Development of an exoskeleton robot for upper-limb rehabilitation

Résumé

Pour assister ou réadapter les personnes présentant une altération du fonctionnement d’un membre supérieur, nous avons développé un exosquelette robotique représentant un membre supérieur nommé, ETS-MARSE (motion assistive robotic-exoskeleton for superior extremity). MARSE est composé d’un support déplaçable pour l’épaule, d’un support déplaçable pour le coude et l’avant-bras et d’un support déplaçable pour le poignet. Il est conçu pour être porté sur le côté latéral du membre supérieur afin de fournir des mouvements naturels de l'épaule (flexion/extension verticale et horizontale et rotation interne/externe), du coude (flexion/extension), de l’avant-bras (pronation/supination) et de l’articulation du poignet (déviation radiale/ulnaire et flexion/extension). Cette thèse se concentre sur la modélisation, la conception (composants mécaniques et électriques), le développement et le contrôle de MARSE. Le robot MARSE proposée a été modélisé à partir de la biomécanique d’un membre supérieur, il a un poids relativement faible, un excellent rapport puissance/poids, facilement mis ou enlevé, et il est capable de compenser efficacement la gravité. De plus, afin d'éviter l'acheminement complexe des câbles qui pourraient se trouver dans plusieurs types d’exosquelettes, un nouveau mécanisme de transmission de puissance a été introduit pour aider la rotation interne/externe de l'articulation de l'épaule ainsi que la pronation/supination de l'avant-bras. L'exosquelette est conçu pour être utilisé par des adultes typiques. Cependant, des dispositions pour ajuster la longueur des membres ont été effectuées afin d’accommoder un grand éventail d’utilisateurs. La totalité du bras robotique est fabriquée principalement en aluminium, excepté pour les sections sous forte pression qui ont été fabriquées en acier pour donner à l’exosquelette une structure relativement légère. Des moteurs synchrones (incorporés avec des systèmes d’entraînement harmonique direct) ont été utilisés pour actionner MARSE. La cinématique de MARSE a été développée en se basant sur les notations de Denavit- Hartenberg modifiées. Dans le modèle dynamique et le contrôle, les paramètres du robot tels que les longueurs, la masse de ses membres et l’inertie sont estimés en fonction des propriétés d’un bras d'un adulte typique. Bien que l'exosquelette ait été développé avec l'objectif d'offrir différentes formes de thérapie de réadaptation (nommé mouvements passifs du bras, thérapie active-assistée, et thérapie résistive), cette recherche s'est concentrée uniquement sur la forme passive de la réadaptation. Les mouvements et les exercices passifs d’un bras sont généralement effectués à une vitesse plus lente que la vitesse naturelle du bras. Par conséquent, un PID simple et un PID avec souplesse ‘compliance’ ont été initialement utilisés pour contrôler le robot MARSE. Par la suite, la réalisation de la modélisation de la dynamique du mouvement du bras humain, qui est non linéaire par sa nature, ainsi qu’une méthode de commande par couple précalculé (CTC) et une méthode de commande par mode de glissement avec une loi de convergence exponentielle (mSMERL) ont été employées pour contrôler MARSE. Notez que pour améliorer les performances transitoires de poursuite et pour réduire les vibrations, cette thèse a proposé le mSMERL, une nouvelle approche de contrôle non linéaire qui combine le concept de la technique de mode glissant avec une loi de convergence exponentielle. L'architecture de contrôle a été mise en oeuvre sur un FPGA (field-programmable gate array) conjointement avec un ordinateur incluant un système d’exploitation en temps réel. Pour les expériences, des exercices typiques de réadaptation pour le déplacement d’une ou plusieurs articulations ont été exécutés. Ces expériences ont été réalisées avec des sujets humains sains où les poursuites (trajectoires préprogrammées recommandées par un thérapeute ou un clinicien) de trajectoires sous la forme d'exercices de réadaptation passive ont été effectuées. Cette thèse se concentre aussi sur le développement d’un prototype (modèle réduit) d’un membre supérieur à 7 DDL nommé « aster exoskeleton arm » (mExoArm). De plus, des expériences ont été réalisées avec le mExoArm où les sujets (utilisateurs de robots) ont opéré mExoArm pour manoeuvrer MARSE dans le but de fournir une réadaptation passive. Les résultats expérimentaux montrent que MARSE peut accomplir efficacement des exercices de réadaptation passive pour des mouvements de l'épaule, coude et poignet. Utiliser mExoArm offre aux utilisateurs une certaine souplesse sur les trajectoires préprogrammées sélectionnées, en particulier dans le choix de l'amplitude des mouvements et la vitesse du mouvement. Par ailleurs, le mExoArm pourrait potentiellement être utilisé pour la réadaptation à distance.

Date	11 juil. 2012
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Maarouf Saad (Directeur(-trice)) & Jean-Pierre Kenné (Codirecteur(-trice))