Tài liệu Contribution à l’étude d’exosquelettes isostatiques pour la rééducation fonctionnelle, application à la conceptiond’orthèses pour le genou

Contribution ` l’´tude d’exosquelettes isostatiques pour a e la r´´ducation fonctionnelle, application ` la conception ee a d’orth`ses pour le genou. e Viet Anh Dung Cai To cite this version: Viet Anh Dung Cai. Contribution ` l’´tude d’exosquelettes isostatiques pour la r´´ducation a e ee fonctionnelle, application a la conception d’orth`ses pour le genou.. Automatic. Universit´ ` e e Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. French. HAL Id: tel-00641503 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00641503 Submitted on 16 Nov 2011 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. 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Je l’en ree mercie sinc`rement pour m’avoir accompagn´ dans la progression de mon travail, e e de m’avoir bien transmise sa compr´hension ` la m´canique appliqu´e ` la robotique e a e e a qui est tr`s utile dans le cadre de ce travail ainsi que pour ma vie professionnelle e future. Je remercie Monsieur le professeur Vincent Hayward, qui m’a encadr´ durant la e th`se. Il a ´t´ tr`s disponible, r´pondait ` toutes mes questions en d´tail, mˆme pour e ee e e a e e les plus ´l´mentaires. Son savoir a ´t´ une aide certaine pour aboutir aux r´sultats ee ee e positifs du travail. Je tiens ` remercier Monsieur Florian Gosselin, docteur ing´nieur du CEA-LIST, a e qui m’a ´galement encadr´. Son savoir-faire technique ont ´t´ indispensable pour e e ee la r´alisation de nos prototypes. Il a ´t´ aussi toujours tr`s disponible tout au long e ee e du d´roulement de cette th`se. Son aide m’a ´t´ pr´cieux pour la r´daction de ce e e ee e e manuscrit. Mes pens´es vont ´videmment aussi ` mon ´pouse et ` ma famille qui m’ont e e a e a toujours soutenu jusqu’au bout. Leur soutien est une importance d´cisive pour cet e accomplissement. Je remercie tous les doctorants de l’ISIR qui m’ont plus ou moins aid´ durant e le d´roulement de cette th`se. e e Je remercie ´galement le personnel du CEA LIS qui m’ont accueilli durant la e premi`re ann´e de la th`se. Ce fut une p´riode tr`s instructive et tr`s agr´able. e e e e e e e Je remercie Monsieur Sylvain Pl´del pour son travail remarquable de r´alisation e e de notre prototype. Je remercie ´galement Madame Pasqui, Ludovic Saint Bauzel, e Monsieur R´gnier qui m’ont fourni de l’aide en mat´riel afin de pouvoir r´aliser mes e e e exp´riences. e Je remercie Eric Desailly, qui m’a fourni les id´es pour r´aliser les exp´riences e e e n´cessaires afin de pouvoir conclure ce travail. e Un grand merci ` Monsieur Michel Jarrige de la Fondation Ellen Poidatz pour a la r´alisation des coques d’adaptation ` la jambe qui permettent un fonctionnement e a correct de l’orth`se active. e Finalement, j’aimerais remercier le personnel du pˆle administratif qui, grˆce ` o a a une grande efficacit´ a permis le bon d´roulement de cette th`se. e e e Table des mati`res e 1 Introduction 2 Etat de l’art 2.1 Architecture m´canique des robots de r´´ducation fonctionnelle e ee 2.1.1 Approche 1: Bras robotis´ ` contact externe . . . . . . . ea 2.1.2 Approche 2 : Orth`ses multicontacts . . . . . . . . . . . e 2.2 Description anatomique de l’articulation du genou . . . . . . . 2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Anatomie et fonctionnement du genou . . . . . . . . . . 2.2.3 Mod´lisation du mouvement du genou . . . . . . . . . . e 2.2.4 Axe h´lico¨ e ıdal instantan´ . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.3 Mesure des mouvements anatomiques . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 M´thodologie de conception d’exosquelettes isostatiques. Mouvee ment d’auto-ajustement dans le cas de m´canismes plans. e 3.1 Analyse de l’hyperstaticit´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 3.1.1 Rappel: Notion de groupe de d´placements . . . . . . . . . . e 3.1.2 Rappel: Mobilit´ des m´canismes . . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.1.3 Machine de r´´ducation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ee 3.1.4 Orth`se m´dicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.2 Choix de la cin´matique d’un m´canisme iso-statique en tenant e e compte des d´placements musculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . e 3.2.1 Analyse de la transmission d’effort . