Approches de commande adaptative d’une orthèse actionnée de la cheville pour l’assistance à la marche

Adaptive control approaches of an actuated ankle foot orthosis for gait assistance

• Auteur / Autrice : Victor Arnez Paniagua
• Direction : Yacine Amirat, Samer Mohammed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) - Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Régnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yacine Amirat, Samer Mohammed, Christine Chevallereau, Philippe Fraisse, Hala Rifai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Chevallereau, Philippe Fraisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exosquelette

Robotique en médecine

Mots clés libres

Exosquelette

Commande

Robot

Exoskeleton

Control

Robot

Résumé

Les déficiences neuro-motrices subies à la suite d’un accident vasculaire cérébral, peuvent se traduire par un mauvais contrôle de l’articulation de la cheville lors de la marche du sujet. Un des symptômes majeurs qui illustre cette déficience est celui du « foot drop » ou pied tombant qui apparait le long de la phase d’oscillation. Ces dernières années, les auxiliaires de rééducation robotisés ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche à travers le monde. Ces dispositifs peuvent permettre au patient d’atteindre les mêmes niveaux de récupération fonctionnelle que ceux obtenus avec une rééducation conventionnelle tout en réduisant la charge de travail des médecins thérapeutes.Cette thèse traite du problème de la commande d’une orthèse active de l’articulation de la cheville (AAFO-Actuated Ankle Foot Orthosis) destinée à l’assistance à la marche des patients parétiques présentant des déficiences motrices au niveau de l’articulation de la cheville. L’originalité de nos travaux se situe dans la prise en compte de l’évolution du cycle de marche du sujet dans les commandes orientées assistance. L’autre spécificité de nos travaux réside dans le développement de lois de commande garantissant la sécurité du patient et de bonnes performances à la fois en termes de précision de poursuite de trajectoire, de robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques, de la variabilité entre sujets et des perturbations externes.Trois approches de commande pour le suivi d’une trajectoire de référence sont proposées. Ces approches présentent l’intérêt de ne pas nécessiter l’identification préalable des paramètres du système orthèse-humain. La trajectoire de référence est générée en temps réel à partir d’un algorithme exploitant l’interaction du pied avec le sol pour détecter les sous-phases du cycle de marche.La première approche proposée est une commande adaptative par modèle de référence pour adapter le couple d’assistance en fonction de l’erreur de suivi. Cette commande utilise une fonction de projection pour borner les valeurs des paramètres adaptatifs de la loi de commande. Un opérateur de saturation est également introduit pour borner le couple d’assistance. La deuxième approche est une commande adaptative par modes glissants basée proxy pour contrôler l’effet d’amortissement au niveau de la cheville lors de la transition de la phase d’appui vers la phase d’oscillation. La nature adaptative de cette commande permet de compenser les modifications de la dynamique du système pendant le cycle de marche tandis que l’utilisation des modes glissants permet de garantir de bonnes performances en termes de suivi de trajectoire. La troisième approche est une commande par rejet actif des perturbations. Un observateur d’état étendu est ainsi utilisé pour estimer les perturbations auxquelles est soumis le système orthèse-humain afin de compenser leurs effets et améliorer les performances de suivi de trajectoire. Pour chaque approche de commande, une étude de stabilité au sens de Lyapunov est menée.Les trois approches de commande ont été validées expérimentalement avec la participation de sujets sains et de sujets parétiques. Concernant ces derniers, les évaluations cliniques ont été effectuées en collaboration avec le service de médecine physique et de réadaptation du CHU Mondor.

Neuro-motor deficiencies following a stroke can lead to a poor control of the ankle joint during walking. One of the major symptoms that illustrate this deficiency is the foot drop that appears along the swing phase. In recent years, robotic rehabilitation devices have been the subject of numerous research projects around the world. These devices can enable the patient to achieve the same levels of functional recovery as those achieved with conventional rehabilitation while reducing the workload of physical therapists.This thesis deals with the problem of the control of an actuated ankle-foot orthosis intended for the walking assistance of paretic patients with motor deficiencies at the ankle level. The originality of our work lies in the consideration of the evolution of the gait cycle in the controlled assistance. The other remark of our work lies in the development of control laws that guarantee the patient safety and a good performance in terms of trajectory tracking accuracy, robustness with respect to parametric uncertainties, variability between subjects and external disturbances.Three control approaches for reference trajectory tracking are proposed. These approaches have the advantage of not requiring the prior identification of the orthosis-human system parameters. The reference trajectory is generated in real time with an algorithm that exploits the interaction of the feet with the ground to detect the sub-phases of the gait cycle.The first approach proposed is a model reference adaptive control that adapts the assistance torque according to the tracking error. This control uses a projection function to limit the values of the adaptive parameters of the control law. A saturation operator is also introduced to limit the assistance torque. The second approach is an adaptive proxy-based sliding mode control that can change the damping effect at the ankle during the transition from the stance phase to the swing phase. The adaptive nature of this controller makes it possible to compensate for changes in system dynamics during the gait cycle, while the use of the sliding mode makes it possible to guarantee good performance in terms of trajectory tracking. The third approach is an active disturbance rejection control. An extended state observer is used to estimate the disturbances to which the orthotic-human system is subjected in order to compensate for their effects and improve trajectory tracking performance. For each control approach, a Lyapunov stability study is conducted.The three control approaches have been validated experimentally with the participation of healthy subjects and paretic patients. Regarding the latter, the clinical evaluations were carried out in collaboration with the Department of Physical Medicine and Rehabilitation of the Mondor Hospital.