Stabilité Posturale d’un Exosquelette Actif de Jambes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Postural Stability of an Active Leg Exoskeleton

Stabilité Posturale d’un Exosquelette Actif de Jambes

Résumé

The postural stability (or balance) of leg exoskeletons, no matter their purposes (medical, military or civil), is a real issue since the user is fastened to them. Indeed, in order to respect the will of the user and his movements to the maximum, we have to study the system balance. Therefore, the purpose of this thesis is to develop balance strategies for a leg exoskeleton designed for industrial applications such as static work. It is about assisting the balance of the coupled system { user + exoskeleton } by dealing with the exoskeleton’s balance subjected to the user’s action. We present a balance control which is inspired by control methods developed by CEA-LIST for the Hercule exoskeleton, as well as by human balance strategies. It is mainly based on the instanta- neous capture point concept. This concept is an efficient tool that can be used in both static and dynamic situations. But its most interesting characteristic is that it gives an information about the direction of the movement and this, in turn, helps anticipate some actions like stepping. The first contribution of this thesis is the application of a classical instantaneous capture point control scheme to a leg exoskeleton that assists a user. The user’s intention is first detected through the position of the instantaneous capture point. Then, depending on the location of this point within the support polygon, the assistance provided by the exoskeleton differs : we defined three control modes that goes from a simple weight compensation to a stepping assistance. It means that the exoskeleton adapts its behaviour to the user’s, and we suppose that the user lets himself be guided by the robot. The second contribution focuses on how we can distribute the effort to the legs. The experience of the « Master-Slave » control of CEA-LIST showed that the main difficulty, for a user, is to handle the weight transfer in order to take the swing leg off and make a step. We suggest a new leg distri- bution, based on the instantaneous capture point, that is able to anticipate perturbations or a step. The exoskeleton transfers the load from one leg to the other, thus easing the movement for the user. The last contribution is related to the underactuation of the exoskeleton (not all the joints are moto- rized) in the double support phase. We propose an optimization algorithm that aims at following the desired leg distribution, and at managing the interaction forces between the user and the exoskeleton. Only the leg distribution part was tested on the exoskeleton EMY-Balance of the CEA-LIST which is an underactuated exoskeleton. This allowed to partially validate experimentally the approach proposed in this thesis.
Quel que soit le type d’exosquelettes de jambes (médical, militaire ou civil), la question de stabi- lité posturale (ou équilibre) du système est très importante, puisqu’il s’agit de robots physiquement attachés à l’utilisateur. Dans le but de respecter au maximum la volonté de l’utilisateur ainsi que ses mouvements, on se doit d’étudier cet aspect. Cette thèse a donc pour objectif de développer des stratégies de commande de gestion d’équilibre pour un exosquelette de jambes pour des applications civiles et industrielles tel que le travail statique. Il s’agit alors d’assister l’équilibre du système couplé { utilisateur valide + exosquelette }, en gérant l’équilibre de l’exosquelette soumis à l’action de l’utilisateur. La commande de gestion d’équilibre proposée s’inspire des commandes développées par le CEA-LIST sur les exosquelettes Hercule et des stratégies de récupération d’équilibre observées chez l’humain. Elle est essentiellement basée sur le concept du point de capture instantané. En effet, le point de capture instantané est un bon outil qui englobe aussi bien le cas statique que le cas dynamique et surtout, qui contient une information sur la direction de mouvement, ce qui nous permet d’anticiper certaines actions comme l’action de faire un pas. La première contribution de cette thèse est l’application d’une commande classique basée sur le point de capture instantané à un exosquelette d’assistance. L’intention de l’utilisateur est détectée à travers la position du point de capture instantané. Suivant sa position dans le polygone de sustentation, l’action de l’exosquelette sur l’utilisateur n’est pas la même : cela va de la simple compensation de gravité à l’assistance au pas. On définit trois modes de commande. L’exosquelette réagit alors en fonction de l’utilisateur en appliquant un effort de correction d’équilibre sur lui et on suppose que l’utilisateur se laisse guider par le robot sans opposer de résistance. La deuxième contribution concerne les coefficients de répartition des efforts sur les deux jambes de l’exosquelette. L’expérience de la commande « Maître-Esclave » du CEA-LIST nous apprend que l’une des difficultés pour l’utiiisateur, est de gérer le transfert du poids du robot pour lever la jambe et faire un pas. On propose alors une nouvelle répartition des efforts basée sur la position du point de capture instantané et capable d’anticiper les perturbations et le pas de l’utilisateur : l’exosquelette anticipe le transfert de charge d’une jambe à l’autre pour faciliter la levée de la jambe de l’utilisateur lorsqu’il veut se déplacer. Enfin, la dernière contribution est la gestion du sous-actionnement (toutes les articulations ne sont pas motorisées) en phase de double support via un calcul d’optimisation qui a pour objectif de suivre la répartition des efforts désirée et de maîtriser les forces d’interaction entre l’utilisateur et l’exosquelette. Seule la répartition des efforts sur les deux jambes a été testé sur l’exosquelette EMY-Balance du CEA-LIST qui est un exosquelette sous actionné. Ceci a permis de partiellement valider expérimentalement l’approche proposée dans cette thèse.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-01714461 , version 1 (23-02-2018)
tel-01714461 , version 2 (06-06-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01714461 , version 1

Citer

Vaiyee Huynh. Stabilité Posturale d’un Exosquelette Actif de Jambes. Automatique / Robotique. Ecole Centrale Nantes, Université Bretagne Loire, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01714461v1⟩
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