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Conclusion de l’´tude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 3.3 Propri´t´ d’auto-ajustement des axes de rotation . . . . . . . . . . . ee 3.3.1 M´canismes propos´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.3.2 Analyse du mouvement d’auto-ajustement horizontal . . . . . 3.3.3 Analyse du mouvement d’auto-ajustement vertical . . . . . . 3.3.4 Application sur une articulation anatomique planaire . . . . . 3.3.5 Simulation du comportement des m´canismes . . . . . . . . . e 3.4 Discussion et conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Technique de mesure de la cin´matique de l’articulation e 4.1 Exemple de d´termination du centre de rotation instantan´ d’une e e articulation anatomique dans le cas plan . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 D´termination de l’axe h´lico¨ e e ıdal du mouvement . . . . . . . . . . . 4.2.1 Algorithme d’estimation de l’axe h´lico¨ - M´thode g´om´e ıdal e e e trique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 9 11 14 14 14 16 18 18 20 21 22 22 23 25 27 28 28 33 36 36 40 47 51 52 57 59 60 61 61 iv Table des mati`res e 4.2.2 4.3 4.4 Algorithme d’estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ - M´e e thodes cin´matiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 4.2.3 Algorithme d’estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ par e projection du champ des vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . M´thodes de lissage des donn´es et de d´rivation num´rique . . . . . e e e e 4.3.1 Lissage en position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Lissage en vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Conclusion de l’´tude des techniques de lissage et de d´rivae e tion num´rique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Discussion et conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 70 70 72 74 76 77 5 Conception d’un goniom`tre passif ` six degr´s de libert´ pour la e a e e mesure de la cin´matique du genou e 81 5.1 Conception m´canique du prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 e 5.2 Mod´lisation g´om´trique et cin´matique . . . . . . . . . . . . . . . 83 e e e e 5.2.1 Mod´lisation g´om´trique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 e e e 5.2.2 Mod`le cin´matique pour l’estimation de l’axe h´lico¨ e e e ıdal instantan´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 e 5.3 Analyse des singularit´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 e 5.4 Analyse de l’indice du conditionnement . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.1 Evaluation de l’indice de conditionnement par calcul analytique 87 5.4.2 Evaluation de l’indice de conditionnement par simulation . . 88 5.5 Simulation du fonctionnement de l’´lectrogoniom`tre . . . . . . . . . 89 e e 5.5.1 Estimation des axes h´lico¨ e ıdaux du genou . . . . . . . . . . . 90 5.5.2 Estimation des d´placements articulaires du genou . . . . . . 98 e 5.6 R´sultats exp´rimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 e e 5.6.1 Test sur une charni`re . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 e 5.6.2 Test sur le genou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.7 Discussion et conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6 Conception d’un prototype d’orth`se active pour l’articulation du e genou 113 6.1 Conception m´canique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 e 6.1.1 Conception d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.1.2 D´tails de la conception m´canique . . . . . . . . . . . . . . . 115 e e 6.1.3 Solution d’entraˆ ınement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.1.4 Calcul du contact de Hertz entre l’axe moteur et le disque d’entraˆ ınement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2 Mod´lisation et Analyse des performances du prototype . . . . . . . 122 e 6.2.1 Mod`le g´om´trique du prototype . . . . . . . . . . . . . . . 122 e e e 6.2.2 Mod`le cin´matique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 e e 6.2.3 Analyse des singularit´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 e 6.2.4 Analyse de l’indice du conditionnement . . . . . . . . . . . . 