En France, plus de 2 enfants sur 1000 naissent avec une « Paralysie Cérébrale », provoquée par des lésions au niveau cérébral. Cette pathologie non-évolutive, entraine des troubles de la motricité et du processus attentionnel. Certains de ces enfants n’ont pas accès au fauteuil roulant électrique pour des raisons de sécurité, car susceptibles de commettre des erreurs dangereuses de pilotage. Ils n’ont donc pas accès à l’autonomie et se déplacent en fauteuil manuel poussé par une tierce personne. Or, aujourd’hui les études médicales du domaine font consensus sur la nécessité de l’accession au déplacement autonome, indispensable pour le développement personnel, intellectuel et la participation sociale de toute personne, handicapée ou non. Ce travail de thèse a pour but de développer un système optronique adaptable, permettant de transformer un fauteuil roulant électrique classique, en fauteuil roulant semi-autonome. Ceci signifie que l’utilisateur garde le contrôle de la direction et de la vitesse du fauteuil, mais que des capteurs peuvent inhiber les commandes empêchant les situations de basculement (trottoirs, escaliers, etc.) ou de collision frontale. La priorité est placée sur un dispositif constitué d’une combinaison de capteurs pouvant s’adapter sur les différents modèles existants de fauteuil en respectant leur encombrement initial. Tous les capteurs utilisés ou conçus pour l’objectif recherché, doivent maintenir leurs performances dans tous les environnements (intérieur, extérieur, fort ensoleillement, goudron mouillé, etc.). La consommation énergétique totale ne doit pas excéder quelques Watts. Concernant l’anticollision frontale et le passage de portes, nous avons développé une solution associant pour chaque côté du fauteuil un double capteur infrarouge et un capteur à ultrasons. Les capteurs infrarouges, développés en interne, sont conçus pour avoir des zones de protection cylindriques, permettant de détecter efficacement les passages dégagés de la taille du fauteuil et gérer les angles grâce au double capteur. Le capteur à ultrasons est destiné à gérer les obstacles fins foncés frontaux à courte distance pouvant échapper aux capteurs infrarouges. Concernant le contrôle de la planéité du sol et donc l’antibasculement, un lidar laser miniature trifaisceaux a été développé pour protéger chaque roue avec 1 m d’anticipation. Les données des différents capteurs seront couplées à l’odométrie du fauteuil afin de prendre les décisions sur les commandes. Les capteurs sont conçus pour assurer une anticipation suffisante jusqu’à 3km/h. Il s’agit d’une vitesse faible, mais adaptée à des utilisateurs qui dans le contexte actuel ne sont pas autorisés à piloter. Des tests en situation réelle dans des situations climatiques variées sont réalisés. / In France, more than 2 children out of 1000 are born with "Cerebral Palsy", caused by lesions on the cerebral level. This non-progressive pathology causes disorders of motor skills and the attentional process. Some of these children do not have access to the electric wheelchair for safety reasons, as they may make dangerous steering mistakes. They do not have access to autonomy and move in manual wheelchair pushed by a third person. However, today the medical studies of the field point on the need for accession to autonomous displacement, essential for personal development, intellectual and social participation of any person, disabled or not. This thesis aims to develop an adaptable optronic system, transforming a classic electric wheelchair into a semi-autonomous wheelchair. This means that the user keeps control of the direction and speed of the chair, but that sensors can inhibit controls that prevent from falls (sidewalks, stairs, etc.) or frontal collisions. The priority is placed on a device consisting of a combination of sensors that can adapt to the different existing models of wheelchair respecting their initial size. All sensors used or designed for the intended purpose, must maintain their performance in all environments (indoor, outdoor, strong sunlight, wet tar, etc.). The total energy consumption must not exceed a few Watts. For frontal collision avoidance and door entry, we have developed a solution combining for each side of the chair a double infrared sensor and an ultrasonic sensor. The infrared sensors, developed in-house, are designed to have cylindrical protection zones, making it possible to effectively detect the passages cleared of the size of the chair and to manage the angles thanks to the double sensor. The ultrasonic sensor is designed to handle dark fine end-face obstacles that can escape infrared sensors. The control of the flatness of the floor and therefore of the anti-tip, a LiDAR triple laser beams has been developed to protect each wheel with 1 m of anticipation. The data of the various sensors will be coupled to the odometry of the chair to make decisions on orders. The sensors are designed to provide sufficient anticipation up to 3 km/h. This is a low speed, but suitable for users who in the current context are not allowed to drive.Real-life tests in various climatic situations are carried out. Solutions are sought for chaotic floors or when the user moves a lot on the chair.

