Predictive Simulation for the Design of Robotic Device for Mobility-Aid
Dans cette thèse, nous avons proposé une méthodologie pour aider dans la conception d'un exosquelette robotique. En effet, le travail principal est d'aider le concepteur à sélectionner les comportements dynamiques adéquats des mouvements induit par un exosquelette pour une personne à mobil...
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| Autor Principal: | |
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| Outros autores: | , , , , , |
| Formato: | Thèse numérique |
| Idioma: | Anglais |
| Publicado: |
2020.
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| Sujets: | |
| Acceso en liña: | Accès au texte intégral http://www.theses.fr/2020ISAB0007/abes |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Autre(s) contribution(s) : Abderraouf Benali, Frédéric Kratz, Frédéric Magoulès, Mohamed Amine Laribi, Samia Bouchafa, Weiwei Yu (Membre(s) du jury) ; Frédéric Magoulès, Mohamed Amine Laribi (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Simulation Prédictive pour la Conception d'un Dispositif Robotique d'Aide à la Mobilité |
| Résumé: | Dans cette thèse, nous avons proposé une méthodologie pour aider dans la conception d'un exosquelette robotique. En effet, le travail principal est d'aider le concepteur à sélectionner les comportements dynamiques adéquats des mouvements induit par un exosquelette pour une personne à mobilité réduite. En ajustant les paramètres de chaque actionneur, les tâches de mouvement humain peuvent être assistées par l'application d'une aide à la mobilité robotisée via une interaction hommerobot. Il n'y aura qu'un seul groupe de paramètres d'actionneurs les plus appropriés créés par optimisation pour une locomotion humaine particulière. Sur la base des résultats optimisés, nous sommes en mesure d'interpréter l'interaction homme-robot pour proposer une conception de variables de contrôle pour une tâche de mouvement spécifiée. La première étape de cette méthode consiste à mettre en œuvre la modélisation neuromusculosquelettique (NMS) et la simulation, pour mieux décrire les caractéristiques dynamiques humaines. Cette étape peut illustrer les natures physiologiques du corps humain sous la forme de Actionneur Musculaire - Accélération -Trajectoire pendant une période de mouvement. Par exemple, on peut rechercher la fonction des muscles dans l'actionnement de la locomotion humaine grâce à une simulation de la poursuite de trajectoire. En outre, des cas de simulation ont été créés pour évaluer de nouveaux mouvements et adaptations à différentes conditions. La mise en œuvre de la simulation prédictive le rend possible: ce quiconstitue également la deuxième étape de notre étude. Pour réaliser les prédictions, elles doivent d'abord formuler notre problèmes de contrôle optimal puis le résoudre par des algorithmes numériques. Une interface de programmation applicable (API) àOpenSim-Matlab a été utilisée pour intégrer un solveur numérique et discrétiser les problèmes et résoudre les processus. Ces propositions ont été validées via une étude de cas d'aide à la mobilité robotique, le système humainESTA. ESTA est un exosquelette conçu pour compenser les degrés de liberté (DOF) du bras de l'utilisateur. L'humanoïde NMS a été modélisé comme un membre supérieur d'un côté. Les effets d'interaction entre l'humain et le dispositif ont été considérés comme les actionneurs virtuels équivalents qui fournissent des forces et moments ajustés pour des articulations humaines particulières. Un problème de contrôle optimal a été formulé pour représenter les simulations prédictives. Ensuite, nous avons également testé une variété de variables de contrôle optimales afin de prédire les situations What if . Des données expérimentales ont été collectées pour valider les systèmes ainsi que pour fixer les trajectoires référencées aux prédictions. Les résultats montrent que notre méthode pour proposer un modèle d'actionnement pour un exosquelette robotique est prometteuse et permet de préciser le mouvement humain par une tâche donnée. In this thesis, we have proposed a methodology on design of the robotic exoskeleton. The main work is to help the designer to select adequate dynamical behaviors of the movements induced by an exoskeleton for a person with reduced mobility. Hence by adjusting the parameters for each actuator, the human motion tasks can be assisted by the robotic mobilityaid application via human-device interaction. There is only one group of the most suitable actuator parameters created via optimization for a particular human locomotion. Based on the optimized results, we are able to interpret the human-device interaction as well as to propose the design of control variables for a specified motion task. The first stage of this method consists of the implementation of the neuromusculoskeletal (NMS) modeling and simulation, which is for better describing the human dynamical characteristics. This stage can illustrate the physiological natures of human bodies in the form of 'Muscular ActuatorAcceleration-Trajectory' during a period of motion. For instance, one can search the function of muscles in actuating human locomotion through a motion-tracking simulation. Besides, the 'what if' cases were created to evaluate novel movements and adaptions to different conditions. The implementation of predictive simulation makes it feasible : which also constitutes thesecond stage of our study. To fulfill the predictions, we have to formulate our problems as optimal control processes and then solve them by numerical algorithms. Here, an OpenSimMatlab applicable programming interface (API) was modeled to embed a numerical solver and discretize the problems and solve the processes. These propositions have been validated via a case-study of robotic mobility-aid, the human-ESTA system. ESTA is an exoskeleton designed for compensating degrees-of-freedom (dofs) of the user's arm. The NMS humanoid was modeled as one-side upper extremity limb. Interaction effects between the human and device were considered as the equivalent virtual actuators which provide adjusted forces and moments for particular human joints. An optimal control problem was set to represent the predictive simulations. We also tested a variety of the optimal control variables in order to predict the 'what if' situations. Experimental data were collected for validating the systems as well as setting the referred trajectories to the predictions. Results showthat our method for proposing an actuating pattern for a robotic exoskeleton is promising and allowed to specify the human movement for a given task. |
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| descrición da copia: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Autre(s) contribution(s) : Abderraouf Benali, Frédéric Kratz, Frédéric Magoulès, Mohamed Amine Laribi, Samia Bouchafa, Weiwei Yu (Membre(s) du jury) ; Frédéric Magoulès, Mohamed Amine Laribi (Rapporteur(s)) |
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