126 6.2.5 Analyse de la transmission des efforts . . . . . . . . . . . . . 128 Table des mati`res e 6.3 6.4 v Evaluations exp´rimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 e Discussion et Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 7 Exemples d’applications des orth`ses actives e 7.1 Asservissement en effort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Commandabilit´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 7.1.2 Impl´mentation de la loi de commande . . . . . . . . . . . . . e 7.2 Exemples d’applications possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Etirement statique pour le traitement de la raideur du genou 7.2.2 Aide ` la flexion du genou pendant la phase d’oscillation du a cycle de la marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Discussion et Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 145 146 148 150 151 8 Conclusion et perspectives 159 A Annexe A.1 Liste A.2 Liste A.3 Liste A.4 Liste A.5 Liste 161 161 162 164 165 167 des des des des des symboles symboles symboles symboles symboles du du du du du chapitre chapitre chapitre chapitre chapitre 3 4 5 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 156 B Annexe 169 B.1 Algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 B.1.1 L’algorithme de mise sous forme ´chelonn´e d’une ´quation e e e matricielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 C Annexe 171 C.1 Identification du mod`le cin´matique du prototype actif pour l’estie e mation de l’AHI par la m´thode cin´matique . . . . . . . . . . . . . 171 e e Bibliographie 175 Table des figures 1.1 Exemple de deux stations de travail fixes pour la r´´ducation ee des membres sup´rieurs et inf´rieurs: (a) MIT-Manus, (b) Rutgers e e Ankle (Girone et al., 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 L’une des premi`res orth`ses actives construites avec des moteurs e e ´lectriques: le Rancho Golden Arm. Le contrˆle est effectu´ s´par´e o e e e ment sur chaque articulation du dispositif. . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Exemple des dispositifs de r´´ducation ayant l’approche cin´matique ee e externe. Image inspir´e de (Casadio et al., 2006). . . . . . . . . . . . e Exemple des dispositifs de r´´ducation ayant l’approche cin´matique ee e interne, ou exosquelette multicontacts. Image inspir´e de (Fornere Cordero et al., 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemples de dispositifs de r´´ducation pour les membres sup´rieurs ee e utilisant l’approche externe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le robot de r´´ducation ` cˆble pour le membre sup´rieur, Nerobot. ee a a e Exemples de robots de r´´ducation des membres inf´rieurs. . . . . . ee e Exemple d’une orth`se polyarticul´e. Exemple adapt´ de (Herzberg e e e and Albrod, 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diff´rents types d’actionneurs lin´aires utilis´s pour des orth`ses du e e e e membre sup´rieur et du genou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Repr´sentation simplifi´e de l’anatomie du genou. . . . . . . . . . . . e e L’augmentation de la contrainte subie par la patella durant la flexion. Image inspir´e de (Kamina, 2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e M´canisme quatre barres qui mod´lise l’articulation du genou. . . . . e e Param´trage de (Grood and Suntay, 1983) pour l’estimation des d´e e placements du genou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Illustration de la notion de l’axe h´lico¨ e ıdal utilis´e pour d´crire le e e mouvement d’un objet dans l’espace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . L’un des premiers ´lectro-goniom`tre du genou, construit au d´but e e e des ann´es soixante-dix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Illustration simplifi´e d’une orth`se con¸ue pour le coude avec un e e c simple pivot. L’hyperstaticit´ est pr´sente sauf lorsque l’axe de rotae e tion co¨ ıncide avec celui du coude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Illustration d’une orth`se iso-statique con¸ue pour le coude. . . . . . e c Repr´sentation graphique de l’axe instantan´ h´lico¨ du genou cale e e ıdal cul´ selon le mod`le de Walker et al. (1985). . . . . . . . . . . . . . . e e Quelques exemples de m´canismes planaires utilisant des liaisons pivot. e Mod´lisation d’un m´canisme compos´ de trois liaisons pivot, attach´ e e e e sur les deux segments d’une articulation. . