Synthèse sur la conception, commande et planification de trajectoire d’une interface de locomotion pour la réadaptation de la marche

Cette thèse synthétise la conception d’une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L’automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d’une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l’utilisateur. L’équilibre de l’utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d’élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d’appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c’est-à-dire la marche au sol, la marche d’escalier ascendante et la marche d’escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d’établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l’architecture mécanique de l’interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s’effectue. L’architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l’interaction entre le mécanisme et l’opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d’élancement et la phase d’appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d’interaction entre l’utilisateur et l’effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l’inertie apparente de l’effecteur ressentie par l’utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu’interface pour réduire davantage l’impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d’appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d’équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l’interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l’utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l’espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d’un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d’un escalier mécanique inversé.This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator.Prix: Tableau d’honneur de la FÉS