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

Clautilde Nguiadem

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Robotic assistive devices for upper limb such as prostheses and rehabilitation robots help compensate limbs motor function loss when upper limb difference (due to amputation and congenital defects), or improve motor recovery in physical therapy among individuals with neuromotor defects depending on the context. These technical aids to motor skills are necessary to restore the maximum autonomy possible to people with disabilities related to motor deficits of the upper limb (especially for amputees and people with neuromotor disorders), i.e. to bring the patient as close as possible to his functional state before the motor deficit. Despite major advances in the field of upper limb assistance in recent years, kinematic quality remains a common problem for upper limb prostheses and rehabilitation robots. The objective of this thesis is to develop a support tool for the design of robotic assistance devices of the upper limb for realistic and energy-efficient movement, based on the kinematic and dynamic analysis. In this regard, our three specific objectives were to : (1) Identify the methods and challenges associated with the motion planning for robotic devices used for upper-limb assistance; (2) To quantify the impact of the topology of upper limb prosthesis mechanisms on the realism of movement and on energy consumption during activities of daily living; (3) To develop a robotic mechanism test bench representing realistic movement of the upper limb. The first study showed that motion planning in robotic systems for upper limb assistance is less studied (only 67 articles found on the topic in the last 20 years) and most of the identified methods plan the motion trajectory off-line. In addition, optimization-based planning methods and analytical expression-based methods are the most common (22%). The other studies also showed that the topology of the mechanism used affects the performance of the prosthesis in relation to energy consumption, the ability to reconstruct motion, and the dynamic appearance or realism of the motion; these comparison parameters were relevant and each showed at least one group difference (p <0.0001) in the two tasks studied: flexion-extension (FE) and pronation-supination (PS). In addition, the majority of closed-loop mechanisms showed better parameters compared to open-loop mechanisms, except for reconstruction errors (50% and 100% of closed-loop mechanisms in FE and PS respectively were less energy intensive; the least realistic movements were obtained with two open-loop mechanisms with the fewest degrees of freedom (DOF) at the wrist (0 DOF and 1 DOF) which presented the highest quantitative jerk cost indices (1.73 ± 0.30 × 1010 in FE and 9.29 × 1013 in PS). It was also possible to identify the proposed mechanism as the best arm prosthesis mechanism, as it is less energy consuming (2.07 ±0.69 kJ in FE and 0.25 ±0.16 kJ in PS), biofidelic (with lower reconstruction errors: 1.39 ± 0.2 mm in FE and 1.38 ± 0.25 mm in PS) and has a good fluidity or dynamic appearance of movement. This improved prosthetic mechanism then led to a physical prototype which, in the last study, enabled the development of a test bench for quantitative evaluation of upper limb robotic assistive devices. In addition, it was possible to reproducibly quantify the range of motion of pronation-supination (PS) between 151.55° and 160.97° (close to 155° i.e. 70/85 proper to natural PS or 150° for everyday tasks) and the precise and reproducible joint torques. Secondly, the test-retest reliability was excellent (α = 0.96-0.98) for the within-session measures and excellent or good (α = 0.93 and α = 0.81-0.86) for the between-session measures. These results validated the measurement's accuracy and the reproducibility of the test bench. Consequently, this thesis highlighted the importance of multibody modeling for kinematic and dynamic analysis of prosthetic mechanisms to support the biofidelic design of robotic upper limb assistive devices - especially prostheses for realistic and energy-efficient motion. It has also allowed us to contribute to the planning of exoskeleton movement during upper limb assistance. Finally, as a proof of concept and a quantitative evaluation too in this work, the proposed test bench could be used to analyze other body segments and therefore study other robotic assistive devices.

Résumé

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.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Maxime Raison and Sofiane Achiche
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10302/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:55
Last Modified: 12 Oct 2023 13:23
Cite in APA 7: Nguiadem, C. (2022). Aide à la conception d'appareils d'assistance robotisée du membre supérieur pour un mouvement réaliste et écoénergétique [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10302/

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