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 8 9 10 11 12 13 15 16 17 17 18 19 25 26 27 29 30 viii 3.6 Table des figures 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 Mod´lisation d’un m´canisme compos´ de deux liaisons de rotation et e e e une liaison prismatique, attach´ sur les deux segments d’une articue lation. Cas 1: Le m´canisme RPR (Rotation - Prismatique - Rotation). e Mod´lisation d’un m´canisme compos´ de deux liaisons de rotation et e e e une liaison prismatique, attach´ sur les deux segments d’une articue lation. Cas 2: Le m´canisme PRR (Prismatique - Rotation -Rotation). e Solution de d´couplage des forces et des couples dans un exosquee lette (Stienen et al., 2009a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mod´lisation d’un m´canisme compos´ d’une seule liaison pivot et e e e deux liaisons prismatiques (PPR), attach´ sur les deux segments e d’une articulation planaire ` un degr´ de mobilit´. . . . . . . . . . . a e e Solution cin´matique originale pour le coude (Stienen et al., 2009a). e Les deux m´canismes homocin´tiques PRP mis en parall`le avec une e e e liaison pivot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuration de fonctionnement des deux m´canismes en chaˆ fere ıne m´e lorsqu’ils sont hors singularit´. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e Les deux m´canismes dans leur position singuli`re. . . . . . . . . . . e e Les deux m´canismes mod´lis´s avec une liaison pivot suppl´mentaire e e e e munie d’une ´lasticit´. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e Mod´lisation compl`te du syst`me adaptatif horizontal. . . . . . . . e e e Le placement du m´canisme PRP sur les deux segments fl´chis de la e e liaison pivot P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le m´canisme dans sa position singuli`re . . . . . . . . . . . . . . . . e e Mod´lisation du m´canisme pendant le mouvement d’auto-ajustement. e e Mod´lisation du syst`me lorsque l’angle θ4 reste constant pendant le e e mouvement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mod´lisation du syst`me lorsqu’il est dans une position quelconque. e e Le m´canisme auto-ajustable verticalement dans sa position initiale e sur les segments P A et P D au moment o` ils sont fl´chis (apr`s avoir u e e obtenu l’auto-ajustement horizontal). . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mod´lisation du syst`me dans sa position initiale. . . . . . . . . . . . e e Mod´lisation du m´canisme ` t = Cte durant lequel les segments P A e e a et P D sont consid´r´s comme immobiles. . . . . . . . . . . . . . . . ee Mod´lisation du m´canisme PRP en parall`le avec une articulation e e e planaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M´canismes utilis´s dans les simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . e e Diff´rentes configurations du m´canisme PRP pendant la simulation. e e Diff´rentes configurations du m´canisme PMP pendant la simulation. e e R´sultats de la simulation du mouvement d’auto-ajustement horizontal. e M´canisme PRP utilis´ dans la simulation. . . . . . . . . . . . . . . e e Diff´rentes configurations du m´canisme PRP pendant la simulation. e e R´sultats de la simulation du mouvement d’auto-ajustement vertical. e 4.1 Mod´lisation d’un syst`me de mesure plan . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 32 32 34 34 36 37 37 39 39 40 42 42 44 46 47 48 49 50 51 52 53 53 55 56 56 58 60 Table des figures ix 4.2 4.3 4.4 4.5 Mod´lisation g´n´rale d’un corps solide rigide dans l’espace. . . . . e e e Le d´placement fini d’un objet solide rigide dans l’espace. . . . . . e R´sultat des lissages de position sur une donn´e du potentiom`tre. e e e R´sultat de l’estimation en vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 5.1 5.2 CAO du prototype passif pour la mesure de la cin´matique du genou. 82 e Param´trage du prototype passif pour la mesure de la cin´matique e e du genou selon la convention de Denavit-Hartenberg. . . . . . . . . . 83 L’indice de conditionnement du dispositif obtenu par simulation. . . 89 Le mod`le CAO pour la simulation de l’´lectrogoniom`tre du genou. 