Assistive control strategies for lower-limb exoskeletons
Stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs
Résumé
Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA
Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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