)

• détecter les zones de couleurs (par exemple en forêt : différencier un chemin gris du vert des plantes)

En utilisant une camera, se pose les questions de consommation et de puissance de calcul pour traiter les images en temps réel.

Semaine 7

Eventuellement créer des sous-pages par équipe avec le compte-rendu des réunions de groupe sur cette page principale.

Sélection d'un modèle de main pour l'impression 3D.

[1]

Code mesure de distance et alimentation du moteur vibreur.

[2]

Semaine 8

code servo // Sweep // by BARRAGAN <http://barraganstudio.com> // This example code is in the public domain.

1. include <Servo.h>

Servo myservo; // create servo object to control a servo

               // a maximum of eight servo objects can be created 

int pos = 0; // variable to store the servo position

void setup() {

 myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object 

}

void loop() {

 /*for(pos = 0; pos < 360; pos += 1)  // goes from 0 degrees to 180 degrees 
 {                                  // in steps of 1 degree 
   myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 
   delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 
 } */
 for(pos = 0; pos>=-180; pos-=1)     // goes from 180 degrees to 0 degrees 
 {                                
   myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 
   delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 
 } 

}

Semaine 10

Nous avons la main imprimée en 3D. La taille de l'encoche accueillant les servomoteurs étant trop juste nous sommes allées travailler au Fabricarium. Les différentes parties de la main sont assemblées (la paume, les quatre doigts, les élastiques servant à serrer les doigts, les servomoteurs) et reliés entre eux. Nous avons testé le code pour faire fonctionner la main.

Un membre du groupe se charge de réaliser un support pour présenter le prototype à la famille de l'adolescent et Mme Marion Binninger, l'ergothérapeute à l'origine de la proposition du sujet.

Semaine 11

Semaine 12

Rencontre avec Florian

Nous nous sommes rendu à l'Institut d'Education Motrice de Lille,école spécialisée Jules Ferry, afin de rencontrer Florian. Dans une première approche, nous nous sommes présentés afin de faire connaissance. Nous avons alors pu en savoir un peu plus sur les spécificités du handicap de Florian. Ce dernier ne distingue pas les reliefs. En effet, lorsqu’il se promène,son accompagnateur doit lui indiquer lorsqu'un trou ou un rocher se trouve sur le chemin. Seul, Florian peut marcher sur un chemin large, néanmoins il longe le côté pour se rassurer.L'indication exacte des distances n'est pas utile. Florian porte un corset, notre dispositif doit donc s'y adapter, un harnais semble être une bonne option.

Nous lui avons ensuite présenté une vidéo qui met en scène notre dispositif et aussi notre prototype de main. Florian semble préférer la main au patch. Certaines remarques de ce dernier nous permettent d'affiner notre cahier des charges. Florian possède une sensibilité qui devra être prise en compte au niveau des vibrations des moteurs vibrants. Florian démontre une certaine appréhension concernant la puissance de la main lorsque cette dernière exerce une pression. Ainsi,nous devrons alors être capable de régler la puissance de la main ainsi que la vitesse de vibration des moteurs vibreurs. De plus, il a été décidé que ces deux paramètres devront être proportionnels au danger. A noter que l'idée d'un fil chauffant n'est pas utile selon l'accompagnatrice de Florian. Florian donne au système audio une place très importante. Florian est un adolescent qui réagit vite selon son accompagnatrice et connaît parfaitement sa droite et sa gauche.Il sait alors se situer dans l'espace. Ainsi les indications apportées par l'audio peuvent être des phrases construites et précises. Florian aimerait que la voix soit celle d'un garçon de son âge, 16 ans, et aussi deux oreillettes.Le volume des indications doit être progressif en fonction du danger. Par exemple lorsque l'obstacle s’approche, le son augmente. De plus, Florian possède un téléphone, on pourra donc avoir accès au GPS.Ceci nous permettra d’améliorer notre dispositif. En effet,on pourra penser qu'en cas de danger important la géolocalisation permettra de prévenir un responsable.Un téléchargement de la carte du parcours désiré par Florian peut être effectué pour indiquer, rassurer ou même optimiser un parcours avec le moins de danger possible.