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CE33 - Interaction, robotique

Vers une symbiose entre exosquelette et humain : investigation de la manière dont l'humain s'adapte à l'interaction avec un exosquelette robotisé du membre supérieur – EXOMAN

Vers une symbiose entre exosquelette et humain : étude du contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette robotisé du membre supérieur

L’utilisation d’exosquelettes robotisés est prometteuse dans les champs de la santé et de l’ergonomie au travail mais le manque de compréhension du contrôle moteur humain en interaction avec ce type de dispositif reste un facteur limitant leur efficacité.

Comprendre le contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette pour améliorer les lois d’assistance et tendre vers une symbiose entre un utilisateur et son exosquelette.

L’objectif global du projet EXOMAN est d’améliorer la symbiose entre humains et exosquelettes. Pour ce faire, nous envisageons de produire de nouvelles connaissances fondamentales sur l’Interaction Homme-Exosquelette (IHE) en se concentrant sur la dimension humaine. L’utilisation des exosquelettes est prometteuse dans les champs de l’ergonomie et de la santé, que ce soit pour prévenir les troubles musculo-squelettiques ou compenser des déficits moteurs. Plus précisément, les exosquelettes actifs peuvent fournir un moyen d’assister les mouvements d’un patient ou d’un travailleur avec tous les avantages offerts par la robotique : répétabilité, précision et adaptabilité. Après une croissance exponentielle des recherches dédiées au développement d’exosquelettes robotisés durant la dernière décennie, plusieurs modèles ont été développés. En particulier, les exosquelettes du membre supérieur ont généré un intérêt considérable, avec beaucoup d’applications liées à la manipulation d’objets dans des contextes à la fois cliniques et industriels. A ce jour cependant, le transfert de ce type de recherches vers des applications pratiques (c’est-à-dire, en dehors du laboratoire) reste limité. En outre, les bénéfices de ces appareils par rapport à des techniques existantes (ex. : ergonomie proactive ou thérapies manuelles) manquent de fondement scientifique. Certains aspects du design des exosquelettes limitent visiblement leur utilité et applicabilité dans les situations de la vie réelle. Au-delà des défis technologiques inhérents à ce type d’appareil (actionneurs, poids élevé, source d’énergie…), un problème plus fondamental est lié à notre manque de compréhension du contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette. Notre hypothèse de recherche est que des avancées significatives autour des exosquelettes robotisés iront de pair avec une meilleure compréhension de la contribution humaine dans l’IHE, cette contribution pouvant être intégrée au contrôle des exosquelettes si elle peut être mieux anticipée. Quantifier et déchiffrer comment et pourquoi l’humain adapte ses mouvements lorsqu’il porte un exosquelette actif de membre supérieur constitue donc le fil rouge de ce projet.

Le projet EXOMAN est organisé autour de 4 axes de travail. Les tests expérimentaux seront conduits sur l’exosquelette ABLE, un exosquelette du membre supérieur motorisé et hautement réversible. Premièrement, une plateforme technologique permettant la mesure d’un ensemble exhaustif de paramètres du mouvement humain (cinématiques, dynamiques et énergétiques) durant l’interaction humain-exosquelette sera développée (WP1). Ceci permettra de conduire des analyses expérimentales approfondies et une modélisation du comportement moteur humain en interaction avec ABLE (WP2). Comme l’adaptation de l’humain dépendra vraisemblablement des lois de contrôle appliquées par le robot ainsi que de l’interfaçage physique entre l’utilisateur et l’exosquelette, deux axes de recherche complémentaires sont envisagés. D’un côté, des lois de contrôle anthropomorphes de haut niveau seront développées et testées (WP3). D’un autre côté, l’interfaçage physique entre la personne et l’exosquelette sera optimisé (WP4). Comme mouvement de référence, une tâche appliquée standardisée sera d’aider ou d’assister l’opérateur à bouger son bras ainsi qu’une masse, d’un point à un autre, de manière intuitive, confortable et à moindre effort. Ce projet interdisciplinaire impliquant des chercheurs du contrôle moteur humain et des roboticiens abordera à la fois des questions fondamentales et technologiques pour améliorer notre compréhension de l’IHE et améliorer l’utilité des exosquelettes dans les applications du monde réel.

