Modélisation biomécanique du membre supérieur couplé à l'exosquelette ABLE 7 axes pour la rééducation et la réadaptation de la personne tétraplégique.

Abstract

Tetraplegia results from injury to the spinal cord at the cervical level and significantly affects an individual's autonomy and overall quality of life. To help patients regain some of that quality of life, rehabilitative effort is usually focused on improving mobility in the upper limb, which is frequently considered one of the priorities by patients, conventional manual therapies however have certain limitations regarding therapist availability, patient engagement, precision, intensity, and improvement monitoring. Using exoskeletons to perform robotic rehabilitation offers a promising solution to these shortcomings but their clinical adoption still faces challenges, the main concern being the safety of the user.This thesis therefore focuses on developing a biomechanical model of the human-exoskeleton interaction, specifically tailored to the ABLE 7-axes exoskeleton. This model aims at ensuring patient safety by monitoring joint angles and joint torques in real-time, as well as paving the way towards a tool to optimize rehabilitation exercises based on individual capabilities and goals and track patient progress.The research begins with a detailed review of upper limb functional anatomy and the state-of-the-art in exoskeleton technologies. Challenges such as restricted degrees of freedom, control inefficiencies, and patient-specific adaptability are identified. The thesis then analyzes the potential of using the ABLE 7-axes exoskeleton as a kinematic measurement tool and its impact of natural upper limb kinematics. Kinematic interaction models to estimate the human arm position from exoskeleton data (without relying on external measurement systems) are then developed. The thesis continues to study the impact of the exoskeleton on the upper limb dynamics and develops a dynamic model to compute the human joint torques still based on data acquired only by the exoskeleton.This work contributes to advancing the understanding of the human-exoskeleton interaction and provides a foundation for safer, more effective robotic rehabilitation systems that can significantly improve patient outcomes and quality of life.La tétraplégie, due à une lésion de la moëlle épinière au niveau des vertèbres cervicales, affecte considérablement l’indépendance et la qualité de vie d’une personne. Afin d'aider les patients à regagner une part de leur qualité de vie, la rééducation vise généralement à améliorer la fonctionnalité du membre supérieur, un objectif souvent jugé prioritaire par les patients. Les thérapies manuelles conventionnelles présentent toutefois certaines limites liées à la disponibilité du praticien, l'implication du patient, la précision et l'intensité des exercices ainsi que le suivi efficace de l'évolution du patient. L'utilisation d'exosquelettes dans le cadre de cette rééducation présente des solutions prometteuses à ces lacunes, mais leur adoption en milieu clinique reste confrontée à des défis, la principale préoccupation étant la sécurité de l'utilisateur. Cette thèse se concentre donc sur le développement d'un modèle biomécanique de l'interaction homme-exosquelette, spécifiquement adapté à l'exosquelette ABLE à 7 axes. Ce modèle vise à assurer la sécurité du patient en contrôlant les angles et les couples articulaires du membre supérieur en temps réel, ainsi qu'à ouvrir la voie à un outil permettant d'optimiser les exercices de rééducation en fonction des capacités et des objectifs individuels et d’améliorer le suivi des progrès du patient.L’étude commence par un examen détaillé de l'anatomie fonctionnelle du membre supérieur et de l'état de l'art des exosquelettes de rééducation. Les défis tels que les degrés de liberté restreints, les complexités de contrôle et l'adaptabilité spécifique au patient sont identifiés. La thèse analyse ensuite le potentiel de l'utilisation de l'exosquelette ABLE 7-axes comme outil de mesure cinématique et son impact sur la cinématique naturelle des membres supérieurs. Des modèles d'interaction cinématique permettant d'estimer la position du bras humain à partir des données de l'exosquelette (sans dépendre de systèmes de mesure externes) sont ensuite développés. La thèse se poursuit en étudiant l'impact de l'exosquelette sur la dynamique du membre supérieur et développe un modèle dynamique pour calculer les couples des articulations humaines toujours sur la base des données acquises uniquement par l'exosquelette.Ce travail contribue à faire progresser la compréhension de l'interaction homme-exosquelette et fournit une base pour des systèmes de rééducation robotique plus sûrs et plus efficaces qui peuvent améliorer de manière significative les résultats et la qualité de vie des patients