FR3004105A3 - RECONFIGURABLE EXOSKELET DEVICE FOR ANKLE - Google Patents

RECONFIGURABLE EXOSKELET DEVICE FOR ANKLE Download PDF

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    • A63B26/003Exercising apparatus not covered by groups A63B1/00 - A63B25/00 for improving balance or equilibrium

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'exosquelette de réaction de force à base de mécanisme parallèle, reconfigurable, pour la cheville humaine. Le but principal du dispositif est d'être utilisé en tant que dispositif d'entraînement d'équilibre/de proprioception, alors que le dispositif d'exosquelette peut également être utilisé pour accepter des exercices d'amplitude articulaire (RoM)/de renforcement. Ce dispositif est également utilisé pour les exercices des articulations métatarsophalangiennes. Le dispositif d'exosquelette de mesure et de thérapie, portable et reconfigurable, pour cheville, peut supporter deux types d'exercices différents, c'est-à-dire les exercices de RoM/de renforcement et les exercices d'équilibre/de proprioception indépendamment les uns des autres, et comprend une plateforme de base (3) qui fait face à la jambe de l'opérateur, une plateforme mobile (2) qui fait face au pied de l'opérateur, un élément de raccordement (4) qui raccorde la plateforme de base (3) et la plateforme mobile (2), et un élément d'articulation (5) qui raccorde l'élément de raccordement (4) à la plateforme de base (3).The present invention relates to a reconfigurable, parallel mechanism-based force reaction exoskeleton device for the human ankle. The main purpose of the device is to be used as a balance / proprioception training device, while the exoskeleton device can also be used to accept joint amplitude (RoM) / reinforcement exercises. This device is also used for the exercises of metatarsophalangeal joints. The portable and reconfigurable ankle measurement and therapy device for ankle can support two different types of exercises, ie RoM / reinforcement exercises and balance / proprioception exercises. independently of each other, and comprises a base platform (3) facing the operator's leg, a movable platform (2) facing the operator's foot, a connecting member (4) which connects the base platform (3) and the mobile platform (2), and a hinge element (5) which connects the connecting element (4) to the base platform (3).

Description

DISPOSITIF D'EXOSQUELETTE RECONFIGURABLE POUR CHEVILLE CONTEXTE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'exosquelette de retour de force reconfigurable, non mis à la terre à base d'un mécanisme parallèle, pour une cheville humaine. Le but principal du dispositif est d'être utilisé en tant que dispositif d'entraînement d'équilibre/de proprioception, alors que le dispositif d'exosquelette peut également être utilisé pour accepter des exercices d'amplitude articulaire (RoM)/de renforcement. Ce dispositif est également utilisé pour des exercices des articulations métatarso-phalangiennes. Le but de la rééducation est de récupérer les capacités physiques, sensorielles et neurales qui ont été affaiblies en raison d'une maladie ou d'une blessure. La rééducation de la cheville est communément nécessaire après une entorse de la cheville, l'une des blessures les plus communes dans le sport et dans la vie de tous les jours [1]. On peut également ressentir des pertes de la capacité fonctionnelle, de la capacité à supporter du poids et de la stabilité de l'articulation au niveau de la cheville après des blessures neurologiques suite à un accident vasculaire cérébral et des contractures et des difformités suite à une maladie cérébrovasculaire. Les exercices de kinésithérapie sont indispensables pour acquérir à nouveau l'amplitude articulaire (RoM) de la cheville, pour aider à renforcer les muscles pour supporter le poids, pour favoriser une meilleure prise de conscience de la position de l'articulation (proprioception), pour garantir l'intégrité neurale et pour récupérer l'équilibre dynamique. La rééducation d'une blessure de cheville est généralement traitée par trois phases séquentielles d'exercices [2], [3]. Les exercices dans la première phase se concentrent