Adaptation du mouvement humain à de nouvelles dynamiques gravito-inertielles induites par l’interaction avec un exosquelette de membre supérieur actionné

Adaptation of human motion to new gravito-inertial dynamics induced by interaction with an actuated upper-limb exoskeleton

• Auteur / Autrice : Simon Bastide
• Direction : Bastien Berret, Nicolas Vignais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sport et du mouvement humain
• Date : Soutenance le 08/06/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du sport, de la motricité et du mouvement humain
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences du sport
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexité, innovation, activités motrices et sportives (Orsay, Essonne ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Siegler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mottet, Aymar Goullet de Rugy, Pauline Maurice
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Mottet, Aymar Goullet de Rugy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction homme-robot

Analyse du mouvement

Exosquelette

Mots clés libres

Exosquelette

Gravité

Inertie

Contrôle moteur humain

Membre supérieur

Exoskeleton

Gravity

Inertia

Human motor control

Upper limb

Résumé

L’essor des exosquelettes actionnés s’explique par leur fort potentiel pour prévenir, résorber ou compenser des déficits moteurs. Une interaction symbiotique entre l’utilisateur et l’exosquelette reste toutefois difficile à atteindre. Cette limitation est en partie due au manque de connaissances sur les réponses motrices de l’humain lors de l’interaction avec un exosquelette. Les travaux présentés dans cette thèse proposent d’aborder ce sujet en étudiant l’Interaction Humain-Exosquelette (IHE) au niveau du membre supérieur au travers de deux modes de contrôle dont les applications concrètes sont nombreuses : le mode transparent (i.e. ne pas perturber le mouvement de l’utilisateur) et le mode antigravitaire (i.e. compenser le poids du bras de l’utilisateur). L’interaction avec un exosquelette dans ces deux modes de contrôle induit des dynamiques gravito-inertielles spécifiques qui posent également des questions fondamentales sur la manière dont vont s’adapter les utilisateurs. Dès lors, l’étude des stratégies motrices humaines peut alimenter les connaissances sur les adaptations à ces dynamiques induites et servir de base pour améliorer ces modes de contrôle. Les résultats obtenus montrent que le ralentissement des mouvements observé en mode transparent peut s’expliquer par le manque de compensation de l’inertie. Malgré ces perturbations, plusieurs principes moteurs connus de la littérature sont préservés. Ces considérations permettent ensuite d’améliorer la transparence et de proposer des métriques pour l’évaluer. Ces travaux montrent aussi que les utilisateurs du mode antigravitaire parviennent à exploiter de manière efficiente les efforts fournis par l’exosquelette. Lors des expériences menées sur les deux modes de contrôle, les individus parviennent à s’adapter rapidement aux dynamiques gravito-inertielles induites par l’interaction, en quelques essais. De plus, le comportement vers lequel ils convergent semble être globalement en accord avec les prédictions des modèles de contrôle optimal de la littérature. En conclusion, l’étude précise de l’adaptation motrice des sujets dans différents modes de contrôle peut permettre d’améliorer les lois de contrôle envisagées et de fournir des métriques pour évaluer la qualité de l’IHE.

The rise of actuated exoskeletons is explained by their strong potential to prevent, reduce or compensate for motor deficits. However, symbiotic interaction between the user and the exoskeleton remains challenging to achieve. This limitation is partly due to the lack of knowledge about human motor responses during interaction with an exoskeleton. The work presented in this thesis proposes to address this issue by studying the Human-Exoskeleton Interaction at the level of the upper limb through two initial control modes with numerous concrete applications: the transparent mode (i.e. not to interfere with the user’s movement) and the antigravity mode (i.e. compensating the weight of the arm). The interaction with an exoskeleton in these two control modes induces peculiar gravito-inertial dynamics, raising fundamental questions about how users will adapt. Therefore, studying human motor strategies can provide knowledge on adaptations to these induced dynamics and serve as a basis for improving these control modes. The results obtained show that the slowing down of movements observed in transparent mode can be explained by the lack of inertia compensation. Despite these perturbations, the participants’ nominal motor skills are preserved. These considerations then made it possible to improve transparency and to propose metrics to evaluate it. This work also shows that users of the antigravity mode can efficiently exploit the efforts provided by the exoskeleton. The studies’ results on the two control modes show that individuals manage to adapt quickly to the gravito-inertial dynamics induced by the interaction. Moreover, the behaviour they converge on seems to be broadly in line with the predictions of optimal control models in the literature. In conclusion, the thorough study of the motor adaptation of subjects in different control modes may improve the envisaged control laws and provide metrics to evaluate the quality of the IHE.