Commande partagée basée modèle pour fauteuil roulant à assistance électrique avec joystick à retour d'effort

A model-based shared control approach for assistance system on power wheelchair via haptic force feedback joystick

• Auteur / Autrice : Viet Thuan Nguyen
• Direction : Jean-Christophe Popieul, Philippe Pudlo, Chouki Sentouh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Guy Bourhis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Popieul, Philippe Pudlo, Chouki Sentouh, Lounis Adouane, Marie Babel, Tom Carlson, Evelyne Klinger, Djamel Bensmail
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lounis Adouane, Marie Babel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande floue

Systèmes d'aide à la décision

Fauteuils roulants

Interaction humain-machine

Mots clés libres

Commande basée modèle

Commande partagé

Haptique

Retour de force

Interaction homme-machine

Model-based control

Shared control

Haptic, Joystick force feedback

Human-machine interaction

Résumé

Cette thèse se concentre sur la conception, la mise en œuvre et l’évaluation d’un système d’assistance personnalisable pour les utilisateurs d’un fauteuil roulant électrique. Le système est basé sur une approche de commande partagée interagissant avec l’usager via un joystick à retour de force. Le système d’assistance proposé cible trois objectifs principaux : i) Prédire l’intention de l’utilisateur à l’aide des mouvements du joystick ; ii) Réduire l’effort de l’utilisateur pour manipuler le joystick pendant la tâche de navigation ; iii) Aider l’utilisateur à éviter l’obstacle tout en résolvant le conflit entre la d´décision de l’utilisateur et l’intention du système. Au niveau opérationnel, ce système estime l’intention de l’utilisateur en utilisant les observateurs linéaires à entrées inconnues. La commande floue de type Tagaki-Sugeno et les inégalités matricielles linéaires sont utilisées pour concevoir le contrôleur partagé qui fournit les couples d’assistance au joystick afin de réduire les efforts de l’utilisateur. Au niveau tactique, nous avons proposé des fonctions de gestion des risques-conflits permettant de prévoir les collisions potentielles, de rechercher les trajectoires alternatives permettant d’éviter ces collisions et de les communiquer à l’utilisateur via le joystick haptique. Les résultats expérimentaux basés sur un simulateur à base de réalité virtuelle valident le système d’assistance proposé. Les couples manuels pour manipuler le joystick ont été réduits et le niveau d’assistance peut être ajusté via les paramètres du modèle. Les couples haptiques ont guidé l’utilisateur pour éviter les obstacles tout en conservant son autorité, c’est-`a-dire sa possibilité d’annuler les suggestions du système. Pour valider l’approche de contrôle partagé proposée, nous avons développé un modèle dynamique complet de fauteuil roulant qui est intégré dans une plateforme expérimentale de réalité virtuelle dans notre laboratoire. Le but de ce modèle est de reproduire les mouvements réels du fauteuil roulant dans l’environnement de réalité virtuelle et donc d’augmenter le sens des mouvements pour l’utilisateur du fauteuil roulant sur la plateforme du simulateur. Ce modèle prend en compte l’interaction de contact pneu-route, les effets des roulettes avant libres et les couples de résistance au lacet à basse vitesse. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle proposé, les réponses du modèle étant cohérentes avec les données réelles enregistrées. Pour caractériser l’interaction main-joystick qui vise à personnaliser le système d’assistance en fonction des déficiences de l’utilisateur, cette thèse propose un modèle biomécanique qui s’inspire d’un mécanisme de bras robotisée à cinq segments pour imiter les mouvements du joystick et de la main de l’utilisateur. Ce mécanisme est opéré par quatre modèles musculaires de Hill qui permettent de refléter la caractéristique des propriétés musculaires de la main de l’utilisateur. Les résultats de la simulation ont montré les différentes évolutions du niveau d’activation des muscles de la main en fonction des paramètres biomécaniques des muscles de la main.

This thesis focuses on the design, implementation, and evaluation of a customizable assistance system for power wheelchair users. The system is based on a shared control approach interacting with the user via a force feedback joystick. The proposed assistance system targets three main objectives: i) Predict the user’s intention using the movements of the joystick; ii) Reduce the user’s effort to manipulate the joystick during the navigation task; iii) Assist the user to avoid the obstacle while resolving the conflict between the user’s decision and the intention of the system. At the operational level, this system estimates user intention using linear observers with unknown inputs. The TagakiSugeno model-based fuzzy control and linear matrix inequalities are used to design the shared controller which provides the assistance torques to the joystick to reduce user efforts. At the tactical level, we have proposed conflict-risk management functions to predict potential collisions, to find alternative trajectories to avoid these collisions and to communicate them to the user via the haptic joystick. The experimental results based on a virtual reality-based simulator validate the proposed assistance system. Manual torques for manipulating the joystick have been reduced and the level of assistance can be adjusted via the model settings. The haptic torques assist the user to avoid the obstacles while retaining his authority, that is, his ability to overrule the system suggestions. To validate the proposed shared control approach, we have developed a comprehensive dynamic wheelchair model that is integrated into an experimental virtual reality platform in our laboratory. The goal of this model is to reproduce the real movements of wheelchair in the virtual reality environment and therefore to increase the sense of movements for the wheelchair user on the simulator platform. This model considers the interaction of tire-road contact, the effects of the free front casters and the yaw resistance torques at low speeds. The experimental results confirmed the ability of the proposed model to reproduce the dynamic behavior of the wheelchair where the model responses are consistent with the real recorded data. To characterize the hand-joystick interaction which aims to personalizing the assistance system according to the user impairments, this thesis proposes a biomechanical model which inherited a five-bar robot arm mechanism to mimic the motions of the joystick and the user’s hand. This mechanism is operated by four Hill’s muscle models which allow to reflect the characteristic of user hand muscle properties. The simulation results showed the different evolutions of hand muscles activation level depending on the hand muscles biomechanical parameters.