Exosquelette

Contributions a l’exploitation d’exosquelettes actifs pour la r • education neuromotrice Nathana  » el Jarass e To cite this version: Nathana- el Jarass ‘ e. Contributions a’ l’exploitation d’exosquelettes actifs pour la r « e education neuromatrice. Automatic. Universita e Pierre et Marie Curie – paris Swipe View next page VI, 2010. French. HAL Id: tel-00541079 https://tel. archives-o Submitted on 14 Nov 45 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not.

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UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE – PARIS VI Directeur de Recherche CNRS, LIRMM Directeur de Recherche CNRS, IRCCyN Professeur, ISIR professeur, ISIR Professeur, Imperial College London Directeur de recherche INSERM, CNP Sommaire Introduction Contexte et objectifs 1. 1 Rééducation neuromatrice du membre supérieur . 1. 1 Le membre supérieur humain 1. 1. 2 Symptômes de Fhémiplégie . 1. 1-3 Traitements neurophysiques traditionnels . 1. 2 État de l’art des robots existants . 1. 2. 1 La robotique de rééducation 1. 2. 2 Les robots type « Manipulandum » 1. 2. 3 Les systèmes robotisés multi-contacts 1. État de l’art des modes de rééducation existants 1. 3. 1 Les méthodes de rééducation par Fassistance 1. 3. 2 Les méthodes de rééducation par perturbation et augmentation de l’erreur . 1. 4 État de l’art des études cliniques existantes . . 4. 1 Études cliniques recensées . 1. 4. 2 Analyse critique des résultats cliniques en rééducation robotisée 1. 5 Conclusion : besoins identifiés et travaux entrepris 27 29 2 45 2. 2 Mise en place de contrôleurs élémentaires . 2. 2. 1 Architecture 2. 2. 2 Commande en boucle ouverte .. 2. 2. 3 Assen,’issement de position 2. Évaluation des capacités d’interaction en mode passif 2. 4 Évaluation des capacités d’interaction en mode actif. 2. 4. 1 Description générale des expérimentations .. 2. 4. 2 Mesures . 2. 4. 3 Applications à l’exosquelette ABLE 2. 5 Analyse des résultats et conclusion 9 44 48 49 50 52 53 3 45 Conditions nécessaires et suffisantes pour prévenir l’hyperstaticité (conditions sur le rang des espaces des torseurs cinématiques) 3. 2. 3 Démonstration de la propriété d’isostaticité globale .. 3. 2. 4 Conditions sur les connectivités . 3. 2. 5 Analyse de la mobilité du membre humain 3. . 6 Choix des degrés de liberté passifs adaptés aux fixations .. Applications à l’exosquelette ABLE. 3. 3. 1 Application de la méthode . 3. 3. 2 Analyse des singularités de l’exosquelette ABLE équipé des deux mécanismes pass’fs de fixations .. 3. 3. 3 Réalisation des fixations ?valuations expérimentales . . 3. 4. 1 Validation préliminaire sur banc d’essai 3. 4. 2 Évaluation de l’apport des fixations en mode passif avec mannequin . 3. 4. 3 Application de la méthode d’évaluation des performances ? l’exosquelette ABLE équipé des fixations isostatiques .

Conclusions. . 4 Étude de la commande en mode actif 4. 1 Commande pour la transparence . 4. 1. 1 Commande en effort 4. 1. 2 Exploitation d’un modèle de mouvements du bras 4. 2 Contrôleur mixte force et position . . . 42. 1 Le contrôleur mixte 4. 2. 2 Mise en œuvre sur l’exosquelette ABLE .. 4. 3 Évaluation d 45 42. 2 Mise en œuvre sur l’exosquelette ABLE . 4. 3 Évaluation des performances en comanipulation 4. 3. 1 Trajectoires du point de travail : P Il à P 14. 43. 2 Analyse des rotations articulaires : P 15 à P 17 . 43. Analyse des forces d’interaction p 18 et p 19 . 4. 4 Conclusions S 45 du membre supérieur . 148 C. 3 Détermination des trajectoires des points de fixation du robot . . 149 D Évaluations préliminaires du contrôleur mixte sur manipulandum151 D. 1 Dispositif expérimental pour la comanipulation plane.. . 151 D. 2 Résultats des évaluations de transparence 154 E Dispositifs de rééducation du membre supérieur 161 Il existe actuellement un besoin prégnant de nouveaux moyens techniques pour la rééducation neuromotrice de patients atteints d’hémiplégie.

Les technologies récentes en robotique et en réalité virtuelle sont autant d’opportunités de commencer plus tôt et d’intensifier le traitement, de répondre ? l’augmentation du nombre de patients qui engorgent les services de soins, d’abaisser les coûts et surtout de mettre en place de nouvelles approches de rééducation plus efficaces et mieux fondées scientifiquement que les thérapies actuelles, argement basées sur des observations empiriques.

Alors que le domaine de recherche est florissant, de nombreuses études sont limitées à un développement technologique immédiatement suivi d’essais pilotes avec des sujets sains ou des patients, sur la base desquels il est difficile d’évaluer l’apport médical de la robotique.

Au contraire, le parti pris de cette thèse est de proposer un travail en amont de l’application en essayant de caractériser les besoins médicaux, concevoir un robot pour la rééducation, mais d’améliorer la compréhension des phénomènes d’interaction physique homme- obot pour établir des bases solides en vue du déploiement de la robotique dans le domaine de la rééducation.