en premier lieu sur la possibilité d'une RoM complète de la cheville et ensuite sur le renforcement des muscles de la cheville. Une fois que la RoM requise et la flexibilité sont obtenues, et que les muscles sont assez robustes pour supporter le poids partiel sans induire de douleur, la phase intermédiaire de la thérapie peut être commencée, en se concentrant sur l'amélioration de la capacité de proprioception à l'aide d'exercices d'équilibre statique. Au cours de la phase finale de la thérapie, on pratique des exercices d'équilibre dynamique plus avancés. Les dispositifs de rééducation classiques utilisés pour aider la kinésithérapie sont un équipement passif simple, comme des bandes élastiques et des pompes de rééducation pour cheville pour des exercices de renforcement et d'étirement ; des planches d'équilibre et des rouleaux en mousse pour les exercices de proprioception et d'équilibre. Les exercices de RoM sont généralement réalisés manuellement par un kinésithérapeute. Même si ces types d'équipement sont simples et rentables, ces dispositifs classiques ne collectent pas de mesures quantitatives des progrès du patient, ne surveillent pas l'historique du patient pour la réévaluation, et n'obtiennent pas de protocoles de traitement interactifs personnalisés. Les kinésithérapeutes sont nécessaires pour prendre en charge physiquement la thérapie du mouvement et pour s'occuper du patient lorsqu'il fait ses exercices avec ces dispositifs. Actuellement, les exercices de rééducation sont faits à l'aide de dispositifs robotisés.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a reconfigurable, ungrounded force feedback exoskeleton device based on a parallel mechanism for a human ankle. The main purpose of the device is to be used as a balance / proprioception training device, while the exoskeleton device can also be used to accept joint amplitude (RoM) / reinforcement exercises. This device is also used for exercises of metatarsophalangeal joints. The goal of rehabilitation is to recover physical, sensory and neural abilities that have been impaired due to illness or injury. Rehabilitation of the ankle is commonly required after ankle sprain, one of the most common injuries in sport and in everyday life [1]. Loss of functional capacity, ability to withstand weight and stability of the ankle joint may also be felt after neurological injury following a stroke and contractures and deformities following a stroke. cerebrovascular disease. Physiotherapy exercises are essential to acquire ankle joint amplitude (RoM) again, to help strengthen the muscles to support the weight, to promote a better awareness of the position of the joint (proprioception), to ensure neural integrity and to recover dynamic balance. Rehabilitation of an ankle injury is usually treated by three sequential phases of exercise [2], [3]. The exercises in the first phase focus primarily on the possibility of a complete RoM of the ankle and then on the strengthening of the ankle muscles. Once the required RoM and flexibility are obtained, and the muscles are robust enough to support the partial weight without inducing pain, the intermediate phase of the therapy can be started, focusing on improving the ability to proprioception using static balance exercises. During the final phase of therapy, more advanced dynamic balance exercises are practiced. Conventional rehabilitation devices used to assist physiotherapy are simple passive equipment, such as elastic bands and ankle rehabilitation pumps for strengthening and stretching exercises; balance boards and foam rollers for proprioception and balance exercises. RoM exercises are usually performed manually by a physiotherapist. Although these types of equipment are simple and cost-effective, these conventional devices do not collect quantitative measurements of patient progress, do not monitor patient history for re-evaluation, and do not obtain personalized interactive treatment protocols. Physiotherapists are needed to physically handle movement therapy and to care for the patient when doing exercises with these devices. Currently, rehabilitation exercises are done using robotic devices.

