Contrôle d'un exosquelette à embrayages magnétorhéologiques par carte d'état pour assister la marche, le saut et l'atterrissage

Abstract

Les exosquelettes et les orthèses peuvent augmenter ou restaurer la performance humaine. Leur utilisabilité est grandement limitée par la technologie d'actionnement ainsi que par la stratégie de contrôle utilisée pour assister l'humain. Les actionneurs à embrayages magnétorhéologiques (EMRs) développés à l'Université de Sherbrooke se démarquent des actionneurs conventionnels pour interagir avec l'humain et pour fournir une assistance multifonctionnelle grâce à leur bande passante en force élevée, leur réversibilité et leur grande densité de puissance.

Par ailleurs, la majorité des contrôleurs d'exosquelettes actuels ne remplissent pas tous les requis pour assister une variété de mouvements humains : ces contrôleurs dépendent souvent des mouvements antérieurs, sont limités à la locomotion et sont peu adaptables aux aléas du mouvement humain.

Dans ce mémoire, une approche de contrôle multifonctionnelle par carte d'état est proposée. Cette approche consiste à relier la commande aux actionneurs en fonction de l'état biomécanique présent. L'objectif de ce projet est d'évaluer la performance d'un exosquelette pour chevilles actionné par des EMRs et de son contrôleur multifonctionnel par carte d'état pour assister la flexion plantaire pour les trois mouvements ciblés.

Le contrôleur par carte d'état proposé utilise l'angle et la vitesse angulaire de chaque tibia pour discriminer et assister chaque mouvement. Le déphasage entre les deux tibias est utilisé pour discriminer la marche du saut et de l'atterrissage. L'angle de phase de chaque tibia est utilisé pour assister la marche. Pour le saut et l'atterrissage, une commande de force proportionnelle à la vitesse angulaire des tibias est fournie.

La multifonctionalité du système est démontrée dans une séquence de marche, de saut et d'atterrissage. Le système s'adapte instantanément à des changements de démarche rapides et peut fournir 90 N·m par cheville avec une puissance totale de 1.4 kW lors du saut tout en freinant l'impact à l'atterrissage. Le système de 6.2 kg incluant 0.9 kg sur chaque jambe réduit le coût métabolique à la marche de 5.6 %.

La multifonctionalité de l'exosquelette à EMRs et du contrôleur par carte d'état pourrait être étendue pour fournir une assistance multi-articulaire globale.