Caractérisation des effets résiduels du port d'un exosquelette des membres supérieurs sur la coordination inter-articulaire

Characterizing the after-effects of wearing an upper-limb exoskeleton on inter-joint coordination

• Auteur / Autrice : Océane Dubois
• Direction : Nathanaël Jarrassé, Agnès Roby-Brami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et robotique
• Date : Soutenance le 26/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Achard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pauline Maurice, Lorenzo Masia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Watier, Jan Babič

Mots clés

Mots clés contrôlés

Activité motrice

Articulations

Interaction homme-robot

Robots -- Mouvements

Membre supérieur

Exosquelette

Mots clés libres

Exosquelette

Mouvement

Force et contrainte

Coordination humaine

Exoskeletton

Movment

Constraints and forces

Human coordination

Résumé

La robotique d'assistance suscite un intérêt croissant, en particulier les dispositifs portables tels que les exosquelettes. Ces dispositifs peuvent interagir non seulement avec les mains de l'utilisateur dans l'espace des tâches, mais aussi avec ses membres dans l'espace des articulations, fournissant ainsi une assistance optimale. Cependant, les effets globaux de l'interaction robotique (qu'il s'agisse d'assistance, de résistance, de perturbation, etc.) au niveau des articulations sont peu étudiés, même au-delà des scénarios de rééducation. La réaction d'une perturbation au niveau de la main a déjà largement été étudiée. Toutefois, on en sait beaucoup moins sur l'adaptation humaine aux interactions se produisant au niveau des articulations. Cette complexité est accrue par la redondance du corps humain, qui permet à une personne d'effectuer le même mouvement dans l'espace de travail (par exemple, le déplacement de la main) en utilisant différents mouvements articulaires (par exemple, l'épaule, le coude et le poignet). Cette redondance soulève des questions sur la coordination inter-articulaire. En effet, on sait peu de choses sur la façon dont le système nerveux central gère de nombreuses articulations à la fois dans l'espace et dans le temps pour produire un mouvement. L'objectif de cette thèse est de faire progresser les connaissances fondamentales sur la manière dont les personnes s'adaptent au port d'un exosquelette. Plus précisément, la thèse abordera la question suivante : Comment l'exposition répétitive à des perturbations au niveau des articulations affecte-t-elle la coordination inter-articulaire chez l'homme ? La thèse abordera la mesure de la coordination inter-articulaire en passant en revue les mesures actuelles et en adaptant ces mesures pour répondre aux défis de l'évaluation de la coordination inter-articulaire. Ensuite, elle étudiera comment le contrôle moteur humain change en réponse à différents champs de force de faible magnitude (par exemple, visqueux, diminution de gravité) imposés par l'exosquelette robotisé. Il s'agira de comparer les mouvements après une interaction homme-exosquelette à des mouvements naturels impliquant des tâches similaires de pointage du bras. Les mouvements seront enregistrés sans l'exosquelette, avec l'exosquelette et à nouveau sans l'exosquelette, afin d'évaluer les différentes modifications, l'apprentissage et la rétention au niveau de la coordination inter-articulaire. L'étude sera divisée en deux parties. La première partie examinera l'impact à court terme de différents champs de force appliqués par un exosquelette. Dans la seconde partie, l'étude se concentrera sur deux champs de force spécifiques de l'expérience initiale et évaluera l'impact d'une exposition répétée pendant cinq jours consécutifs. Les premiers résultats obtenus avec ces expériences indiquent que les expositions uniques et répétées à des perturbations au niveau des articulations modifient la coordination inter-articulaire sans altérer les performances de la main, grâce à la redondance du bras humain. Les résultats d'une exposition prolongée montrent que la nature et la durée de l'exposition à des champs de force, même de faible amplitude, par un exosquelette influencent de manière significative l'adaptation motrice, conduisant à la rétention de nouveaux comportements de coordination inter-articulaire.

There is a growing interest in assistive robotics, particularly wearable devices such as exoskeletons. These devices can interact not only with the user's hands in the task space but also with their limbs in the joint space, providing optimal assistance and support. However, the overall effects of robotic interaction (whether assistive, resistive, perturbative, etc.) at the joint level are not well understood, even beyond rehabilitation scenarios. While there is substantial knowledge on human motor behavior adaptation when the hand is perturbed by a force field applied by a robot, much less is known about human adaptation to interactions occurring at the joint level.This complexity is heightened by the redundancy of the human body, which allows a person to perform the same movement in the task space (e.g., hand displacement) using different joint movements (e.g., shoulder, elbow, and wrist). This redundancy raises questions about inter-joint coordination. Indeed, little is known about how the Central Nervous System manages numerous joints both spatially and temporally to produce a movement.The aim of this thesis is to advance fundamental knowledge regarding how people adapt to wearing an exoskeleton. Specifically, the thesis will address the following question: How does repetitive exposure to joint-level perturbation affect human inter-joint coordination?The thesis will first address the measurement of inter-joint coordination by reviewing current metrics and adapting these metrics to meet the challenges of assessing inter-joint coordination. Next, it will investigate how human motor control changes in response to different low-magnitude force fields (e.g., viscous, decreased gravity) imposed by the robotic exoskeleton. This will involve comparing movements during human-exoskeleton interactions to natural movements involving similar arm pointing tasks. Movements will be recorded without the exoskeleton, with the exoskeleton and again without the exoskeleton, in order to assess the different modification, learning and retention at the inter-joint coordination level.The study will be divided into two parts. The first part will examine the short-term impact of different force fields applied by an exoskeleton. In the second part, focusing on two specific force fields from the initial experiment, the study will assess the impact of repetitive exposure over five consecutive days.The first results obtained with these experiments indicate that both single and repeated exposures to joint-level perturbations modify inter-joint coordination without altering end-effector performance, thanks to the redundancy of the human arm. Extended exposure results show that the nature and duration of exposure to even low-magnitude force fields by an exoskeleton significantly influence motor adaptation, leading to the retention of new inter-joint coordination behaviors.