90 e e e Repr´sentation en 3D du r´sultat de l’estimation de l’axe h´lico¨ e e e ıdal instantan´ par la m´thode cin´matique pour le cas d’un axe de e e e rotation fixe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Erreur d’estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ par la m´thode e e cin´matique pour le cas d’un axe de rotation fixe. . . . . . . . . . . . 91 e Estimation exacte de l’axe h´lico¨ e ıdal variable. . . . . . . . . . . . . . 92 Estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal fini par la m´thode g´om´trique. . . . 93 e e e Erreur d’estimation de l’axe h´lico¨ fini par la m´thode g´om´trique. 93 e ıdal e e e Estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ par la m´thode de fenˆtre e e e adaptative et estimation des largeurs de fenˆtre de d´rivation. . . . . 94 e e Erreur d’estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ par la m´thode de e e fenˆtre adaptative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 e Estimation de l’axe h´lico¨ instantan´ par la m´thode g´om´trique e ıdal e e e e avec diff´rentes longueurs de fenˆtre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 e e Erreur d’estimation de la m´thode GE sans lissage. . . . . . . . . . . 96 e Erreur d’estimation de la m´thode DF sans lissage. . . . . . . . . . . 96 e Estimation de l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ par la m´thode DF avec e e utilisation d’un filtre de Butterworth d’ordre 4. . . . . . . . . . . . . 97 Comparaison des m´thodes DF et FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 e Param´trage de (Grood and Suntay, 1983) pour l’estimation des d´e e placements du genou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Vitesse de rotation angulaire en fonction de l’erreur de calibration. . 102 Vitesse de d´placement lin´aire en fonction de l’erreur de calibration. 102 e e Erreur d’estimation des variations angulaires en fonction de l’erreur de calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Erreur d’estimation des variations lin´aires en fonction de l’erreur de e calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 L’´lectrogoniom`tre fix´ sur une simple charni`re. . . . . . . . . . . . 104 e e e e R´sultat d’estimation de l’axe h´lico¨ e e ıdal de la charni`re. . . . . . . . 105 e Erreur d’estimation calcul´e avec un axe approximatif de la charni`re. 106 e e R´sultat d’estimation de variations angulaires. . . . . . . . . . . . . 106 e Le goniom`tre et l’ensemble des marqueurs optiques fix´s sur la jambe e e du sujet pendant l’exp´rience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 e 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 . . . . 62 63 73 77 x Table des figures 5.27 Vitesses angulaires et d´placements angulaires du genou pendant e l’exp´rience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 5.28 Axes instantan´s estim´s par les deux syst`mes. . . . . . . . . . . . . e e e 5.29 Ecart et inclinaison entre les axes estim´s par les deux syst`mes. . . e e 5.30 Exemple de goniom`tre avec l’attachement d’un ´l´ment flexible sur e ee l’´picondyle lat´rale du f´mur (Townsend et al., 1977). . . . . . . . . e e e 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 107 108 108 111 Vue CAO de l’orth`se active. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 e Exemple de r´alisation d’une liaison de rotation. . . . . . . . . . . . 115 e Montage du potentiom`tre sur la premi`re liaison du m´canisme. . . 116 e e e Montage du potentiom`tre sur la liaison glissi`re. . . . . . . . . . . . 116 e e Vue CAO de la solution d’entraˆ ınement par friction. . . . . . . . . . 118 Vue CAO de l’ensemble de la solution d’entraˆ ınement ` deux ´tages. 118 a e Mod´lisation du probl`me de contact entre deux cylindres. . . . . . . 119 e e Param´trage du syst`me selon la convention de Denavit - Hartenberg. 122 e e L’indice de conditionnement obtenu par simulation. . . . . . . . . . . 127 Mod`le utilis´ pour la simulation de la transmission des efforts sous e e CosmosMotion - SolidWorks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 R´sultat de simulation de la transmission d’effort: Transmission des e forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 R´sultat de simulation de la transmission d’effort: Transmission des e couples ` la jambe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 a R´sultat de simulation de la transmission d’effort: Transmission des e couples ` la cuisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 a Profils de vitesse et de variation angulaire du premier axe du m´cae nisme (axe motoris´). