Soutenance de thèse de Gaëtan Courtois

L’hémiplégie, principalement due à l’accident vasculaire cérébral (AVC), entraîne un déficit moteur et/ou sensitif d'un côté du corps, rendant la marche difficile, voire impossible. Pour aider les patients hémiplégiques à retrouver leur capacité de marche, les thérapeutes recommandent des exercices spécifiques dès les premières étapes de la rééducation, sollicitant les articulations du membre inférieur paralysé. Face à l'augmentation des AVC, au nombre limité de thérapeutes et à la nécessité d'intensifier la rééducation, il est nécessaire d’identifier des solutions de rééducation complémentaires.

Actuellement, les exosquelettes de membres inférieurs en rééducation se concentrent principalement sur la répétition de cycle de marche, mais ne proposent pas d’exercices diversifiés adaptés aux patients hémiplégiques à l’image de ceux pratiqués en centre de rééducation. L’objectif général, dans lequel s’inscrit ce travail de recherche, est de développer un exosquelette de rééducation à la marche pour le patient hémiplégique sévère, qui vise à combler ce vide repéré.

Ce travail de recherche vise à identifier les moyens mécatroniques et à développer les lois de commande pour assister la mobilisation du membre inférieur du patient hémiplégique dans le plan sagittal. Les choix et développements faits reposent sur une synthèse d’éléments de biomécanique, se rapportant à l’appareil locomoteur et au cycle de marche, et de rééducation, à la fois conventionnelle et robotisée. Il s’avère que l'exosquelette doit satisfaire à trois principales contraintes : être ergonomique et garantir la sécurité du patient et du thérapeute ; fournir un couple moteur adéquat pour assister le membre inférieur du patient dans ses mouvements ; offrir une modulation de l'assistance afin de favoriser la participation active du patient et ainsi promouvoir sa récupération.

Pour répondre à ces contraintes, les moyens mécatroniques (système d’actionnement et instrumentation) d’un premier prototype d’exosquelette actionné à la hanche, ainsi que le système de commande associé sont proposés. Les moyens mécatroniques comprennent : un moteur brushless à courant continu, un réducteur à onde de déformation, un codeur inductif placé en sortie du moteur et un capteur de couple en sortie du réducteur. Le système de commande développé repose sur une loi de commande hybride permettant la transition entre une loi de commande basée sur un modèle d’impédance linéaire à paramètres constants, dédié à la transparence, et une loi de commande basée sur un modèle d’impédance à paramètres de raideur et d’amortissement variables, qui permet de moduler en temps réel l’assistance en fonction de la participation du patient à la réalisation des tâches.

Les lois de commandes en impédance utilisées calculent le couple d’assistance nécessaire en fonction d’une trajectoire de référence. Des algorithmes de génération de trajectoire en ligne, sont proposés pour reproduire une trajectoire proche de celles suivies par un thérapeute lors des tâches de rééducation. Ces algorithmes permettent de générer des trajectoires de référence pour trois tâches de rééducations définies pour l’utilisation de l’exosquelette : une tâche de flexion-extension de hanche ; une tâche de flexion-extension de hanche cadencée ; une tâche de répétitions de cycle de marche. Les trajectoires générées par les algorithmes obtenues en simulation sont comparables à des mesures obtenues expérimentalement sur une demi-douzaine de sujets asymptomatiques manipulés par un kinésithérapeute lors de la réalisation des tâches de rééducation proposées.

L’ensemble des développements (système d’actionnement, système de commande et génération de trajectoire) a pu être validé expérimentalement sur banc d’essai et permet d’envisager de futurs essais sur sujets. Une des perspectives vise à développer le système de commande d’un second prototype actionné à la hanche et au genou permettant la répétition de cycle de marche.

Exosquelette de membre inférieur, exosquelette de rééducation, génération de trajectoire en ligne, commande "assist-as-needed", système d'actionnement.

Rapporteurs :
BABEL, Marie, Professeur des Universités, IRISA, INRIA Rennes – Bretagne Atlantique Campus Universitaire de Beaulieu.
MOHAMMED, Samer, Professeur des Universités, LISSI, Université de Paris-Est Créteil.

Examinateurs :
BOURHIS, Guy, Professeur des Universités, LCOMS, Université de Lorraine.

Directeur de thèse :
PUDLO, Philippe. Professeur des Universités, LAMIH, CNRS, UMR 8201, Université Polytechnique Hauts-de-France.

Co-encadrants :
DEQUIDT, Antoine. Maitre de Conférences, LAMIH, CNRS, UMR 8201, INSA Hauts-de-France.
BONNET, Xavier. Maitre de Conférences, IBHGC, Arts et Métiers Paristech.

Invité :
DEHAIL, Patrick. Professeur des Universités – Praticien Hospitalier, Centre Hospitalier Universitaire de Bordeaux