Développement d'un exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires

Les maladies neuromusculaires sont très fréquentes chez les enfants suivis en réadaptation. Ces maladies se traduisent par des faiblesses musculaires, des troubles de coordination ou encore des tremblements. Au niveau du membre supérieur, ces pathologies handicapent le quotidien des enfants qui se trouvent limités dans la réalisation de plusieurs tâches, telles que simplement boire et manger. Les aides existantes sont la plupart du temps qu'esthétiques, et les solutions fonctionnelles sont majoritairement inadéquates et peu polyvalentes, c'est-à-dire qu'elles ne sont bonnes que pour une tâche particulière. À cela s'ajoute le fait que l'acceptation des dispositifs d'assistance est souvent difficile par les enfants. C'est donc dans ce contexte qu'est née l'idée de concevoir le premier exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires. Ce mémoire présente le développement d'un exosquelette portable motorisé pour la pédiatrie. Sa conception est novatrice, en ayant pour objectifs principaux une utilisation intuitive et un aspect physique le plus discret possible et le moins contraignant. Pour se faire, seulement quatre degrés de liberté ont été sélectionnés, soient les mouvements de flexion et extension et d'adduction et abduction à l'épaule, et de flexion et d'extension et de pronation et supination au coude. Dans un souci d'optimiser l'utilisation de l'exosquelette par rapport aux besoins de l'utilisateur, des éléments passifs, tel un ressort, ont été utilisés pour amener le bras et son exosquelette dans la position neutre désirée, position autour de laquelle l'exosquelette est plus efficace. L'exosquelette est conçu de sorte à avoir une production et un assemblage aisés, grâce notamment aux techniques de prototypage rapide. Ces procédés de fabrication permettent de réduire les coûts, car les pièces deviennent facilement remplaçables suivant la croissance de l'enfant ou un bris. Autre fait important concernant l'exosquelette développé : il présente des mécanismes d'ajustement au niveau des dimensions pour le rendre plus polyvalent. Finalement, un prototype a été imprimé en trois dimensions. Ce prototype est fonctionnel et fait l'objet d'une preuve de concept, qui pourra être testée sur une population d'enfants présentant des troubles neuromusculaires. La preuve de concept coûte moins de 2000 $\$$CA en composants et matériaux, alors que, à titre d'exemple, des exosquelettes motorisés du membre inférieur se vendent, en général, 50 000 $\$$CA et plus. L'exosquelette a donc le potentiel d'être abordable, et du fait même accessible pour les enfants et leur famille, si son prix de vente est sous les 10 000 $\$$CA.

Abstract

Neuromuscular diseases are very common in children undergoing rehabilitation. These diseases result in muscle weakness, coordination disorders or tremors. At the level of the upper limb, these pathologies hinder the daily lives of children who are limited in the accomplishment of several tasks, such as drinking and eating. The existing technical aids are mostly aesthetic, and the functional solutions are mostly inadequate and not very versatile . In addition, the adherence to the use of assistive devices is often low for children. It is in this context that was born the idea to design the first portable motorized exoskeleton of the upper limbs for children with neuromuscular disorders. This master thesis presents the development of a motorized portable exoskeleton for pediatrics. Its design is innovative, with the main objectives of an intuitive use and an appearance as discreet and unrestrictive as possible. To do so, only four degrees of freedom were selected, namely flexion and extension and adduction and abduction at the shoulder, and flexion and extension and pronation and supination at the elbow. In order to optimize the use of the exoskeleton with respect to the needs of the user, passive elements, such as a spring, have been used to bring the arm and its exoskeleton into the desired neutral position, around which the exoskeleton is more efficient. The exoskeleton is designed for easy production and easy assembly , using three dimensions printing and other rapid prototyping techniques, for electronics among others. These manufacturing processes also make the system less expensive, where the parts can be easily replaceable in the event of breakage or growth of the child. Another important fact concerning the exoskeleton is the presence of adjustment mechanisms for dimensioning. Finally, a prototype was manufactured. This prototype is functional and acts as a proof of concept, which can be tested on a population of children with neuromuscular disorders. This proof of concept costs under 2000 CAD for its components and materials, when motorized exoskeletons, for the lower limb, cost in general over 50 000 CAD. The designed exoskeleton therefore has the potential to be affordable, and at the same time accessible to children and their families if the selling price is under 10 000 CAD.