Contributions to the use of active exoskeletons for neuromotor rehabilitation
Contributions à l'exploitation d'exosquelettes actifs pour la rééducation neuromotrice
Résumé
Neuro-motor rehabilitation is one the the new application areas of physically interactive robots. In this domain, the aim is to design machines that are able of assisting an impaired patient's motions when he/she practices physical exercises. One of the key topics is to provide machines capable of finely mastering mechanical forces distributed along human members. This has motivated the development of robotic exoskeletons. However, most of the research so far has focused on kinematics of these devices, with little attention paid to the force transmission question. Rather, this thesis is mostly dedicated to this crucial aspect. The main contributions are in the domain of design and control of robotic exoskeletons, with a main objective defined by the quality of force control. In the domain of design, we have exploited literature results regarding the robot structure and actuation mechatronics. Indeed, a starting point of this research is an existing back-drivable exoskeleton called ABLE, designed by CEA-LIST for assisting human arm. Given this particular robot, which is representative of the state of the art in terms of mechanical properties, we have worked on the mechanical coupling between the robot and the human arm. This has yielded to a general method aimed at designing passive fixation mechanisms between exoskeletons and human members. These mechanisms allows to guarantee global isostaticity and to select transmitted forces in such a way that they are fully controllable. The method is successfully applied to ABLE, with experimental evidence of an increased quality of interaction. Regarding the control aspects, our work has focused on the so-called transparent mode, when the robot has to follow the patient's movement while minimizing the disturbances. We have deployed an original multi-contact force controller, which also uses as an input a prediction of the patient's movement. This mixed force/position controller is, again, successfully experimented on ABLE. A last result of this work concerns evaluation of the interaction quality during comanipulation tasks. Indeed, in order to be able of quantifying improvements brought by design and control developments, it has been necessary to setup a method aimed at reproducibly evaluate the quality of human-robot physical interaction. This is achieved through analyzing simultaneous records of forces and gesture kinematics.
La rééducation neuromotrice est un des nouveaux champs d'application de la robotique en interaction physique. Dans ce domaine, on cherche à concevoir des machines pouvant assister les mouvements de patients atteints de troubles neuromoteurs dans la réalisation d'exercices physiques. Un des enjeux importants est de pouvoir proposer des machines capables de maîtriser des efforts mécaniques distribués le long des membres du patient durant les mouvements. Ceci a conduit la communauté à travailler au développement de structure exosquelettiques. L'essentiel des recherches en cours est focalisé sur les aspects cinématiques plus que sur le problème des transmissions d'efforts. C'est au contraire à ces aspects cruciaux qu'est consacrée la présente thèse. Pour améliorer la qualité du contrôle des efforts dans la mise en oeuvre des exosquelettes robotiques, les principales contributions se situent dans les domaines de la conception et de la commande. S'agissant de la conception, nous avons exploité des résultats existants dans la littérature pour la structure mécanique et la mécatronique d'actionnement, en utilisant l'exosquelette réversible ABLE conçu au CEA LIST. Partant de ce modèle, représentatif de l'existant, nous avons travaillé sur le problème du couplage mécanique entre le robot et le bras. Ce travail a permis de proposer une méthode générale pour synthétiser des mécanismes de fixation articulés passifs entre un exosquelette et un membre humain. Les fixations ainsi conçues garantissent l'isostaticité globale de l'ensemble. L'étude théorique générale est appliquée à ABLE, montrant une amélioration nette de la qualité de l'interaction. S'agissant de la commande, nous avons déployé une commande en efforts multi-contacts, ce qui constitue en soit une originalité, puis proposé de faciliter l'accompagnement des mouvements du sujet en exploitant une anticipation de trajectoire, grâce à un contrôleur mixte force/position. Là encore, l'apport expérimental évalué sur l'exosquelette ABLE est probant. Un dernier résultat important de la thèse concerne l'évaluation de la qualité de l'interaction homme-exosquelette dans des tâches de comanipulation. En effet, pour pouvoir quantifier l'apport des différentes propositions dans le domaine de la conception et de la commande, nous avons dû établir une méthode permettant d'étudier de manière reproductible l'interaction physique homme-robot, en analysant simultanément les efforts et la cinématique des gestes.
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