Commandes orientées assistance d'un exosquelette de membres inférieurs

Human centered assistive control strategies for lower limb wearable robotic devices

• Auteur / Autrice : Mohamed Amine Alouane
• Direction : Yacine Amirat, Samer Mohammed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Automatique
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) - Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI
• Jury : Président / Présidente : Véronique Perdereau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yacine Amirat, Samer Mohammed, Véronique Perdereau, Antoine Ferreira, Yannick Aoustin, Hala Rifai, Mohamed Guiatni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Ferreira, Yannick Aoustin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cerveau -- Stimulation

Exosquelettes motorisés

Mots clés libres

Exosquelette de membres inférieurs

Contrôleur par proxy

Observateur de perturbations non linéaire

Exosquelette hybride

Contrôle par impedance

Stimulation électrique fonctionnelle

Lower limb exoskeleton

Proxy based exoskeleton

Non linear disturbance observer

Hybrid exoskeleton

Impedance controller

Functional electrical stimulation

Résumé

Les technologies de réhabilitation et d'assistance sont des solutions prometteuses pour développer des systèmes de soutien aux personnes âgées et les personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral afin d'améliorer leur autonomie durant les activités de la vie quotidienne e.g. marcher, se lever, monter et descendre les escaliers, etc. Beaucoup de recherches sont menés pour le développement d'exosquelettes d'aide à la mobilité, d'augmentation des capacités motrices, ou d'aide à la réhabilitation. L'un des défis liés à la recherche dans le domaine des exosquelettes est l'élaboration de stratégies de contrôle. Considérant l'aspect cognitif et physique de l'interaction exosquelette/ sujet, les stratégies de contrôle devraient assurer à la fois la précision et la robustesse vis à vis des incertitudes de modélisation et des perturbations externes. Elles doivent aussi tenir compte de la capacité sensorimotrice du porteur, tout en assurant sa sécurité.En outre, la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) est aussi l'une des technologies de réhabilitation permettant aux personnes blessées de retrouver leur mobilité et indépendance relative. Toutefois, ces approches présentent des limites liées à la fatigue musculaire, cela conduit à l'utilisation de la SEF en une courte durée et/ou sur de courtes distances. Pour surmonter les inconvénients de la SEF et pour limiter la dépendance liée à l'utilisation d'orthèses, les intentions se sont tournées vers la neuroprothèse hybride, où la SEF et les exosquelettes sont utilisés.Dans cette thèse, nous proposons différentes approches d'assistance au mouvement des membres inférieurs utilisant des orthèses/exosquelettes et la SEF. Dans la première approche, une méthode de contrôle de la force par proxy est proposée pour trois modes d'interaction homme-robot : le mode impédance zéro, le mode assistance par force et le mode grande force. Un Observateur de Perturbations Non linéaires (OPN) basé sur un modèle dynamique à deux masses est utilisé pour assurer une sortie à impédance nulle et un suivi précis des perturbations de l'utilisateur et d'environnement, et pour assurer la sécurité de l'utilisateur si le couple d'interaction est relativement important. Dans la seconde approche, un contrôle hybride qui combine l'utilisation d'une orthèse du genou avec la SEF du quadriceps pour restaurer le mouvement de flexion-extension du genou est développé. Le couple généré par stimulation est pris comme une perturbation externe, qui est estimée à l'aide d'un OPN. Le couple humain est complété par un couple de contrôle adaptative pour minimiser le couple moteur tout en garantissant un suivi précis de l'angle de référence. Dans La troisième approche, un contrôle d'impédance actif complété par une stratégie du renforcement de l'équilibre pour aider les personnes à effectuer des mouvements Assis-Debout (AD) est développée. Un modèle d'impédance variable est considéré pour fournir une assistance adaptée à la capacité du porteur. La structure de modulation de l'impédance comprend un contrôleur de renforcement de l'équilibre, un observateur du couple articulaire humain et un contrôleur par mode glissant pour assurer un suivi précis de la référence et la robustesse vis à vis les incertitudes de modélisation. Dans la quatrième approche, un contrôle hybride d'assistance est développé pour assister la flexion/extension de l'articulation du genou et le mouvement AD. Un OPN est utilisé pour estimer l'implication du sujet dans la réalisation des mouvements par la SEF. Ce couple est transmis à un contrôleur d'impédance pour générer le mouvement désiré qui sera suivi à l'aide d'un contrôleur de position. Les méthodes proposées sont évaluées en simulations et expérimentations utilisant différents exosquelettes de membres inférieurs et les résultats ont montré des performances satisfaisantes.

Rehabilitation and assistive engineering technologies are emerging as promising solutions to develop support systems that improve elderly and post-stroke people's independence to perform daily living activities such as walking, sit to stand, stairs up/down, etc. Many research projects are carried for the development of exoskeletons, to assist mobility, increase motor abilities of the carriers, or as auxiliaries of neuromuscular rehabilitation. One of the challenging aspects of exoskeleton’s field is developing control strategies. Considering, the cognitive and physical closeness aspect of exoskeletons to the wearer, the assistive control strategies should ensure both accuracy and robustness to modeling uncertainties and external disturbances. At the same time, it should account for the wearer’s sensor-motor ability, while ensuring his safety.In addition to the wearable robot solutions, Functional Electrical Stimulation (FES) is also one of the rehabilitation technologies to recover mobility and relative independence for the injured people. Unfortunately, the FES based approaches are still having some limitations related to muscular fatigue, which leads to the use of FES for a short time and distances. To overcome the above-mentioned drawbacks of FES and to limit the patient's dependency on the use of active orthotic devices, intentions have been turned to hybrid neuroprosthesis, where both FES and exoskeletons are used to achieve the required movement by the subject.In this thesis, we proposed different approaches to assist lower limb movement using actuated orthosis/exoskeletons and Functional Electrical Stimulation (FES). In the first approach a proxy-based force control method is proposed for three human-robot interaction modes: zero-impedance mode, force assistive mode, and large force mode. A two-mass dynamic model-based nonlinear disturbance observer is used to guarantee both zero-impedance output and accurate force tracking of eventual disturbances from the wearer and environment sides and ensuring the wearer's safety when the interaction torque is relatively large. In the second approach, a cooperative control that combines the use of a powered knee joint orthosis along with FES of the quadriceps muscles group for knee joint flexion-extension movement restoration is developed. The generated stimulation torque is considered as an external disturbance, which can be estimated using a Non-linear Disturbance Observer (NDO). The human torque is complemented by an adaptive orthosis control torque applied in such a way to minimize the required motor torque while guaranteeing accurate tracking of the reference knee joint angle. The third approach deals with the development of an Active Impedance Control (AIC) complimented with a balance reinforcement control strategy to assist people while performing Sit to Stand (STS) motion. A time-varying desired model impedance is developed to provide appropriate power assistance according to the wearer's ability. The impedance modulation structure includes a balance reinforcement controller, a human joint torque observer aimed to estimate the human joint torques and a Sliding Mode-based Controller to ensure accurate tracking of the joint angles, and robustness to modeling uncertainties. In the fourth approach, assistance-as-needed hybrid control is developed to assist knee joint flexion/extension and STS movements. A NDO is used to estimate the human involvement in movement achievement through FES. The estimated torque is fed to an impedance controller to generate afterward the desired movement that will be tracked using a position controller while ensuring the desired compliance. The proposed methods were evaluated in simulations and experiments using different lower limb exoskeletons and results show satisfactory performances.Keywords: Lower limb exoskeleton, Proxy-based controller, NDO, FES, hybrid exoskeleton, STS, Assistance as needed, Impedance controller.