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Support à la conception d'exosquelettes motorisés d'assistance du membre supérieur multitâches

Pierre Lifeng Li

Master's thesis (2022)

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Abstract

Patients affected by neuromuscular disorders are characterized by muscle weaknesses which can reduce their ability to perform essential tasks such as eating or dressing up. To slow down muscular dystrophy, clinical interventions such as aquatic rehabilitation, electrical simulation, or corticosteroid treatments are used. However, these solutions are expensive, can only help by slowing down the progression of the disease and do not necessarily provide daily support, especially for more severe cases. Assistive exoskeletons have the potential to assist this population by reducing user efforts - efforts required to accomplish daily tasks. However, the design of these devices is a challenge given that the interaction between the human body and the exoskeleton as well as the selection of power transmission systems such as motors or springs are complex and interdependent. In addition, few studies have verified the mechanical strength of their device and studies carrying out structural analyzes are generally simplifying. The objective of this master's project is to develop a tool for sizing a motorized exoskeleton to assist the upper limb for a set of functional movements. To meet this objective, the dimensions of the exoskeleton are geometrically optimized to maximize kinematic loop closures and avoid collisions with the upper limb (including the trunk) according to the defined tasks. Subsequently, through an optimal control problem which goal was to minimize the joint torque of the user, a study was conducted to understand the interactions between the dynamic components (motors and springs) of the exoskeleton and the upper limb to then select the characteristics of said dynamic components. Finally, a structural analysis by quasi-static method was carried out to verify the mechanical strength of the device. This study was conducted on two different subjects. The results from the geometric optimization indicate that the fit of the exoskeleton in the present work is similar to results obtained in the literature. However, the collision avoidance of the present work considers the volume of the torso in the collision avoidance between the exoskeleton and the upper limb, making the optimized dimensions and the trajectory of the exoskeleton more realistic. The mechanical design of the exoskeleton is now parameterized and considered as a process in the general methodology of the tool, making it possible to adapt the exoskeleton to the optimized dimensions of the geometric optimization and to individuals of different morphologies.

Résumé

Les patients affectés par des troubles neuromusculaires ont des faiblesses musculaires pouvant réduire leur capacité à réaliser des tâches essentielles telles que manger ou s'habiller. Pour ralentir la dystrophie musculaire, des interventions cliniques telles que la réadaptation aquatique, la simulation électrique ou des traitements aux corticostéroïdes sont utilisées. Cependant, ces solutions sont coûteuses, ne permettent que de ralentir la progression de la maladie et ne permettent pas nécessairement un support au quotidien, surtout pour les cas plus sévères. Les exosquelettes d'assistance ont le potentiel d'assister cette population par leur capacité à diminuer les efforts de l'utilisateur; efforts nécessaires pour accomplir les tâches du quotidien. Cependant, la conception de ces appareils est complexe étant donné que l'interaction entre le corps humain et l'exosquelette ainsi que la sélection des systèmes de transmission de puissances -tels que les moteurs ou ressorts- sont interdépendantes. De plus, peu d'études ont vérifié la tenue mécanique de la conception mécanique de leur dispositif et les études procédant à des analyses structurelles sont souvent simplificatrices. L'objectif de cette maîtrise est de développer un outil de support à la conception d'un exosquelette d'assistance actif du membre supérieur pour un ensemble de mouvements fonctionnels. Pour répondre à cet objectif, il a été question d'optimiser géométriquement les dimensions de l'exosquelette pour maximiser les fermetures de boucle cinématique et éviter les collisions avec le membre supérieur (incluant le torse) selon les tâches définies. Par la suite, une optimisation dynamique, soit un problème de commande optimale dont le but était de minimiser le couple des articulations de l'utilisateur, a été conduite afin de comprendre les interactions entre les composants dynamiques (moteurs et ressorts) de l'exosquelette et le membre supérieur pour ensuite sélectionner les caractéristiques de ces composants dynamiques. Finalement, une analyse structurelle par méthode quasi statique a été effectuée afin de vérifier la tenue mécanique du dispositif. Le présent projet a d'ailleurs été conduit sur deux sujets humains différents. Les résultats découlant de l'optimisation géométrique montrent qu'un ajustement similaire à la littérature est obtenu pour l'exosquelette. Or, l'évitement de collision du présent travail considère le volume du torse entre l'exosquelette et le membre supérieur, rendant les dimensions optimisées et la trajectoire de l'exosquelette plus réalistes.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Sofiane Achiche and Maxime Raison
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10285/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:04
Last Modified: 09 Oct 2023 19:43
Cite in APA 7: Li, P. L. (2022). Support à la conception d'exosquelettes motorisés d'assistance du membre supérieur multitâches [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10285/

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