L'assistance des exercices de rééducation répétitifs et physiquement complexes à l'aide de dispositifs robotisés aide non seulement à supprimer la charge physique de la thérapie du mouvement pour les kinésithérapeutes, mais réduit également les coûts liés à l'application. De plus, la rééducation assistée par robot permet de prendre des mesures quantitatives des progrès du patient et peut être utilisée pour réaliser des protocoles de traitement interactifs personnalisés. Les effets bénéfiques des protocoles de rééducation assistée par robot ont été démontrés par rapport à la thérapie classique par des essais cliniques dans la littérature [4]. Reconnaissant le besoin pour des dispositifs de rééducation assistée par robot pour la kinésithérapie de la cheville, plusieurs conceptions ont été proposées jusqu'à ce jour. Girone et associés ont proposé une interface de retour de force, dénommée Rutgers Ankle, basée sur la plateforme de Stewart [5]. Dans [6], un protocole d'entraînement interactif basé sur une réalité virtuelle a été mis en oeuvre en utilisant la Rutgers Ankle pour la rééducation orthopédique. Le système a en outre été étudié [7] et [8] par le biais de plusieurs études de cas. La rééducation de la cheville à distance à domicile a été traitée dans [9], alors que dans [10], le système a été étendu à une double plateforme de Stewart destinée à être utilisée pour la simulation et la rééducation de la démarche. Dans [11], Dai et associés proposent un autre dispositif robotisé pour traiter les entorses de la cheville. Contrairement à la conception de la plateforme de Stewart, ce dispositif possède juste assez de degrés de liberté (DoF) pour couvrir l'espace de travail d'orientation de la cheville humaine. L'analyse cinétostatique présentée dans cette référence met en relief l'importance d'utiliser une entretoise centrale pour obtenir une plus grande résistance de la part du dispositif. Dans [12], Agrawal et associés proposent une orthèse de cheville-pied pour la rééducation assistée par robot et présentent l'analyse cinématique et le réglage du mécanisme proposé. De manière similaire, dans [13], le « Anklebot » a été proposé par Roy et associés pour aider à récupérer la fonction de la cheville. Ce dispositif peut également être utilisé pour mesurer la rigidité de la cheville, qui est un facteur biomécanique puissant pour la locomotion.The assistance of repetitive and physically complex rehabilitation exercises using robotic devices not only helps to remove the physical burden of movement therapy for physiotherapists, but also reduces the costs of application. In addition, robot-assisted rehabilitation provides quantitative measures of patient progress and can be used to perform personalized interactive treatment protocols. The beneficial effects of robot-assisted rehabilitation protocols have been demonstrated compared to conventional therapy by clinical trials in the literature [4]. Recognizing the need for robot-assisted rehabilitation devices for ankle physiotherapy, several designs have been proposed to date. Girone and associates have proposed a force feedback interface, called Rutgers Ankle, based on Stewart's platform [5]. In [6], an interactive training protocol based on a virtual reality was implemented using the Rutgers Ankle for orthopedic rehabilitation. The system has also been studied [7] and [8] through several case studies. Remote ankle rehabilitation at home was treated in [9], while in [10], the system was extended to a double Stewart platform for use in gait simulation and rehabilitation. In [11], Dai and Associates propose another robotic device to treat sprained ankles. Unlike the Stewart platform design, this device has just enough degrees of freedom (DoF) to cover the human ankle guidance work space. Kinetic analysis presented in this reference highlights the importance of using a central spacer to obtain greater resistance from the device. In [12], Agrawal and Associates propose an ankle orthosis for robot-assisted rehabilitation and present the kinematic analysis and tuning of the proposed mechanism. Similarly, in [13], the "Anklebot" was proposed by Roy and Associates to help recover the function of the ankle. This device can also be used to measure the rigidity of the ankle, which is a powerful biomechanical factor for locomotion.

Syrseloudis et Emiris ont étudié la RoM en translation et en rotation de la cheville et du pied humains par des expériences sur des patients humains, et concluent qu'un mécanisme de trépied parallèle avec un axe de rotation supplémentaire en série est la conception cinématique la plus appropriée pour se conformer à la cinématique du pied en rapport avec la cheville humaine [14]. Dans [15] Yoon et Ryu ont proposé un dispositif de talon à base de mécanisme parallèle hybride à quatre DoF et présenté l'analyse cinématique du nouveau dispositif. Dans [3] et [16], ce travail a été étendu pour permettre la reconfiguration du dispositif afin de supporter plusieurs modes d'exercice distincts. Un objet de l'invention est donc de proposer un dispositif qui a une conception reconfigurable. Sa mise en oeuvre est simple et le dispositif peut être fabriqué en assemblant des pièces distribuées dans le commerce. En raison de sa caractéristique de reconfiguration, le dispositif permet à la fois des exercices d'amplitude articulaire RoM/de renforcement et des exercices d'équilibre/de proprioception. RESUME DE L'INVENTION Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif peut couvrir toute l'amplitude complexe de la cheville humaine pour les exercices de RoM/de renforcement. Le dispositif peut supporter le poids humain pendant les exercices d'équilibre/de proprioception. Les exercices des articulations métatarso-phalangiennes sont également autorisés via la conception reconfigurable de la plaque de base. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif peut être utilisé en tant qu'outil de mesure clinique. Les mouvements de levier, les forces, et les impédances de l'articulation de la cheville peuvent être déterminés pour aider les diagnostics. