Sensing and actuation for the design of upper limb prosthetics

Chossat, Jean-Baptiste (2018). Sensing and actuation for the design of upper limb prosthetics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The objective of this thesis has been to improve upper limb prosthetics. With this aim in mind, and based on reported user needs, we targeted two main aspects of contemporary active prosthetics: sensing and actuation.

The restoration of proprioceptive capabilities through the artificial limb is vital for their intuitive and precise control. In order to capture the prosthetics position, we designed extremely soft microfluidic sensors using conductive liquids such as eutectic Gallium Indium (eGaIn) or Room Temperature Ionic Liquid (RTIL) embedded in soft elastomers. These sensors were used first to sense unidirectional strain, then normal force through Electrical Impedance Tomography (EIT) in a soft microfluidic skin, and were finally embedded in a soft artificial skin that was used to measure the human hand motion.

Conventional electromagnetic actuators are poorly suited for prosthetic actuation. Grasping tasks typically require large torque at low speeds whereas conventional actuators are designed to be efficient at high rotational speeds. In consequence, we designed the "Programmable Permanent Magnet" (PPM) actuator. This unique actuator, based on the magnetization of permanent magnets by current pulses, is able to maintain a large torque at no speed and for no energetic cost. This actuator is especially suited for tasks such as grasping or walking and represents a new type of electromagnetic actuator that will enable efficient low speed high torque efficient actuation for robotic and prosthetic applications.

Titre traduit

Mesure et actionnement dans le cadre de la conception de prothèses de membres supérieurs

Résumé traduit

Cette thèse a eu pour objectif l’amélioration des prothèses de membre supérieur. Pour ce faire, et en se basant sur les besoins reportés par les utilisateurs, nous avons ciblés deux aspects principaux des prothèses contemporaines: les sensations et l’actionnement.

Le rétablissement des capacités prioprioceptives au travers d’uns membre artificiel est vitale pour leur contrôle instinctif et précis. Dans le but de mesurer la position des prothèses, nous avons conçu des capteurs microfluidiques souples utilisant des liquides conducteurs, comme l’alliage eutectique de Gallium et d’Indium (eGaIn) ou les liquides ioniques à temperature ambiante (RTIL), scéllés dans un élastomère de faible raideur. Ces capteurs ont été utilize tout d’abord pour mesurer des étirements unidirectionels, puis des forces normales grâce à l’utilisation de l’imagerie par impédance tomographique dans une peau souple microfluidique, et finalement intégrés dans une peau artificielle souple qui a été utlisé pour mesurer les mouvements d’une main humaine.

Les actionneurs electromagnétiques conventionels sont peu adaptés à l’actionnement des prothèses. Les tâches de préhension necessite typiquement un couple fort à faible vitesse, tandis que les actionneurs conventionels sont conçus pour être efficaces à hautes vitesses. En conséquence, nous avons conçu l’actionneur à "Aimants Permanents Programmable" (PPM). Cet actionneur unique, basé sur la magnétisation d’aimants permanents par des impulsions de courant, est capable de soutenir un torque conséquent à une vitesse nulle et sans aucune dépense énergétique. Pour cette raison cet actionneur est particulièrement adapté pour des tâches comme la préhension ou la marche, et représente un nouveau type d’actionneur electromagnétique qui permettra un actionement efficace, dans des conditions de couple élevé et de basse vitesse, pour des applications de type robotiques et prothétiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor philosophy". Bibliographie : pages 115-127.
Mots-clés libres:	Prothèses Conception et fabrication. Membres supérieurs. Proprioception. Capteurs de déplacement. Dispositifs microfluidiques. Alliages eutectiques. Gallium Alliages. Indium Alliages. Liquides ioniques. Peau artificielle. Préhension. Actionneurs. Aimants permanents. capteur microfluidique, eGaIn, liquide ionique à température ambiante
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duchaine, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Park, Yong-Lae
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 juill. 2018 19:55
Dernière modification:	17 juill. 2018 19:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2071

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