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 e Variation angulaire de l’axe 1 pendant une exp´rience. . . . . . . . . 137 e Axe h´lico¨ e ıdal instantan´ mesur´ par le prototype actif. . . . . . . . 137 e e Trajectoires des points de contact entre l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ e et les plans z0 = −10cm et z0 = −20cm pour les 3 mouvements de flexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Profil de distance et d’inclinaison des 3 mouvements de flexion pendant l’exp´rience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 e Trajectoires des points de contact entre l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ e et les plans z0 = −10 cm et z0 = −20 cm pour les 3 mouvements d’extension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Profil de distance et d’inclinaison des 3 mouvements d’extension pendant l’exp´rience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 e Variations angulaires estim´es pendant 3 exp´riences diff´rentes. . . 140 e e e Trajectoires moyennes des deux points de contact entre l’axe h´lico¨ e ıdal instantan´ et les plans z0 = −10 cm et z0 = −20 cm pour les e mouvements de flexion estim´s pendant 3 exp´riences diff´rentes. . . 140 e e e Profils moyens de distance et d’inclinaison des mouvements de flexion pendant 3 exp´riences diff´rentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 e e Table des figures 6.24 Orth`se fix´e sur la jambe d’un sujet. e e 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 xi . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Param´trage du prototype avec capteur d’effort. . . . . . . . . . . . e Courbe de Bode du correcteur ` retard de phase. . . . . . . . . . . . a Sch´ma de commande en effort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Asservissement en effort avec une consigne nulle. . . . . . . . . . . . Vitesses et positions angulaires de l’axe 1 du m´canisme durant le e test d’asservissement d’effort nul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Sch´ma de commande hybride pour l’application d’´tirement statique e e du genou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 R´sultats de l’exp´rience d’´tirement statique articulaire. . . . . . . e e e 7.8 Mesures des six composantes de l’effort d’interaction durant l’exp´e rience d’´tirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 7.9 R´sultat de l’exp´rience d’assistance ` la flexion pendant la marche: e e a Mesure du couple d’interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10 R´sultat de l’exp´rience d’assistance ` la flexion pendant la marche: e e a Mesure de la vitesse et de la position angulaire du premier axe de rotation de l’orth`se. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 146 149 149 149 150 151 152 153 155 156 Liste des tableaux 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Notation des groupes de d´placements des liaisons simples. . . . . . e R`gle de d´termination du nombre de degr´s de libert´ et du nombre e e e e de motorisations des dispositifs actifs de r´´ducation fonctionnelle ee pour assurer la propri´t´ d’iso-statisme de l’ensemble « m´canisme – ee e segments corporels ». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trois cas de mauvaises transmissions d’effort sur le segment corporel. R´sultats de l’analyse de transmission d’effort pour le cas d’un m´e e canisme planaire compos´ de trois liaisons pivots. . . . . . . . . . . . e R´sultat de l’analyse de transmission d’effort pour le cas du m´e e canisme RPR compos´ de deux liaisons de rotation et une liaison e prismatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´sultat de l’analyse de transmission d’effort pour le cas du m´e e canisme PRR compos´ de deux liaisons de rotation et une liaison e prismatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse de la transmission d’effort des orth`ses utilisant un m´cae e nisme plan, con¸ues pour une articulation anatomique ` un degr´ de c a e mobilit´. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 22 27 29 31 32 33 35 4.1 4.2 4.3 Algorithme de d´termination de la longueur de la fenˆtre de d´rivation. 