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est ergonomique, permet toute l'amplitude articulaire de la cheville humaine. Le dispositif est léger et peut être porté ; par conséquent, il est portable. Le dispositif est par nature sain en raison du choix de ses actionneurs.Syrseloudis and Emiris have studied RoM in translation and rotation of the human ankle and foot by experiments on human patients, and conclude that a parallel tripod mechanism with an additional axis of rotation in series is the most suitable for conforming to foot kinematics in relation to the human ankle [14]. In [15] Yoon and Ryu proposed a four parallel DoF hybrid parallel-based heel device and presented the kinematic analysis of the new device. In [3] and [16], this work has been extended to allow the device to be reconfigured to support several distinct modes of exercise. An object of the invention is therefore to propose a device which has a reconfigurable design. Its implementation is simple and the device can be manufactured by assembling parts distributed commercially. Because of its reconfiguration feature, the device allows both RoM / reinforcement range exercises and balance / proprioception exercises. SUMMARY OF THE INVENTION According to one embodiment of the present invention, the device can cover the entire complex amplitude of the human ankle for RoM / strengthening exercises. The device can support the human weight during balance / proprioception exercises. The exercises of the metatarsophalangeal joints are also authorized via the reconfigurable design of the baseplate. According to one embodiment of the present invention, the device can be used as a clinical measurement tool. Lever movements, forces, and impedances of the ankle joint can be determined to assist diagnoses. According to one embodiment of the present invention, the device is ergonomic, allows the entire range of motion of the human ankle. The device is lightweight and can be worn; therefore, he is portable. The device is inherently healthy because of the choice of its actuators.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif a une performance de réglage supérieure aux dispositifs similaires en raison de sa structure cinématique parallèle et de sa largeur de bande optimisée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif supporte des mouvements complexes du pied et n'est pas limité à un seul degré de liberté comme cela est le cas avec de nombreuses conceptions existantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est programmé pour guider, assister, ou résister au patient pendant la thérapie physique et est mis en oeuvre avec un système informatique. Les niveaux d'assistance et de résistance sont réglables par logiciel. Le dispositif peut également être programmé pour évaluer les paramètres de l'articulation de la cheville, comme la tonicité et l'impédance de la cheville. Les aspects du dispositif selon la présente invention sont liés aux robots de rééducation, la rééducation assistée par robot, les dispositifs de thérapie physique, les exosquelettes de retour de force, les interfaces haptiques pour le traitement médical, les dispositifs de mesure clinique, les systèmes de rééducation de la cheville, les orthèses de cheville, les dispositifs de rééducation pour la physiothérapie de la cheville, des dispositifs pour évaluer la fonction de la cheville, la détermination de l'impédance de la cheville. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en perspective du dispositif ; La figure 2 est une vue latérale du dispositif dans une configuration 3UPS ; La figure 3 est une vue en perspective du dispositif qui se comporte comme un mécanisme 3RPS ; La figure 4 est une vue en perspective du dispositif lorsqu'il se comporte comme un mécanisme 3UPS (la liaison centrale représente le pied et la cheville humains) ; La figure 5 est une vue en perspective dispositif dans une position non verrouillée ; de l'élément d'articulation utilisé dans le La figure 6 est une vue en perspective de l'élément d'articulation utilisé dans le dispositif dans la position verrouillée ; contrôleur de position robuste avec un La figure 7 est un organigramme du observateur de couple de réaction.According to one embodiment of the present invention, the device has a higher tuning performance than similar devices due to its parallel kinematic structure and optimized bandwidth. According to one embodiment of the present invention, the device supports complex movements of the foot and is not limited to a single degree of freedom as is the case with many existing designs. According to one embodiment of the present invention, the device is programmed to guide, assist, or resist the patient during physical therapy and is implemented with a computer system. The levels of assistance and resistance are adjustable by software. The device can also be programmed to evaluate the parameters of the ankle joint, such as tonicity and ankle impedance. Aspects of the device according to the present invention are related to reeducation robots, robot assisted rehabilitation, physical therapy devices, force feedback exoskeletons, haptic interfaces for medical treatment, clinical measurement devices, systems ankle rehabilitation, ankle braces, rehabilitation devices for ankle physiotherapy, devices for evaluating ankle function, determination of ankle impedance. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of the device; Fig. 2 is a side view of the device in a 3UPS configuration; Figure 3 is a perspective view of the device that behaves like a 3RPS mechanism; Fig. 4 is a perspective view of the device when it behaves like a 3UPS mechanism (the central linkage represents the human foot and ankle); Figure 5 is a perspective device view in an unlocked position; Figure 6 is a perspective view of the hinge member used in the device in the locked position; Fig. 7 is a flowchart of the reaction torque observer.

DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES La description suivante des modes de réalisation préférés est purement exemplaire par nature et n'est en aucune façon prévue pour limiter l'invention, son application ou ses utilisations. Un dispositif d'exosquelette de mesure et de thérapie pour la cheville (1) comprenant : une plateforme mobile (2) qui fait face au pied de l'opérateur, une plateforme de base (3) qui fait face à la jambe de l'opérateur, un élément de raccordement (4) qui raccorde la plateforme de base (3) et la plateforme mobile (2). Le dispositif d'exosquelette (1) comprend en outre un élément d'articulation (5) qui raccorde l'élément de raccordement (4) à la plateforme de base (3). A l'aide dudit élément d'articulation (5), le dispositif d'exosquelette (1) peut supporter deux types d'exercices différents, c'est-à-dire les exercices de RoM/de renforcement et les exercices d'équilibre/de proprioception indépendamment les uns des autres. L'élément d'articulation (5) peut sélectivement être dans différents modes. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, il est commuté entre une articulation universelle et une articulation rotoïde. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément de raccordement (4) est raccordé à la plateforme mobile (2) en utilisant des articulations sphériques. L'articulation de la cheville peut être modélisée sous la forme d'une chaîne cinématique en série spatiale avec deux articulations rotoïdes (RR) c'est-à-dire une articulation supérieure de la cheville et une articulation astragalocalcanéenne. L'articulation supérieure de la cheville supporte le mouvement de dorsiflexion/de flexion plantaire en 25 rotation, alors que l'articulation astragalocalcanéenne supporte le mouvement de supination/pronation en rotation. La rotation de supination/pronation est un mouvement complexe qui a à la fois des composantes d'inversion/d'éversion et d'abduction/adduction. La chaîne cinématique utilisant le mode de réalisation préféré de l'invention est la chaîne cinématique fermée (mécanisme parallèle). Ladite chaîne cinématique fermée sert 30 d'exosquelette et elle permet et supporte les mouvements naturels des articulations humaines lorsque le dispositif (1) est porté par l'opérateur. La chaîne cinématique fermée offre des conceptions compactes avec une rigidité élevée et présente une faible inertie effective. Les actionneurs des chaînes cinématiques fermées peuvent être mis à la terre ou placés sur des parties du mécanisme qui subissent de faibles accélérations. La chaîne cinématique fermée utilisée dans la présente invention peut être utilisée comme au moins deux mécanismes différents à l'aide de l'élément d'articulation (5). Grâce à cela, le dispositif (1) gagne une propriété reconfigurable. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, il peut être utilisé comme un mécanisme 3UPS (universel, prismatique, sphérique) et un mécanisme 3RPS (rotoïde, prismatique, sphérique) indépendamment l'un de l'autre. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément d'articulation (5) est l'articulation reconfigurable qui peut sélectivement être utilisé dans les positions non verrouillée ou verrouillée. Dans la position non verrouillée, l'articulation reconfigurable (5) peut tourner librement autour de deux axes (A, B). Le premier axe (A) est tangentiel par rapport à la plaque de base (3) alors que le second axe (B) est perpendiculaire à la plaque de base (3). Lorsque l'articulation (5) n'est pas verrouillée, des séries d'articulations rotoïdes fonctionnent comme une articulation universelle tournant autour desdits axes souhaités. Lorsque le second axe d'articulation (B) est verrouillé, l'articulation reconfigurable (5) est contrainte de fonctionner comme une articulation rotoïde, qui est libre de tourner uniquement autour du premier axe (A). Par conséquent, l'articulation reconfigurable (5) permet de reconfigurer un mécanisme 3UPS en un mécanisme 3RPS, et vice versa.