Développement d'un système participatif de rééducation du membre supérieur à réduction d'impédance active

Chaque année dans le monde, 15 millions de personnes sont touchées par un accident vasculaire cérébral (AVC), et un grand nombre d’entre elles perdent en mobilité et en motricité des membres supérieurs à la suite de l’accident. Une thérapie de rééducation rigoureuse est nécessaire à la récupération de ces fonctions. L’assistance robotique à la rééducation a prouvé son efficacité dans la réduction de la charge de travail des professionnels de la santé et dans l’amélioration de la récupération des patients. De nombreux robots de rééducation de toutes formes ont vu le jour dans les trois dernières décennies. La plupart d’entre eux apportent une assistance au patient dans le suivi d’une trajectoire prédéfinie ou enregistrée par le thérapeute L’étude rapportée dans ce mémoire vise à développer un système de rééducation pour le membre supérieur assistant le patient dans n’importe quel mouvement, sans contrainte. Afin d’éviter les problèmes liés au dimensionnement d’un exosquelette pour un patient, le système est basé sur un robot à effecteur, modifié pour se fixer en toute sécurité au poignet du patient. L’assistance est apportée sous la forme d’une réduction virtuelle de l’impédance du membre, réduisant ainsi l’effort nécessaire au mouvement pour le patient. Un estimateur de perturbation non linéaire fournit une approximation des couples appliqués par le patient et donc de l’intention de mouvement. À partir de cette intention de mouvement, des modèles dynamiques du robot et du membre supérieur et du niveau de réduction d’impédance souhaité, une trajectoire cible instantanée est générée. Cette trajectoire est transmise à un correcteur proportionnel-dérivé qui commande les couples des actionneurs du moteur. Les simulations prouvent les capacités prometteuses du système, capable de compenser indépendamment les effets de la gravité et/ou de l’inertie. Dans la pratique, les mesures électromyographiques montrent que le robot diminue correctement l’effort de l’utilisateur. En position immobile, augmenter progressivement la compensation de la gravité diminue l’activité musculaire. En mouvement, l’effort requis diminue également lorsque l’inertie et la gravité sont compensées. De plus, les résultats obtenus suggèrent que le port du robot ne modifie pas significativement la dynamique du membre supérieur et reste transparent pour le patient.

Abstract

Every year, 15 million people worldwide suffer from a stroke, and a significant number of them experience a loss of upper limb mobility and motor skills as a result. Rigorous rehabilitation therapy is necessary to restore these functions. Robotic assistance in rehabilitation has proven to be effective in reducing the workload of healthcare professionals and improving patient recovery. Over the past three decades, numerous rehabilitation robots of various designs have emerged. Most of them assist the patient in following a pre-defined or therapist-recorded trajectory. The study presented in this thesis aims to develop an upper limb rehabilitation system that assists the patient in any movement without constraints. In order to avoid the problems associated with fitting an exoskeleton to a patient, the system is based on an end-effector robot that has been modified to attach securely to the patient’s wrist. Assistance is provided in the form of virtual impedance reduction, thereby reducing the effort required from the patient. A nonlinear disturbance observer provides an estimate of the torques applied by the patient and thus the intended movement. An instantaneous target trajectory is generated from this movement intention, dynamic models of the robot and the upper limb and the desired level of impedance reduction. This trajectory is sent to a proportional-derivative controller that commands the actuators torques. Simulations demonstrated the promising capabilities of the system, able to independently compensate for the effects of gravity and/or inertia. In practice, electromyographic measurements show that the robot appropriately reduces user effort. In a stationary position, a gradual increase of the gravity compensation reduces muscle activity. In motion, the required effort also decreases when inertia and gravity are compensated. Furthermore, the obtained results suggest that using the robot does not significantly alter the dynamics of the upper limb and that its use remains transparent to the patient.