75 e e e Filtre m´dian pour 5 valeurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 e Comparaison des m´thodes de lissage et de d´rivation num´rique e e e utilis´es pour l’estimation de l’axe h´lico¨ e e ıdal fini ou instantan´. . . . 79 e 5.1 Param`tres g´om´triques du prototype selon la convention de e e e Denavit-Hartenberg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Composantes du vecteur vitesse instantan´ du genou utilis´es dans e e la simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 6.1 Param`tres g´om´triques du prototype selon la convention de e e e Denavit-Hartenberg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1 Premier algorithme de d´tection de la flexion du sujet et de renfore cement de la flexion. T est la p´riode d’´chantillonage du syst`me. . 154 e e e Chapitre 1 Introduction L’usage d’appareils ´lectrom´caniques, notamment les orth`ses articulaires, est e e e de plus en plus courant dans le domaine de la rhumatologie-orthop´die. Ils sont e le plus souvent utilis´s pour immobiliser ou limiter le mouvement articulaire, c’est e le cas des orth`ses passives. Ils peuvent aussi, notamment pour les orth`ses ace e tives, jouer un rˆle fonctionnel tel que la compensation d’une fonction d´ficitaire ou o e l’assistance d’une structure articulaire ou musculaire. Ces appareils, souvent d´vee lopp´s sous forme d’exosquelettes ou de machines de levage ou encore d’interfaces e a ` retour d’effort, offrent non seulement une aide technique aux th´rapeutes, mais e peuvent aussi fournir des donn´es cin´matiques et/ou dynamiques. Ils sont en efe e fet munis de capteurs de position et/ou d’effort, et peuvent apporter des donn´es e quantifiables qui pourront ˆtre utilis´es dans le cadre d’un diagnostic ou d’une th´e e e rapie. On peut ´galement les programmer pour diff´rents exercices de r´´ducation e e ee tels que le recouvrement des capacit´s articulaires, le renforcement musculaire, ou e la r´-programmation neurosensorielle. e Dans ce contexte, la recherche sur de nouveaux syst`mes exploitant les teche niques de la robotique (sous forme d’interfaces homme-machine ou de robots portatifs) n’a cess´ de se d´velopper ces derni`res ann´es. Cette recherche, qui regroupe e e e e des connaissances de diverses domaines tels que la m´catronique, la commande, la e biom´canique et les neurosciences, trouve principalement des applications en r´´due ee cation fonctionnelle. Le principe de la r´´ducation fonctionnelle est de stimuler ou ee assister l’une des tˆches des processus moteur et/ou cognitif (qui est par d´finition a e une s´quence de diff´rentes tˆches comprenant la perception, le raisonnement, la e e a planification et l’ex´cution de l’action) afin de permettre le recouvrement progressif e d’une fonction d´ficiente. Nous distinguons principalement deux types de syst`mes e e robotiques de r´´ducation : ee – Les stations de travail fixes munies de m´canismes command´s robotis´s ou e e e d’interfaces ` retour d’effort qui sont utilis´s pour r´aliser diff´rents exercices a e e e de r´´ducation en imposant un travail, moteur ou r´sistant, sur la partie disee e tale d’un membre. Ces syst`mes permettent, dans une certaine mesure, de e maˆ ıtriser le travail d’un groupe d’articulations, mais pas la coordination. – Les orth`ses polyarticul´es actives qui sont utilis´es soit pour guider les e e e membres du sujet selon des trajectoires pr´d´finies, soit pour produire des e e efforts sur les membres en diff´rents lieux. Multicontacts, ces syst`mes pere e mettent de faire travailler les articulations de mani`re s´lective, ainsi que e e d’avoir une maˆ ıtrise sur les contraintes, le mouvement et les coordinations. Les stations de travail robotis´es sont apparues au milieu des ann´es 70. Ces e e 2 Chapitre 1. Introduction stations ont ´t´ utilis´es dans un premier temps comme dispositifs de suppl´ance ee e e fonctionnelle pour aider des sujets t´trapl´giques ` effectuer les tˆches quotidiennes : e e a a (Schneider et al., 1981), (Paeslack and Roesler, 1977), le syst`me MASTER - (Buse nel et al., 1999). L’utilisation de ces stations de travail robotis´es pour la r´´due ee cation fonctionnelle des membres sup´rieurs a d´but´ plus tard, dans les ann´es e e e