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following description of the preferred embodiments is purely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application or its uses. An ankle measurement and therapy device for the ankle (1) comprising: a movable platform (2) facing the operator's foot, a base platform (3) facing the leg of the operator operator, a connecting element (4) which connects the base platform (3) and the mobile platform (2). The exoskeleton device (1) further comprises a hinge member (5) which connects the connecting member (4) to the base platform (3). With the aid of said hinge element (5), the exoskeleton device (1) can support two different types of exercises, that is to say the RoM / reinforcement exercises and the balance exercises. / proprioception independently of each other. The hinge element (5) can selectively be in different modes. In the preferred embodiment of the invention, it is switched between a universal joint and a rotoid joint. In the preferred embodiment of the invention, the connecting element (4) is connected to the mobile platform (2) using spherical joints. The ankle joint can be modeled as a kinematic chain in spatial series with two rotoid joints (RR), ie an upper ankle joint and an astragalocalcaneal joint. The upper ankle joint supports movement of dorsiflexion / plantar flexion in rotation, while the astragalocalcaneal joint supports the supination / pronation movement in rotation. The supination / pronation rotation is a complex movement that has both inversion / eversion and abduction / adduction components. The kinematic chain using the preferred embodiment of the invention is the closed kinematic chain (parallel mechanism). Said closed kinematic chain serves as an exoskeleton and allows and supports the natural movements of human joints when the device (1) is carried by the operator. The closed drive train offers compact designs with high rigidity and low effective inertia. Actuators of closed kinematic chains can be grounded or placed on parts of the mechanism that experience low accelerations. The closed drive train used in the present invention can be used as at least two different mechanisms using the hinge member (5). Thanks to this, the device (1) gains a reconfigurable property. In the preferred embodiment of the invention, it can be used as a 3UPS mechanism (universal, prismatic, spherical) and a 3RPS mechanism (rotoid, prismatic, spherical) independently of one another. In the preferred embodiment of the invention, the hinge member (5) is the reconfigurable hinge that can selectively be used in the unlocked or locked positions. In the unlocked position, the reconfigurable articulation (5) can rotate freely about two axes (A, B). The first axis (A) is tangential to the base plate (3) while the second axis (B) is perpendicular to the base plate (3). When the hinge (5) is not locked, sets of rotational joints function as a universal hinge rotating about said desired axes. When the second hinge axis (B) is locked, the reconfigurable hinge (5) is constrained to function as a rotoid hinge, which is free to rotate only about the first axis (A). Therefore, the reconfigurable articulation (5) allows to reconfigure a 3UPS mechanism into a 3RPS mechanism, and vice versa.

L'élément de raccordement (4) comprend fondamentalement une unité d'entraînement (6) et un élément mobile (7). L'unité d'entraînement (6) peut appliquer la force nécessaire sur l'élément mobile (7) de sorte que l'élément mobile (7) peut se déplacer. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'unité d'entraînement (6) est un moteur électrique alors que l'élément mobile (7) est au moins une liaison extensible.The connecting element (4) basically comprises a drive unit (6) and a movable element (7). The drive unit (6) can apply the necessary force to the movable member (7) so that the movable member (7) can move. In the preferred embodiment of the invention, the drive unit (6) is an electric motor while the movable member (7) is at least one extensible link.