En particulier, une des capacités essentielles que les robots doivent offrir dans ce cadre est l’application d’efforts finement maîtrisés, distribués le long des membres du patient, lors de la réalisation des mouvements constitutifs des exercices de thérapie physique. De ce fait, nos recherches ont poursuivi deux objectifs : – la mise au point de dispositifs multi-contacts, tels que des exosquelettes, pouvant interagir avec le sujet en plusieurs zones es organes moteurs ; – l’optimisation de la transparence de la machine, c’est-à-dire sa capacité à ne pas exercer d’efforts résistants lorsque cela est requis.

L’objectif de cette thèse est donc de proposer de nouveaux outils et méthodes dédiés à l’optimisation de la transmission d’efforts entre un exosquelette et un sujet humain, afin notamment d’améliorer la transparence. Cette recherche de la transparence peut se faire en suivant plusieurs voies, celle de la conception bien sûr, mais aussi celle de la commande, en particulier en exploitant des connaissances a riori sur les caractéristiques des mouvements humains, des exercices réalisés et des pathologies adressées.

Nous avons choisi comme point de départ de ce travail un système robotisé existant, avec pour objectif de le préparer à une exploitation pour des applications de rééducation. Ce système est un exosquelette de bras à 4 degrés de liberté actifs, appelé ABLE et conçu par le CEA-LIST (cf. Fig. 1). Partant de ce dispositif, dont les caractéristiques mécaniques sont 45 le CEA-LIST (Cf. Fig. 1). xcellentes en termes de réversibilité et de capacité motrices, nous avons herché à améliorer son comportement en vue d’une exploitation pour la rééducation neuromotrice, avec le 2 Figure 1 – Vue de l’exosquelette ABLE du CEA-List souci constant de caractériser les problèmes rencontrés et de proposer des solutions génériques. Se sont alors posées de nombreuses questions qui sont souvent négligées, voire occultées dans la littérature de ce domaine : comment contrôler les efforts dans un système exosquelettique et quels sont les efforts contrôlables ?

Comment attacher le patient à l’exosquelette, sachant que leurs cinématiques diffèrent ? Comment, ême, évaluer la qualité de l’interaction entre l’exosquelette et le sujet auquel il est attaché, condition sine qua non à la validation des propositions techniques ? Ces questions, nous avons tenté d’y répondre en apportant des contributions qui se situent dans le domaine de la conception mécanique et de la commande, mais aussi de l’étude et de la caractérisation des mouvements.

Nous avons mené ce travail dans le cadre d’un projet collaboratif soutenu par l’Agence Nationale de la Recherche, appelé Brahma (BioRobotics for Assisting Human MAnipulation re roupant des roboticiens, es cliniciens et des cherc 8 45 commence par un état de l’art du domaine de la rééducation neuromatrice assistée par robots (chapitre 1) qui permet de motiver et de situer les trois contributions principales de notre travail : la première concerne l’évaluation (chapitre 2) ; la seconde, le couplage mécanique homme- exosquelette (chapitre 3) ; la dernière, la commande (chapitre 4).

Chapitre 1 Contexte et objectifs rééducation du membre supérieur et robotique Dans le cadre de cette thèse et du projet BRAHMA (BioRobotics for Assisting Human MAnipulation, projet ANR PSI-ROB 2006), nous avons ravaillé sur l’application des techniques de la robotique à la rééducation neuromotrice, en considérant plus particulièrement un type de déficience largement répandu, dont le nombre de cas ne cesse d’augmenter.

Il s’agit de l’hémiplégie, dont le traitement a été le théâtre expérimental des premières tentatives de rééducations robotisées. Ce handicap n’est pas un trouble du système musculo-squelettique mais un défaut de la commande motrice. On parle de déficience neuro-motrice. Les procédures de rééducation qui sont constituées d’un programme évolutif d’exercices moteurs ous des contraintes éventuellement exercées par des appareils ou des kinésithérapeutes, ne sont donc pas de simples programmes de remise en forme physique.

L’enjeu est ici d’exploiter les capacités du SNC (Systèm tral) à ré-apprendre le g OF l’apport des recherches dans le domaine des neurosciences, permettant de mieux expliquer les mécanismes de contrôle moteur et d’apprentissage. – l’apport des technologies permettant une objectivation des diagnostics, c’està-dire une quantification fine des déficiences motrices, mais aussi l’application de contraintes physiques bien contrôlées. La robotique, avec les perspectives qu’elle offre dans le domaine des interactions physiques homme-robot, est une des options technologiques qui semblent prometteuses.

Dans ce chapitre, nous proposons un aperçu du domaine de la rééducation et des travaux de recherches qui lui sont associés en robotique. La rééducation neuromotrice est un domaine très vaste, ne faisant pas Intervenir les mêmes techniques selon les fonctions motrices ciblées (marche, équilibre, utilisation des membres supérieurs.. etc). Nous nous focaliserons principalement sur les traitements propres ? a récupération des capacités du membre supérieur, problématique que nous souhaitons adresser à l’aide de systèmes robotisés.

Après quelques éléments sur la physiologie du membre supérieur et la rééducation conventionnelle (Section . h puis 4 Chapitre 1. Contexte et objectifs sur les robots de rééducation (Section 1. 2) et leurs commandes (Section 1. 3), nous proposerons une analyse des résultats cliniques disponibles dans la littérature (Section 1. 4) et conclurons sur l’importance cruciale de la qualité d’interaction ph si ue homme-robot qui a fond s de nos recherches 245