Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Orthèses fonctionnelles à cinématique parallèle et sérielle pour la rééducation des membres inférieurs

Schmitt, Carl ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3783.

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    Summary
    Robotics applied to rehabilitation requires specific manipulators: Powered Orthoses. They are orthopedic devices equipped with motors and captors that enable locomotor assistance. These powered orthoses must be capable of reproducing physiological articular trajectories and taking over or simulating the segmentary charges of a movement, mainly walking. One needs to obtain rather high dynamic performances with the help of small activators enabling mechanical integration bearable for its user. This doctoral thesis deals with the conception of such POs as well as it proposes original parallel kinematics that are compared with serial kinematics, i.e. ordinary exoskeletons. We have chosen to limit our study to motor re-education of lower limbs associated to neurological disorders: paratetraplegia, hemiplegia, cerebral palsy, etc. This project was initiated by the Fondation Suisse pour les Cyberthèses (Swiss Foundation for Cyberthoses) in 1999, in collaboration with the Laboratoire de Systèmes Robotiques (Laboratory of Robotic Systems) of the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). It aims at developing systems of motor re-education and walking assistance, associating powered orthosis with trans-cutaneous and closed-loop electrical muscle stimulation: the MotionMaker™ and the WalkTrainer™. Its goal is to create active muscular participation that respects body dynamics of movements and to quicken re-education, whenever possible. In cases of total paralysis, its purpose is to activate lower limbs in order to reduce side-effects and complications resulting from immobilization. The FSC also makes it its ambition to conceive powered orthoses for autonomous walking with functional electric stimulation in its research programme: the WalkMaker™. To begin with, this doctoral thesis defines the biomechanical bases relative to lower limbs and pelvis. Anthropometrical, kinematic and dynamic data of body segments, as well as space-time parameters of walking have been specified. These data have been used in the theoretical models of the conception of the Powered Orthoses, and applied to the numerical simulations carried out in this study. Then we have presented the state of research on orthoses. The number of projects and the diversity of technologies offer a good illustration of the challenge posed when conceiving Powered Orthoses. So far there are no autonomous Powered Orthoses for re-education of ground walking subsequent to neurological trauma. If it is possible to find treadmills on the market, they are however deficient for medical purposes because of the subject's passivity and lack of pelvis mobility. We have then conceived two Powered Orthoses for a stationary training device: firstly, a serial orthosis of the exoskeleton type has been conceived with three articulations: hip, knee and ankle. Its activators consist in connectingrod and crank systems. Secondly, we have devised a device of leg manipulation with a parallel structure (in the shape of the Greek letter lambda λ). We have modelled these two powered orthoses and carried out a numerical simulation of two movements in order to compare their performances: leg press and cycling. The λ parallel powered orthosis gives better results. Before these findings, we built the prototype of the serial powered orthosis for clinical tests for feasibility of closed-loop controlled electric stimulation. The thesis then offers the design of an unprecedented powered orthosis to be integrated into a walker. We have analyzed and modelled a parallel structure with orthogonal connections and another one with λ connections. The comparative results of the numerical simulations of normal speed walking show that the orthogonal powered orthosis is optimal for an autonomous walker. We have built a prototype, and walking tests with healthy subjects prove the feasibility of such a concept. Finally we carried out two studies for a leg-powered orthosis, compatible with a pelvic PO and the walker. An exoskeleton is compared with a parallel structure. For these two systems, the numerical simulations and models give all the kinematic and dynamic features of the activators. Following these results, we chose the parallel PO so as to design an experimental prototype. It is currently being built as we are writing these lines. To complete the procedures, a chapter deals with the integration of the POs into a walker, with the motorization of the mobile frame and with a system of active body relieving. We also present a system of optical measurements of pelvic movements for diagnosis or for biomechanical studies. The last chapter offer guidelines for development in powered orthosis.