Dans le cas dans lequel la chaîne cinématique fermée est utilisée sous la forme d'un mécanisme 3UPS, l'articulation reconfigurable (5) est dans la position non verrouillée, en d'autres termes, elle est libre de tourner autour des axes souhaités (A, B), et se comporte comme une articulation universelle. En outre, la jambe de l'opérateur se comporte comme une liaison centrale du mécanisme, en d'autres termes la cheville de l'opérateur devient un élément du mécanisme. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le mécanisme est un mécanisme 3UPS symétrique où l'articulation universelle (5) et les articulations sphériques sont espacées à 120° le long de la circonférence de la plateforme de base (3) et de la plateforme mobile (2). Lorsqu'il est porté par l'utilisateur, le mécanisme 3UPS fixé à la cheville humaine a deux degrés de liberté (DoF) correspondant à un mouvement couplé de la plateforme mobile (2) par rapport à la plateforme de base (3) fixe. Les longueurs des liaisons extensibles (7) sont actionnées pour régler ces DoF. La plateforme mobile (2) est à une distance z de la plateforme de base (3) et ne possède pas de mouvement de translation transversal par rapport à l'axe vertical à travers la base (2). Même lorsque l'opérateur est complètement passif, le mécanisme 3UPS à deux DoF a trois articulations actionnées ; par conséquent, il s'agit d'un mécanisme redondant. Cette redondance peut être exploitée pour augmenter l'espace du travail effectif du dispositif (1), étant donné que la résolution de singularité devient faisable dans le cas dans lequel le dispositif (1) s'approche des singularités dans l'espace de travail. Dans le cas dans lequel la chaîne cinématique fermée est utilisée en tant que mécanisme 3RPS, l'articulation reconfigurable (5) est dans la position verrouillée, en d'autres termes, le mouvement de rotation de l'articulation (5) autour du second axe (B) est empêché. L'articulation reconfigurable (5) se comporte comme une articulation rotoïde et ses axes de rotation sont orientés le long des tangentes de la plateforme de base (3). La plateforme de base (3) est fixée sur la moitié supérieure du mollet de la jambe par le biais d'une articulation rotoïde passive pour permettre les rotations interne/externe du pied. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le mécanisme est un mécanisme 3RPS symétrique dans lequel les articulations rotoïdes (5) et les articulations sphériques sont espacées à 120° le long de la circonférence de la plateforme de base (3) et de la plateforme mobile (2). Le mécanisme 3RPS a trois DoF correspondant à la hauteur z. Les longueurs des liaisons extensibles (7) sont actionnées pour régler ces DoF. La plateforme mobile (2) possède un mouvement de translation limité transversal par rapport à l'axe vertical passant par la base (3) et aucune singularité pour des valeurs limitées des angles de l'articulation rotoïde. Lorsque la chaîne cinématique fermée est dans le mode 3UPS, le dispositif (1) peut être utilisé en tant que dispositif d'exercice de RoM/de renforcement, alors que lorsqu'il est dans le mode 3RPS, il (1) peut être utilisé en tant que dispositif d'exercice d'équilibre/de proprioception.In the case in which the closed kinematic chain is used in the form of a 3UPS mechanism, the reconfigurable articulation (5) is in the unlocked position, in other words, it is free to rotate about the desired axes ( A, B), and behaves like a universal articulation. In addition, the operator's leg behaves like a central link of the mechanism, in other words the operator's peg becomes an element of the mechanism. In the preferred embodiment of the invention, the mechanism is a symmetrical 3UPS mechanism where the universal joint (5) and the spherical joints are spaced at 120 ° along the circumference of the base platform (3) and the mobile platform (2). When worn by the user, the 3UPS mechanism attached to the human ankle has two degrees of freedom (DoF) corresponding to a coupled movement of the mobile platform (2) relative to the fixed base platform (3). The lengths of the extensible links (7) are actuated to adjust these DoFs. The movable platform (2) is at a distance z from the base platform (3) and has no translational movement transverse to the vertical axis through the base (2). Even when the operator is completely passive, the 3UPS mechanism with two DoFs has three actuated joints; therefore, it is a redundant mechanism. This redundancy can be exploited to increase the effective working space of the device (1), since the singularity resolution becomes feasible in the case in which the device (1) approaches the singularities in the workspace. In the case where the closed kinematic chain is used as a 3RPS mechanism, the reconfigurable hinge (5) is in the locked position, in other words, the rotational movement of the hinge (5) around the second axis (B) is prevented. The reconfigurable articulation (5) behaves like a rotoid joint and its axes of rotation are oriented along the tangents of the base platform (3). The base platform (3) is attached to the upper half of the calf of the leg through a passive rotoid joint to allow internal / external rotation of the foot. In the preferred embodiment of the invention, the mechanism is a symmetric 3RPS mechanism in which the rotoid joints (5) and the spherical joints are spaced at 120 ° along the circumference of the base platform (3) and the mobile platform (2). The 3RPS mechanism has three DoFs corresponding to the height z. The lengths of the extensible links (7) are actuated to adjust these DoFs. The mobile platform (2) has a limited translational movement transverse to the vertical axis passing through the base (3) and no singularity for limited values of the angles of the rotoid joint. When the closed drive train is in the 3UPS mode, the device (1) can be used as a RoM / reinforcement exercise device, whereas when in the 3RPS mode, it can be used (1) as a balance / proprioception exercise device.

