Stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs

Les problemes neurologiques dus aux AVC et aux lesions de la moelle epiniere ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considerablement affecter les capacites motrices des personnes infirmes ou âgees. Les solutions traditionnellement utilisees pour l’assistance et le traitement de ces personnes dependantes, sont relativement couteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de sante, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparait comme une solution bien adaptee et prometteuse pour developper des systemes d’assistance permettant d’ameliorer l’autonomie des personnes dependantes. Les exosquelettes des membres inferieurs sont des robots portables, destines a etre utilises en tant que dispositifs d’aide a la mobilite pour augmenter les capacites motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de reeducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernieres annees, d’un interet grandissant au sein de la communaute robotique. Du fait qu’un exosquelette est caracterise par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptee aux capacites sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par consequent, necessaire de developper des strategies de commande basees 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 consideres comme des perturbations affectant la bonne realisation des mouvements desires du porteur. Ces perturbations doivent etre egalement etre prises en compte lors de la conception des strategies de commande.Dans cette these, nous proposons trois strategies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inferieurs. Deux modes d’assistance sont etudies ici: le mode passif ou le sujet dispose de capacites motrices tres limitees et ne developpe quasiment aucun effort, et le mode actif-aide ou le sujet possede certaines capacites motrices mais qui sont insuffisantes pour realiser de maniere autonome un mouvement desire. Dans la premiere strategie de commande, le sujet est suppose etre en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basee sur un observateur non-lineaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est developpee pour garantir un suivi precis des mouvements desires de l’articulation du genou. Dans la deuxieme strategie de commande, nous proposons une structure de commande en impedance active non-lineaire ou le sujet est suppose etre en mode actif-aide. Cette strategie de commande assistive est utilisee pour assister le porteur dans la realisation d’activites physiques mono-tâche. L’evaluation des performances de la structure proposee sont etudiees dans le cadre de deux activites: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisieme strategie de commande proposee est une commande contextualisee pour assister le porteur dans ses activites de marche. Nous proposons une approche permettant de detecter le mode de marche des le debut d’un nouveau pas, en utilisant les caracteristiques cinematiques du porteur, a savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de detection du mode de marche rend possible la selection des modeles cinematique et cinetique appropries pour chaque mode. Differentes strategies d’assistance sont developpees: compensation partielle de la gravite, assistance basee impedance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impedance nulle. Ces strategies sont combinees differemment selon le mode de marche estime. Pour evaluer les performances des strategies de commande proposees, deux prototypes d’exosquelettes des membres inferieurs ont ete developpes: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inferieurs E-ROWA