    Résumé
    La robotique appliquée à la réhabilitation requiert des manipulateurs spécifiques: les orthèses fonctionnelles (OF). Ce sont des appareils orthopédiques équipés de moteurs et de capteurs qui permettent une assistance des mouvements locomoteurs. Ces OF doivent être capables de reproduire les trajectoires articulaires physiologiques et de reprendre ou simuler les charges segmentaires d'un mouvement corporel, la marche en particulier. Des performances dynamiques relativement élevées sont donc recherchées avec de petits actionneurs permettant une intégration mécanique acceptable pour l'utilisateur. Ce travail de thèse traite de la conception de telles OF en proposant des cinématiques parallèles originales qui sont comparées à des cinématiques sérielles, i.e. les exosquelettes classiques. Le contexte est ici limité aux membres inférieurs pour la rééducation motrice liée à des troubles neurologiques: para-tétraplégie, hémiplégie, infirmité motrice cérébrale, etc. Ce projet fut initié par la Fondation Suisse pour les Cyberthèses (FSC) en 1999, en collaboration avec le Laboratoire de Systèmes Robotiques (LSRO) de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). L'objectif est le développement de systèmes de rééducation motrice et d'assistance à la marche, en associant orthèse fonctionnelle et électromyostimulation transcutanée rétrocontrôlée: le MotionMaker™ et le WalkTrainer™. Le but est de créer une participation musculaire active qui respecte la dynamique corporelle des mouvements et accélère le processus de rééducation, s'il est possible. Dans les cas d'une paralysie complète, le but est de mobiliser les membres inférieurs afin de réduire les effets secondaires et les complications dus à l'immobilisation. Un projet ambitieux d'une OF de marche autonome avec stimulation électrique fonctionnelle fait également partie du programme de recherche de la FSC: le WalkMaker™. Cette thèse établi tout d'abord les bases biomécaniques relatives aux membres inférieurs et au bassin. Les données anthropométriques, cinématiques et dynamiques des segments corporels, ainsi que les paramètres spatio-temporels de la marche sont spécifiés. Ces données sont utilisées dans les modèles théoriques de conception des OF et appliquées aux simulations numériques réalisées dans ce travail. Un état de la recherche sur les orthèses est présenté. La variété des projets et la diversité des technologies illustrent le défi que représente la conception d'OF. A ce jour, il n'existe pas d'OF autonome pour la rééducation de la marche au sol suite à un traumatisme neurologique. Par contre, nous trouvons des systèmes commercialisés d'entraînement sur tapis roulant. Ils sont cependant matière à quelques réserves médicales en relation avec la passivité du sujet et le manque de mobilité orthétique du bassin. Deux OF sont ensuite développées pour un dispositif d'entraînement stationnaire. Une orthèse de type exosquelette est conçue comprenant trois articulations: hanche, genou et cheville. Ses actionneurs sont des systèmes bielle-manivelle. Un dispositif de manipulation de la jambe à structure parallèle, ayant la forme de la lettre grecque lambda (λ) présente une deuxième voie. Ces deux OF sont modélisées et deux mouvements sont simulés numériquement pour une comparaison des performances: le leg presse et le pédalage. L'OF parallèle λ donne de meilleurs résultats. Au préalable, pour des tests cliniques de faisabilités de la stimulation électrique fonctionnelle rétrocontrôlée et avant les études de simulation, un MotionMaker™ prototype comprenant 2 exosquelettes a été réalisé. Concernant la ceinture pelvienne, une OF inédite du bassin, intégrable dans un déambulateur, est étudiée. Une structure parallèle à liaisons orthogonales et une autre à liaisons λ sont analysées et modélisées. Les résultats comparatifs des simulations numériques pour une marche à vitesse normale montrent que l'OF orthogonale est une solution optimale pour un déambulateur autonome. Un prototype a été construit et des essais de marche avec des sujets valides démontrent la faisabilité du concept. Finalement, deux études sont réalisées pour une OF de la jambe, compatible avec l'OF du bassin et le déambulateur. Un exosquelette est comparé à une structure parallèle. Les modélisations et les simulations numériques donnent pour ces deux systèmes toutes les caractéristiques cinématiques et dynamiques des actionneurs. Suite aux résultats, l'OF parallèle a été choisie pour réaliser un prototype expérimental. La fabrication est en cours au moment de la rédaction de ces lignes. Pour terminer les développements, un chapitre traite de l'intégration des OF dans le déambulateur, de la motorisation du cadre mobile et d'un système de décharge corporelle actif. Un système de mesure optique des mouvements du bassin, à but diagnostic ou pour des études biomécaniques, est aussi présenté. Un dernier chapitre propose une démarche à suivre pour le développement d'orthèses fonctionnelles.