e quatre-vingt dix. L’un des syst`mes de r´´ducation les plus connus est le MITe ee Manus (Hogan et al., 1992). Ce syst`me, dot´ de deux degr´s de libert´ motoris´s, e e e e e permet de guider ou de suivre le mouvement de l’effecteur du membre sup´rieur du e patient dans un plan. Il permet de guider et d’aider le mouvement du bras lorsque c’est n´cessaire pendant l’ex´cution d’un mouvement pr´d´fini. e e e e Figure 1.1 – Exemple de deux stations de travail fixes pour la r´´ducation des ee membres sup´rieurs et inf´rieurs : (a) MIT-Manus, (b) Rutgers Ankle (Girone et al., e e 2001). Les orth`ses polyarticul´es actives se rapprochent quant ` elle des proth`ses qui e e a e font leur apparition d`s la p´riode de l’Egypte antique. Ces derni`res sont destin´es e e e e a ` remplacer toute ou partie d’un membre perdu. Pouvant ˆtre passives ou actives, e elles comportent des articulations m´caniques qui peuvent ˆtre de simples pivots, ou e e des syst`mes plus complexes comme les m´canismes polycentriques qui permettent e e de r´aliser des mouvements plus physiologiques. De nombreux brevets de proth`ses e e polycentriques existent pour le genou : (Campbell, 1977), (Andrysek et al., 2006). R´cemment, des proth`ses ` micro-processeurs (James, 1996) ont ´t´ mises au point e e a ee et commencent ` ˆtre commercialis´es. ae e Contrairement aux proth`ses, les orth`ses ne recr´ent pas une fonction mane e e quante mais corrigent une fonction d´ficiente. D’apr`s (Hillman, 2004), les pree e mi`res orth`ses actives ont ´t´ con¸ues tr`s tˆt, pour la premi`re fois dans les e e ee c e o e ann´es soixante. Elles sont utilis´es pour mouvoir les membres paralys´s d’une pere e e sonne, afin de permettre une r´´ducation graduelle des articulations des membres ee inf´rieurs ou sup´rieurs, grˆce ` des exercices r´p´titifs. Il faut cependant attendre e e a a e e jusqu’` la fin des ann´es quatre-vingt-dix pour voir l’essor de ces syst`mes, grˆce a e e a aux avanc´es de l’informatique. e 3 Figure 1.2 – L’une des premi`res orth`ses actives construites avec des moteurs e e ´lectriques : le Rancho Golden Arm. Le contrˆle est effectu´ s´par´ment sur chaque e o e e e articulation du dispositif. Les travaux de recherche d´velopp´s dans ce m´moire proposent des principes e e e nouveaux pour la conception d’orth`ses articulaires fond´s sur des m´canismes pr´e e e e sentant des propri´t´s d’ajustement g´om´trique ` la liaison anatomique concern´e ee e e a e et d’adaptation au mouvement physiologique de cette derni`re. e Ils ont ´t´ inspir´s par l’analyse faite des goniom`tres ` six degr´s de libert´ ee e e a e e existants apparus dans les ann´es soixante-dix (Johnston and Smidt, 1969), (Kete telkamp et al., 1970), (Kinzel et al., 1972), (Townsend et al., 1977). Ces principes font appel ` des propri´t´s g´om´triques particuli`res de certains a ee e e e m´canismes en chaˆ ferm´e. Ils ont tout d’abord ´t´ mis en oeuvre pour concee ıne e ee voir un ´lectrogoniom`tre qui pr´sente des performances permettant de d´termie e e e ner la position et l’orientation de l’axe instantan´ du mouvement de l’articulation e (sous charge) avec une pr´cision de l’ordre du millim`tre en position et du degr´ en e e e orientation. Cette pr´cision pourrait ´videmment ˆtre am´lior´e avec un m´canisme e e e e e e optimis´ et des capteurs de position plus performants. e Un goniom`tre actif est ´galement propos´ et ´valu´. Il offre la possibilit´ de e e e e e e d´terminer l’axe du mouvement articulaire cette fois en appliquant une action dirie g´e pr´cis´ment selon l’axe physiologique de la liaison pour maˆ e e e ıtriser par exemple la vitesse ou le couple articulaire appliqu´. e Organisation de la th`se e Le deuxi`me chapitre pr´sente un ´tat de l’art de diff´rents m´canismes de r´´due e e e e ee cation articulaire. Il comprend tout d’abord une courte pr´sentation de diff´rentes e e approches pour la conception m´canique de tels syst`mes. L’anatomie de l’artie e culation du genou est pr´sent´e par la suite, ainsi que la notion d’axe h´lico¨ e e e ıdal instantan´ qui permet de d´crire sa cin´matique. L’´tat de l’art sur les techniques e e e e de mesure articulaire, utilisant les ´lectrogoniom`tres, est ´galement abord´. e e e e Des contraintes de conception bien connues de ces syst`mes sont ensuite analye