Aide à la conception d'appareils d'assistance robotisée du membre supérieur pour un mouvement réaliste et écoénergétique

Les appareils d'assistance robotisés du membre supérieur tels que les prothèses et les robots de réadaptation permettent de compenser sa fonction motrice en cas de différence de membre (amputation et agénésie), ou d'améliorer sa récupération motrice en rééducation chez des personnes avec des troubles neuromoteurs selon le contexte. Ces aides techniques à la motricité permettent de redonner une autonomie maximale aux personnes affectées par une déficience motrice du membre supérieur. Malgré les avancées majeures qu'a connues le domaine d'assistance robotisée du membre supérieur ces dernières années, la qualité cinématique reste un problème commun aux prothèses et aux robots de réadaptation du membre supérieur. L'objectif de cette thèse était de développer une solution d'aide à la conception d'appareils d'assistance robotisée du membre supérieur pour un mouvement réaliste et écoénergétique, basée sur l'analyse cinématique et dynamique. À cet égard, nos trois objectifs spécifiques étaient de : (1) Identifier les méthodes et les défis associés à la planification du mouvement des systèmes robotiques d'assistance du membre supérieur; (2) Quantifier l'impact de la topologie des mécanismes prothétiques du membre supérieur sur le réalisme du mouvement et sur la consommation énergétique; (3) Développer un banc d'essai de mécanisme robotisé représentant le mouvement réaliste du membre supérieur. La première étude a montré que la planification du mouvement dans les systèmes robotiques pour l'assistance du membre supérieur est moins étudiée (seulement 67 articles ont été trouvés sur le sujet dans les 20 dernières années) et que la plupart des méthodes planifient la trajectoire du mouvement hors ligne. De plus, les méthodes de planification basées sur l'optimisation et celles basées sur les expressions analytiques sont les plus courantes (22%). Les autres études ont permis d'établir que la topologie du mécanisme utilisé affecte les performances de la prothèse en lien avec la consommation d'énergie, l'erreur de reconstruction du mouvement, et l'apparence dynamique ou le réalisme du mouvement. Ces paramètres de comparaison étaient pertinents et chacun d'eux a présenté au moins un groupe de différence (p <0.0001) dans les deux tâches étudiées : flexion-extension (FE) et pronation-supination (PS). En outre, la majorité des mécanismes en boucle fermée ont présenté de meilleurs paramètres par rapport aux mécanismes en boucle ouverte, sauf pour l'erreur de reconstruction (50% et 100% des mécanismes en boucles fermées respectivement en FE et en PS étaient moins énergivores; les mouvements les moins réalistes ont étés obtenus avec deux mécanismes en boucle ouverte avec le moins de degrés de liberté (DDL) au poignet (0 DDL et 1 DDL) qui ont présenté des indices quantitatifs du jerk ou d'à-coup (jerk cost) les plus élevés, soit 1.73 ± 0.30 × 1010 en FE et 9.29 × 1013 en PS). Il a été également possible d'identifier le mécanisme proposé comme le meilleur mécanisme prothétique du membre supérieur, car moins énergivore (2.07 ±0.69 kJ en FE et 0.25 ±0.16 kJ en PS), biofidèle (avec les erreurs de reconstructions plus faibles : 1.39 ± 0.2 mm en FE et 1.38 ± 0.25 mm en PS) et présente une bonne fluidité du mouvement. Ce meilleur mécanisme prothétique a conduit ensuite à un prototype physique qui a permis dans la dernière étude de développer un banc d'essai pour l'évaluation quantitative des systèmes robotiques d'assistance du membre supérieur. En plus, il a été possible de quantifier de manière reproductible la plage de mouvement de pronation-supination (PS) entre 151.55° et 160.97° (proche de 155° c'est-à-dire 70/85 qui tend à la plage de la PS naturel ou encore de 150° pour les tâches quotidiennes) et les couples articulaires précises et reproductibles. Ensuite, la fiabilité test-retest était excellente (α = 0.96-0.98) pour les mesures intrasession et excellente ou bonne (α = 0.93 and α = 0.81-0.86) pour les mesures intersession. Ces résultats ont permis de valider la précision et la reproductibilité du banc d'essai. Par conséquent, cette thèse a mis en évidence l'importance de la modélisation multicorps pour l'analyse cinématique et dynamique des mécanismes robotiques en réadaptation, afin de soutenir la conception biofidèle des appareils d'assistance robotisée du membre supérieur – notamment les prothèses pour un mouvement réaliste et écoénergétique. Elle nous a également permis d'apporter notre pierre à l'édifice à l'optimisation de la qualité cinématique dans les robots de thérapie et d'assistance, afin de mieux planifier leur mouvement pendant l'assistance du membre supérieur. Finalement, en tant qu'une preuve de concept et un outil d'évaluation quantitative dans ce travail, le banc d'essai proposé pourra être utilisé pour analyser d'autres segments corporels et donc étudier d'autres appareils d'assistance robotisée.