Analyse du contrôle moteur humain pour différents niveaux d'assistance induits par un exosquelette actif du membre supérieur

Analysis of human motor control through different levels of assistance provided by an active upper limb exoskeleton

• Auteur / Autrice : Dorian Verdel
• Direction : Bastien Berret, Olivier Bruneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sport et du mouvement humain
• Date : Soutenance le 15/03/2023
• 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 : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sport, Mouvement, Facteurs Humains (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexité, innovation, activités motrices et sportives (Orsay, Essonne ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Burdet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Bringoux, Gentiane Venture, Agnès Roby-Brami
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Bringoux, Gentiane Venture

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Neurosciences

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Interactions humain-exosquelette

Lois de contrôle

Contrôle moteur

Contrôle optimal

Human-Exoskeleton Interactions

Control laws

Motor Control

Optimal Control

Résumé

Les exosquelettes actifs sont des systèmes prometteurs, dont les nombreuses applications potentielles visent essentiellement à prévenir et traiter les déficiences motrices. Ce potentiel est, actuellement, sous-exploité. Les principales raisons de cette sous exploitation sont, d'abord, les limites des exosquelettes, tant en termes de conception mécanique que de conception de modes de contrôle, ensuite, les limites des connaissances quant à l'adaptation du mouvement humain lors de l'interaction avec un exosquelette.Ces travaux de thèse se basent sur l'hypothèse selon laquelle un développement conjoint des exosquelettes et des connaissances en contrôle moteur humain pourrait permettre d'améliorer la qualité de l'interaction. Nous montrerons notamment que, l'évaluation des exosquelettes par des métriques inspirées du contrôle moteur et la caractérisation de l'adaptation du mouvement humain, en réponse à des efforts appliqués par l'exosquelette, constituent un cercle vertueux.Au cours de ces travaux, un mode transparent (i.e., l'exosquelette suit le mouvement humain en le perturbant le moins possible) et un mode antigravitaire (i.e., l'exosquelette compense le poids du membre humain) ont été développés et évalués sur un exosquelette de membre supérieur. Ces développements ont d'abord permis d'améliorer la transparence de l'exosquelette, par la conception d'une loi de contrôle puis d'interfaces humain-exosquelette. Ensuite, la prise en compte des défauts d'alignement articulaires entre l'humain et l'exosquelette a permis la conception d'un mode antigravitaire efficace et individualisé.Ces développements ont ensuite été utilisés pour tester et étendre deux théories influentes en contrôle moteur : la théorie d'exploitation optimale de la gravité ambiante dans la planification du mouvement et la théorie du coût du temps. L'extension de ces deux théories pourrait avoir des implications intéressantes pour le développement futur des exosquelettes. D'abord, l'utilisation de champs gravitaires réduits est une méthode classique d'utilisation des exosquelettes en rééducation neuromotrice. Une meilleure compréhension de l'adaptation du mouvement humain à de tels champs pourrait donc, par exemple, permettre la conception de nouveaux protocoles de rééducation. Ensuite, l'extension de la théorie du coût du temps pourrait permettre de prédire la durée de mouvements arbitraires à partir d'une identification simple. Cela pourrait, notamment,permettre de mieux estimer les trajectoires autour desquelles le mouvement humain peut être assisté. Ces travaux de thèse ont d'abord permis de montrer que le mouvement humain s'adapte très rapidement et optimalement à des champs gravitaires arbitraires, y compris inversés (i.e., dirigés vers le haut). Ensuite, un compromis optimal entre effort et temps de mouvement, sous-tendu par un coût du temps, a pu être mis en évidence et quantifié. Cela a notamment permis de montrer que l'interaction avec un exosquelette qui serait plus lent que les mouvements planifiés par l'humain, peut conduire ce dernier à dépenser des quantités importantes d'énergie pour gagner du temps, ce qui conduirait nécessairement à une fatigue prématurée et une baisse de l'acceptabilité du système lors d'une utilisation prolongée.Ces travaux de thèse illustrent le cercle vertueux précédemment introduit montrent ses effets bénéfiques, tant pour le développement et l'évaluation des exosquelettes que pour l'extension de théories sur le contrôle moteur humain. Ils ouvrent également de nombreuses perspectives pour le développement de nouveaux exosquelettes actifs, pour leur utilisation à large échelle en recherche sur le contrôle moteur humain et pour des applications en rééducation neuromotrice et en prévention des troubles musculo-squelettiques au travail.

Active exoskeletons are promising devices with a wide range of potential applications, mainly in the prevention and treatment of motor deficiencies. This potential is currently under-exploited. The main causes of this under-exploitation are, firstly, the limitations of exoskeletons, both in terms of mechanical design and control mode design, and secondly, the limitations of knowledge regarding human movement adaptation during the interaction with an exoskeleton.This thesis work is based on the hypothesis that a joint development of exoskeletons and knowledge regarding human motor control could improve the quality of interaction. We will show that, the evaluation of exoskeletons using metrics inspired by motor control and the analysis of the adaptation of human movement in response to efforts applied by the exoskeleton constitute a virtuous circle.In the course of this work, a transparent mode (i.e., the exoskeleton follows the human movement while disturbing it as little as possible) and an antigravity mode (i.e., the exoskeleton compensates for the weight of the human limb) were developed and evaluated on an upper limb exoskeleton. These developments first allowed to improve the transparency of the exoskeleton, by improving the control law and the human-exoskeletoninterfaces. Then, the consideration of joint misalignments between the human and the exoskeleton allowed the design of an efficient and individualised antigravity mode.These developments were then used to test and extend two influential theories in motor control : the theory of optimal exploitation of ambient gravity in motion planning and the theory of the cost of time. The extension of these two theories could have interestingimplications for the future development of exoskeletons. Firstly, the use of reduced gravity fields is a conventional method of using exoskeletons in neuromotor rehabilitation. A better understanding of the adaptation of human movement to such fields could,therefore, allow the design of new rehabilitation protocols. Secondly, the extension of the cost of time theory could make it possible to predict the duration of arbitrary movements from a simple identification procedure. This could, in particular, allow a better estimation of the trajectories around which human movement can be assisted. This thesis work first showed that human movement adapts very quickly and optimally to arbitrary gravity fields, including inverted ones (i.e., upwards). Then, an optimal trade-off between effort and movement time, subtended by a cost of time, was highlighted and quantified. In particular, it was possible to show that interaction with an exoskeleton slower than the human's planned movements can lead the latter to spend significant amounts of energy to save time, which would necessarily lead to premature fatigue and reduced acceptability of the device during extended utilisation.This thesis work has established the previously introduced virtuous circle and shown its beneficial effects, both for the development and evaluation of exoskeletons, and for the extension of theories regarding human motor control. They also pave the path for thedevelopment of new active exoskeletons, for their widespread use in human motor control research, and for applications in neuromotor rehabilitation and prevention of musculoskeletal disorders at work.