Les fauteuils roulants électriques (FRE) ont permis à nombre de personnes handicapés moteurs de retrouver une mobilité satisfaisante, ce qui a amélioré leur qualité de vie, un vaste champ d’activités leur étant devenu accessible. Lors de la prescription d’un FRE ou d’une phase d’apprentissage à la conduite il est cependant nécessaire d’évaluer les capacités de ces personnes à piloter un fauteuil. Dans ce contexte, notre objectif consiste à déterminer des paramètres pertinents permettant de décrire la qualité de la conduite d’un FRE pour des personnes ayant des déficiences motrices sévères. Tout d’abord, nous avons modélisé le système pilote-FRE par le modèle OPCM (Optimal Preview Control Model) de Sharp. Ce modèle est basé sur la distance anticipée (Dp) par l’utilisateur durant sa conduite du FRE. Cette distance a été estimée grâce à un système de suivi du regard combiné avec le simulateur 3D ViEW du laboratoire LCOMS. Un panel de 15 sujets valides a été recruté pour faire des tests de conduite sur simulateur et valider la modélisation OPCM. La distance Dp a permis de décrire le comportement du pilote. Ensuite, une analyse de la distance anticipée Dp en fonction de différentes zones du parcours (slalom serré, virage, slalom large), a montré que ce paramètre peut être utilisé pour différencier les différents comportements de conduite liées aux différentes situations du parcours. Ensuite nous avons comparé cette distance anticipée entre deux groupes, familiarisés et novices vis-à-vis de la conduite en FRE. L’analyse a montré que le groupe familiarisé présente une distance Dp plus importante que le groupe novice. Enfin, une dernière expérience a eu lieu au Centre de Réadaptation de Flavigny sur Moselle (54, France). Nous avons estimé la distance anticipée (Dp) pour des sujets à déficiences motrices sévères, afin de valider le paramètre Dp comme indicateur de performance. Une étude de cas a été établie portant sur 5 enfants en situation de handicap, en comparant leurs résultats à ceux obtenus précédemment sur un panel de personnes valides / The Powered wheelchairs (PW) allowed many people with motor disabilities to find a suitable mobility, which improved their quality of life. Hence, a vast field of activities has become accessible for them. When prescribing a PW or in a learning phase, however, it is necessary to evaluate the ability of these people to drive a wheelchair. In this context, our goal is to determine relevant parameters to describe the quality of driving on PW for people with disabilities. First, we modeled the pilot-PW system using the OPCM (Optimal Preview Control Model) model proposed by Sharp. This model is based on the preview distance (Dp) of the user during his driving. This distance has been estimated thanks to an eye-tracking system combined with the ViEW 3D simulator of the LCOMS laboratory. A panel of 15 healthy subjects was recruited to drive the PW on a 3D simulator and to validate the OPCM modeling. This distance Dp allows to describe the behavior of the pilot. If this distance is important, it guarantees the tracking trajectory of the OPCM model. Otherwise, the OPCM model diverges. This shows that if the user looks a long part of his future path, he will better anticipate the future control applied to the PW (change of direction, braking, etc.), which allows him to follow his path. In this situation the user has a tracking behavior. In the otherwise, the user’s behavior is rather compensatory. Then, an analysis of preview distance Dp with respect to the different zones of the path (tight slalom, turn, wide slalom), showed that the parameter Dp can be used to differentiate the different driving behaviors related to the different situations of the path. Next, we compared the preview distance between two groups, familiar and novice with regard to the PW driving. The analysis showed that the familiar group has a greater distance value than the novice group. Finally, a last experiment took place at the Rehabilitation Center of Flavigny sur Moselle (54, France). We estimated the preview distance (Dp) for subjects with severe motor impairment, in order to validate the parameter Dp as a performance indicator. A case study analysis was established on five children with disabilities comparing their results with those previously obtained with the healthy subjects

L’objectif du travail de cette thèse est la contribution au développement de nouvelles techniques dans le domaine dessystèmes de détection sans marqueur pour une utilisation dans trois domaines vitaux de la santé en utilisant des capteursinnovants et peu coûteux. Pour la réalisation de nos objectifs nous avons eu recours principalement à de l’électroniqueembarquées et du traitement du signal en utilisant le capteur Kinect. Des résultats encourageants ont été obtenus et sontprésentés tout au long de cette thèse. Dans la première partie de ce travail, nous présentons un nouveau système desurveillance visuelle sans marqueur en temps réel pour détecter et suivre les personnes âgées et surveiller leurs activitésdans leur environnement intérieur en utilisant un réseau de capteurs Kinect. Le système identifie également l’événementde chute des personnes âgées sous surveillance. Dans la deuxième partie nous utilisons également le capteur Kinectmais cette fois ci pour la détection sans marqueur des mouvements de la tête d’un patient lors d’un examen utilisant LaTomographie par Emission de Positons (CT/PET) du cerveau. Ce travail est basé sur la compensation de la dégradationde l’image TEP due aux mouvements de la tête du patient. Pour nos essais un cobaye dit « fantôme » a été réalisé,les résultats sur le fantôme sont prometteur ce qui a donné lieu à un test sur un vrai patient volontaire. Les résultatsfinaux montrent l’efficacité de ce nouveau système. La troisième partie du travail présente la mise en oeuvre d’un nouveausystème intelligent pour contrôler un fauteuil roulant électrique par des mouvements spéciaux de la tête toujours sansmarqueur. Un algorithme adapté est conçu pour détecter en continu les degrés des mouvements du visage en utilisant lecapteur Kinect. Fautes de fauteuil roulant électrique, le système a été testé sur un véhicule radio commandé. / The objective of the work of this thesis is the contribution in developing novel technical methods in the field of marker-lesssensing systems for use in three vital health areas by using new inexpensive sensors. Several scientific areas are involvedin achieving our objective such as; electronics and signal processing by using the Kinect sensor. Encouraging results wereachieved as presented throughout this thesis. In the first part of this work we present a new real-time marker-less visualsurveillance system for detecting and tracking seniors and monitoring their activities in the indoor environment by usingnetwork of Kinect sensors. The system also identifies the fall event with the elderly. In the second part, we present anew approach for a marker-less movement detection system for influential head movements in the brain Positron EmissionTomography imaging (CT/PET) by employing the Kinect sensor. This work addresses the compensation of the PET imagedegradation due to subject’s head movements. A developed particular phantom and volunteer studies were carried out.The experimental results show the effectiveness of this new system. The third part of the work presents the design andimplementation of a new smart system for controlling an electric wheelchair by special mark-less head movements. Anadaptable algorithm is designed to continuously detect the rotation degrees of the face pose using the Kinect sensor inreal-time that are interpreted as controlling signals through a hardware interface for the electric wheelchair actuators.