Nonlinear control of an exoskeleton seven degrees of freedom robot to realize an active and passive rehabilitation tasks

Brahmi, Brahim (2019). Nonlinear control of an exoskeleton seven degrees of freedom robot to realize an active and passive rehabilitation tasks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This doctoral thesis proposes the developments of an exoskeleton robot used to rehabilitate patients with upper-limb impairment, named ETS-MARSE robot. The developments included in this work are the design, and validation of a kinematic inverse solution and nonlinear control strategy for an upper limb exoskeleton robot. These approaches are used in passive and active rehabilitation motion in presence of dynamics and kinematics uncertainties and unexpected disturbances.

Considering the growing population of post-stroke victims, there is a need to improve accessibility to physiotherapy by using the modern robotic rehabilitation technology. Recently, rehabilitation robotics attracted a lot of attention from the scientific community since it is able to overcome the limitations of conventional physical therapy. The importance of the rehabilitation robot lies in its ability to provide intensive physiotherapy for a long period time. The measured data of the robot allows the physiotherapist to accurately evaluate the patient’s performance. However, these devices are still part of an emerging area and present many challenges compared to the conventional robotic manipulators, such as the high nonlinearity, dimensional (high number of DOFs) and unknown dynamics (uncertainties). These limitations are provoked due to their complex mechanical structure designed for human use, the types of assistive motion, and the sensitivity of the interaction with a large diversity of human wearers. As a result, these conditions make the robot system vulnerable to dynamic uncertainties and external disturbances such as saturation, friction forces, backlash, and payload. Likewise, the interaction between human and the exoskeleton make the system subjected to external disturbances due to different physiological conditions of the subjects like the different weight of the upper limb for each subject. During a rehabilitation movement, the nonlinear uncertain dynamic model and external forces can turn into unknown function that can affect the performance of the exoskeleton robot.

The main challenges addressed in this thesis are firstly to design a human inverse kinematics solution to perform a smooth movement similar to natural human movement (human-like motion). Secondly, to develop controllers characterized by a high-level of robustness and accuracy without any sensitivity to uncertain nonlinear dynamics and unexpected disturbances. This will give the control system more flexibility to handle the uncertainties and parameters’ variation in different modes of rehabilitation motion (passive and active).

Titre traduit

Contrôle non linéaire d’un robot exosquelette sept degrés de liberté pour réaliser des tâches de réhabilitation active et passive

Résumé traduit

Cette thèse de doctorat propose le développement d’un robot exosquelette appelé robot ETSMARSE, utilisé pour réhabiliter les patients ayant une déficience à un membre supérieur. Les développements, inclus dans ce travail, sont la conception et la validation expérimentale d’une solution de cinématique inverse de robot et de contrôle non-linéaire pour le robot ETSMARSE. Ces approches garantissent une bonne performance de l’exosquelette en mouvement de réhabilitation passive et active en présence d’incertitudes dynamiques et cinématiques et de perturbations indésirables.

Considérant la population croissante de personnes atteintes par ce genre de déficience, il est nécessaire d’améliorer l’accessibilité à la physiothérapie en utilisant une technologie robotique pour la réadaptation. Récemment, la robotique de réadaptation a attiré beaucoup d’attention de la communauté scientifique, car elle est capable de surmonter les limites de la thérapie physique conventionnelle. L’importance du robot de réadaptation réside dans sa capacité à assurer une physiothérapie intensive pendant une longue période. Les données mesurées du robot permettent au physiothérapeute d’évaluer avec précision les performances du patient. Cependant, ces dispositifs font toujours partie d’un domaine émergent et présentent de nombreux défis par rapport aux manipulateurs classiques, tels que la non-linéarité élevée, la dimension élevée (un nombre élevé de degrés de liberté) et la dynamique inconnue (incertitudes). Ces limitations sont provoquées par la structure mécanique complexe conçue pour un usage humain, les types de mouvement d’assistance et la sensibilité de l’interaction avec une grande diversité d’usagers (différentes conditions physiologiques des sujets). En conséquence, ces conditions rendent le système vulnérable aux incertitudes dynamiques et aux perturbations externes. Ces uncertainties et les forces externes peuvent se transformer en une fonction inconnue pouvant affecter les performances du robot exosquelette.

Les principaux défis abordés dans cette thèse consistent tout d’abord à concevoir une solution de cinématique inverse humaine permettant d’effectuer un mouvement fluide similaire au mouvement naturel de l’humaine (mouvement humain). Deuxièmement, à développer des contrôleurs robustes caractérisés par un haut niveau de robustesse et de précision, sans aucune sensibilité aux dynamiques non-linéaires incertaines et aux perturbations inattendues. Cela donnera au système de contrôle plus de flexibilité pour gérer les incertitudes et les variations de paramètres dans les différents modes de mouvement de réhabilitation (passif et actif).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 187-199).
Mots-clés libres:	cinématique inverse humaine, contrôle adaptatif, robots de réadaptation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Rahman, Mohammad Habibur
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 juill. 2019 18:11
Dernière modification:	03 juill. 2019 18:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2327

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