Le projet a permis d’établir une plateforme composée d’un robot exosquelette ABLE 4D dernière génération, d’un système optoélectronique pour l’enregistrement de données cinématiques, d’EMG sans fils, de deux capteurs d’effort placés sur le bras et l’avant-bras du robot pour mesurer les efforts d’interaction. Le deuxième objectif scientifique était d’étudier le comportement moteur humain et son adaptation dans plusieurs expériences qui diffèrent essentiellement par le type de lois de contrôle et d’attaches considérées. Plusieurs études ont été menées durant la première partie du projet, avec l’accord des comités d’éthiques locaux. La transparence de l’exosquelette a pu être améliorée grâce à l’identification précise des paramètres de l’exosquelette. Un mode antigravitaire compensant le poids du bras humain a aussi été développé et étudié en profondeur aux niveaux méthodologique et comportemental. Il montre que les utilisateurs s’adaptent très rapidement à ce changement gravitaire local et ré-optimisent leur mouvement en se basant sur des principes d’économie d’énergie. Enfin, le comportement des utilisateurs face à un mode d’assistance complet mais associant une vigueur volontairement trop faible a été investigué et les résultats confirment que la vigueur, c’est-à-dire la vitesse de l’action résultante, est certainement un point clé de l’interaction humain-exosquelette. Différentes solutions d’interface physique ont aussi été testées pour évaluer l’influence des attaches sur la qualité de l’interaction et le comportement moteur de l’humain. En parallèle, une première série d’expériences a été réalisée sur la coordination interarticulaire au niveau de l’épaule et du coude à la suite de l’exposition à un champ de force visqueux. L’effet de ce mode de contrôle était plus marqué chez des personnes ayant une vigueur de mouvement plus élevée. Les changements dans les synergies motrices et la fluidité du mouvement étaient également variables selon la position des cibles. Une deuxième série d’expériences est en cours pour évaluer les effets du couplage bras-exosquelette sur la perception d’outils tenus à la main. Les résultats préliminaires de ce travail indiquent que les attaches et la masse de l’exosquelette ne dégradent pas la perception de la longueur de l’objet tenu dans la main. La prochaine phase d’expérimentation permettra de vérifier comment des modes assistif et correctif influencent ces capacités. Enfin, un travail théorique de définition du concept de coordination inter-articulaire a été entrepris. Un travail a aussi été conduit sur le développement d’une nouvelle métrique exploitant une formulation robotique afin d’identifier les préférences articulaires à partir de données cinématiques. Une formulation originale d’une commande en effort pour exosquelette capable de gérer de multiples points de fixation a aussi été mise en œuvre de façon préliminaire.

L’intégration de l’intention de l’utilisateur en termes de trajectoire désirée via EMG et/ou modèles prédictifs sera l’objet d’étude principal dans la suite du projet, ainsi que la création de lois adaptatives pour fournir une assistance confortable et adaptée au besoin de l’utilisateur en fonction de son comportement dans la tâche. La prédiction de la trajectoire désirée et la manière d’assister l’utilisateur le long de cette trajectoire seront investigués, le but étant de rendre ces processus aussi intuitifs et utiles que possible pour l’utilisateur. La caractérisation systématique des effets de différents champs de forces sur les schémas de coordinations motrices sera aussi étudiée. L’extension à des questions d’amélioration de l’ergonomie physique grâce à l’exosquelette fera finalement l’objet de travaux dédiés dans la dernière phase du projet.

Verdel, D., Bastide, S., Vignais, N., Bruneau, O., & Berret, B. (2021). An Identification-Based Method Improving the Transparency of a Robotic Upper Limb Exoskeleton. Robotica, 1-18.
Berret, B., Conessa, A., Schweighofer, N., & Burdet, E. (2021). Stochastic optimal feedforward-feedback control determines timing and variability of arm movements with or without vision. PLOS Computational Biology, 17(6), e1009047.
Verdel, D., Bastide, S., Vignais, N., Bruneau, O., & Berret, B. (2022). Human Weight Compensation With a Backdrivable Upper-Limb Exoskeleton: Identification and Control. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (Vol. 9).
Verdel, D., Bastide, S., Bruneau, O., Berret, B., & Vignais, N. Improving and quantifying the transparency of an upper-limb robotic exoskeleton with a force sensor and electromyographic measures. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 24(Sup1):S261-S263, 2021.
Vignais, N., Verdel, D., Bastide, S., Bruneau, O., & Berret B. An identification method to improve the transparency of an exoskeleton: development and validation. Proceedings of the Association des Chercheurs en Activités Physiques et Sportives (ACAPS), Montpellier, France, 2021.
Parry, R., Roby-Brami, A., & Jarrassé, N., Upper-limb joint coordination during and after exposure to a robotic exoskeleton: influence of spontaneous movement vigour. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 24(Sup1):S269-S271, 2021.
Bastide, S., Adaptation of human motion to new gravito-inertial dynamics induced by interaction with an actuated upper-limb exoskeleton, PhD Thesis, 2021

