Modelling and control of actuated lower limb exoskeletons : a mathematical application using central pattern generators and nonlinear feedback control techniques

par Michael Oluwatosin Ajayi

Thèse de doctorat en Signal, Image, Automatique

Sous la direction de Karim Djouani.

Le président du jury était François Rocaries.

Le jury était composé de Karim Djouani, Yskandar Hamam, Barend Van Wyk, Yacine Amirat, Anish Mathew Kurien.

Les rapporteurs étaient Abdelaziz Benallegue, Antoine Ferreira.

  • Titre traduit

    Modélisation et commande d'un exosquelette pour les membres inférieurs : approche basée sur les oscillateurs non-linéaires et des techniques de commande non-linéaires


  • Résumé

    Les exosquelettes représentent des systèmes mécaniques portables qui ont reçu une grande attention de la part de la communauté scientifique ces derrières années, vues les possibilités qu'ils offrent.Ces possibilités concernent principalement les fonctions d'assistance et de réhabilitation des personnes en situation de handicape et personnes âgées, dans un objectif de leur permettre de recouvrir leur facultés motrices. Cependant, d'autres possibilités sont concernées comme permettre à des personnes paraplégiques de remarcher ou de permettre des opérations de manipulation excédent les capacités humaines.Pour permettre la réalisation des fonctions offertes par les robots portables, une connaissance fine de la dynamique du système est requise en relation avec les tâches à réaliser par les sujets. Par ailleurs, des approches de commande sûres qui prennent en compte la sécurité des usagers est nécessaire. Dans cet objectif, des techniques de commande bio-inspirées avec des techniques de commande par découplage non-linéaire sont considérées. Les dernières assurent que la loi de commande est stable et bornée en prenant en considération le domaine de saturation des actionneurs alors que les premières ont inspiré la conception de contrôleurs basés sur les oscillateurs locaux non-linéaires (Central Pattern Generators : CPG).Les CPGs sont modélisés par des réseaux de neurones qui peuvent être représentés par un ensemble d'oscillateurs non-linéaires situés dans la moelle épinière, avec des capacités de génération de signaux rythmiques multidimensionnels synchrones pour remplir des fonctions motrices sous le contrôle de simples signaux de commande. Ces signaux sont supposés être de nature périodique ou semi-périodique, dont la génération pour étudier les systèmes de locmotion humain reste un problème de recherche d'actualité.Dans la présente thèse, l'analyse, la simulation et la commandes des articulations d'un robot portable utilisé pour les membres inférieurs en utilisant, d'un côté les oscillateurs locaux non-linéaires et d'un autre côté des techniques de commande par découplage non-linéaire sont proposés, avec comme objectif final de permtre la mise en œuvre des approches proposées sur la plate-forme expérimentale développée au sein du FSATI (French South African Institute fo Technology).Pour atteindre l'objectif qui a été fixé par les travaux de recherche engagés, une étude de l'état de l'art sur les aspects liés à la connaissance de l'anatomie, la physiologie et l'analyse biomécanique de la marche humaine a été effectuée. Par ailleurs, une étude détaillée des oscillateurs locaux non-linéaires en parallèle avec les approches de commande directe et inverse, ont permis la proposition de stratégies de commande qui couplent les oscillateurs non-linéaires d'un côté et des techniques de découplage non-linéaire d'un autre côté ont été proposées et validées sur des systèmes de plusieurs degrés de liberté. Des simulations intensives ont été conduites afin de vérifier la capacité d'adaptation temps des approches de commandes mises en œuvre avec l'humain ans la boucle.Les contributions de la présente étude concerne deux approches de commande. La première approche concerne l'intégration d'une approche bio-inspirée, basée sur les oscillateurs locaux non-linéaires et la deuxième approche est basée sur les techniques de commande bornée par découplage non-linéaire


  • Résumé

    Wearable robotic system has become a well sought after mechanism in the field of biomechatronics engineering due to the the various possibilities it possess. These possibilities encompass the assistive and rehabilitative protocols rendered to disabled and elderly people, in order to enable them regain control of their limbs and of course increase the abilities of able-bodied persons. It therefore clearly drives the motive of bringing back paraplegics back on their feet as well as executing difficult task beyond human ability.Achieving the intended function of wearable robots requires the model dynamics of the physical system in relation to the tasks required to be performed by subjects. This demands a proper control measure which takes into account the safety of the wearer. For this purpose, bio-inspired control techniques and bounded nonlinear feedback controllers are considered. The latter control design ensures that the stipulated power required is not exceeded as well as the saturation of the actuator, while the former motivates the design of controllers based on the concept of Central Pattern Generators (CPG). CPGs are characterised as biological neural networks which can be represented by a set of coupled nonlinear oscillator situated in the spinal cord of mammals, having the capability of generating coordinated multidimensional rhythmic signals for the purpose of locomotion, under the control of simple input signals. These rhythmic signals are termed to be periodic or quasi-periodic in nature, hence performing this task in robotics and animal motor control has been a perpetual research problem. The movement of the lower limb of humans thus present a platform to investigate and address this difficulty.In this thesis, the analysis, simulation, and control of joints which relate to the human lower limbs via CPGs and feedback control techniques are investigated with an aim of practically implementing the control strategies using a lower limb exoskeleton is presented. To accomplish this goal, it is expedient to have comprehensive knowledge of the anatomy, physiology and the normal gait biomechanics of the human lower limbs. Understanding the theories, principles and mathematical background of nonlinear oscillators are also required. Control strategies using the inverse and the forward dynamics approach based on different types of coupled nonlinear oscillators and nonlinear feedback control techniques were considered for single/multiple degrees of freedom (DoF). Simulations and results were presented to verify the controller-human system ability to constantly and dynamically track and readapt its control parameters to maintain its desired motion dynamics, with reduced control torque values.This work basically deals with two distinct method of control systems; one which integrates bio-inspired methods with classical and nonlinear control techniques to govern the exoskeletons' joints with a human in the loop, and another which utilises bounded nonlinear feedback control techniques for same purpose


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