L’objectif global du projet EXOMAN est d’améliorer la symbiose entre humains et exosquelettes. Pour ce faire, nous envisageons de produire de nouvelles connaissances fondamentales sur l’Interaction Homme-Exosquelette (IHE) en se concentrant sur la dimension humaine. L’utilisation des exosquelettes est prometteuse dans les champs de l’ergonomie et de la santé, que ce soit pour prévenir les troubles musculo-squelettiques ou compenser des déficits moteurs. Indépendamment du but final (ex. : augmentation des capacités physiques de l’opérateur ou assistance physique pour un patient), les exosquelettes actifs peuvent fournir un moyen d’assister les mouvements d’un patient ou d’un travailleur avec tous les avantages offerts par la robotique : répétabilité, précision et adaptabilité. Après une croissance exponentielle des recherches dédiées aux exosquelettes robotisés durant la dernière décennie, plusieurs modèles ont été développés. En particulier, les exosquelettes du membre supérieur ont généré un intérêt considérable, avec beaucoup d’applications liées aux mouvements de préhension et à la manipulation d’objets dans des contextes à la fois cliniques et industriels. A ce jour cependant, le transfert de ce type de technologie de la recherche vers les applications pratiques (c’est-à-dire, en dehors du laboratoire) reste limité. En outre, les bénéfices de ces appareils par rapport à des techniques existantes (ex. : ergonomie proactive ou thérapies manuelles) manquent de fondement scientifique. Certains aspects du design des exosquelettes limitent visiblement leur utilité et applicabilité dans les situations de la vie réelle. Au-delà des défis technologiques inhérents à ce type d’appareil (actionneurs, poids élevé, source d’énergie…), un problème plus fondamental est lié à notre manque de compréhension du contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette. Notre hypothèse de recherche est que des avancées significatives autour des exosquelettes robotisés iront de paire avec une meilleure compréhension de la contribution humaine dans l’IHE. Quantifier et déchiffrer comment l’humain adapte ses mouvements lorsqu’il porte un exosquelette actif de membre supérieur (et pourquoi il s’adapte ainsi) constituera donc le fil rouge de ce projet.
Le projet EXOMAN sera organisé autour de 4 axes de travail. Les tests expérimentaux seront conduits sur l’exosquelette ABLE, un exosquelette motorisé hautement réversible. Premièrement, une plateforme technologique permettant la mesure d’un ensemble exhaustif de paramètres du mouvement humain (cinématiques, dynamiques et énergétiques) durant l’IHE sera créée (work package 1). Ceci permettra de conduire des analyses poussées du comportement moteur humain en interaction avec ABLE (work package 2). Puisque des formes de mouvement différentes devraient être observées en fonction des lois de contrôle appliquées par le robot et du couplage physique entre l’utilisateur et l’exosquelette, deux axes de recherche complémentaires sont proposés. D’un côté, des lois de contrôle anthropomorphes de haut niveau seront développées (work package 3). D’un autre côté, l’interfaçage physique entre la personne et l’exosquelette sera optimisé (work package 4). Une tâche appliquée standardisée sera d’aider ou d’assister l’opérateur à bouger son bras ainsi qu’une masse, d’un point à un autre, de manière écologique, confortable et à moindre effort.
En résumé, ce projet interdisciplinaire impliquant des chercheurs du contrôle moteur humain et des roboticiens abordera à la fois des questions fondamentales et technologiques pour améliorer notre compréhension de l’IHE et améliorer l’utilité des exosquelettes dans les applications du monde réel.

Coordinateur du projet

Monsieur Bastien BERRET (EA 4532 COMPLEXITÉ, INNOVATION, ACTIVITÉS MOTRICES ET SPORTIVES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CeRSM CENTRE DE RECHERCHE SUR LE SPORT ET LE MOUVEMEN / UNIVERSITE PARIS NANTERRE
LURPA LABORATOIRE UNIVERSITAIRE DE RECHERCHE EN PRODUCTION AUTOMATISEE
ISIR Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique
LIST Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies
CIAMS EA 4532 COMPLEXITÉ, INNOVATION, ACTIVITÉS MOTRICES ET SPORTIVES

Aide de l'ANR 560 771 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2020 - 42 Mois

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