Les couplages entre le dispositif d'exosquelette (1) et l'opérateur sont conçus pour être élastiques afin de garantir la sécurité et pour permettre de petits défauts d'alignement d'articulation et les imperfections de modélisation. L'élasticité permet le mouvement relatif du membre humain par rapport au dispositif (1) lorsque la cinématique du dispositif (1) est en conflit en mouvement naturel de la cheville. Dans un mode de réalisation de l'invention, le poids du dispositif (1) est réparti sur le haut de la jambe et la moitié supérieure du mollet en utilisant des sangles serrées autour du genou. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le poids du dispositif (1) peut être réparti sur le corps en suspendant le dispositif (1) à l'épaule de l'opérateur. Le dispositif d'exosquelette (1) comprend en outre une unité de commande (non représentée sur les figures), et au moins deux capteurs (non représentés sur les figures). L'un des capteurs mesure la longueur de l'élément de raccordement (4) alors que le second capteur mesure la quantité de rotation axiale de l'élément d'articulation (5). Les données mesurées des éléments sont traitées par l'unité de contrôle pour calculer la configuration du dispositif (1) et estimer les forces agissant sur ce dernier (1). En particulier, la cinématique avant du dispositif (1) est utilisée pour calculer la configuration de la plateforme mobile (2), alors que la dynamique du dispositif (1) est utilisée avec un observateur de couple de réaction mis en oeuvre par un logiciel afin d'estimer les forces agissant sur ce dernier (1). Pour estimer les paramètres de la cheville, les longueurs de la liaison (7) de la chaîne cinématique doivent être connues conjointement aux axes de rotation des articulations rotoïdes. La détermination des longueurs des os de l'opérateur est relativement simple étant donné que des images radiologiques de la cheville peuvent être étudiées pour obtenir des estimations assez précises. Cependant, la détermination des axes de rotation est un défi étant donné que le mouvement de la cheville dépend de la taille et de l'orientation des os du pied, et de la forme des surfaces articulées. Seules les estimations courantes des axes d'articulation peuvent être obtenues en étudiant les images radiologiques. Des estimations plus précises des axes d'articulation sont souhaitées pour étudier le mouvement de la cheville et de telles estimations sont rendues possibles grâce aux données collectées avec l' exosquelette. Grâce aux bonnes estimations des longueurs d'os, les axes de rotation des articulations rotoïdes de la cheville humaine peuvent être déterminés en donnant l'instruction à l'opérateur de réaliser les mouvements de RoM libres et en collectant les données de position des liaisons extensibles (7) et de préférence de trois capteurs de rotation placés sur l'élément d'articulation (5). Lorsque les données sont disponibles, la cinématique avant du niveau de configuration du mécanisme 3UPS est résolue pour les configurations de la plateforme mobile (2) à chaque instant. Une fois que les configurations du pied sont enregistrées, la cinématique inverse du niveau de configuration du manipulateur RR à deux liaisons avec des axes d'articulation rotoïde inconnus (représentant la cheville humaine) est résolue pour les axes des articulations rotoïdes et la quantité de rotation autour de ces axes. Etant donné les cinématiques avant et inverse du niveau de configuration et de 5 mouvement du système 3UPS-RR couplé (l'exosquelette couplé à la cheville humaine) et aux propriétés dynamiques du dispositif d'exosquelette (1) uniquement, un contrôleur de position robuste avec un observateur de couple de réaction peut être mis en oeuvre afin de caractériser les propriétés dynamiques de la cheville. En particulier, en utilisant un contrôleur de position robuste, le dispositif d'exosquelette (1) peut commander la cheville sur une trajectoire 10 souhaitée, alors que les forces de perturbation dues à la dynamique inconnue de la cheville peuvent être estimées pendant ce mouvement. Lors de la mise en oeuvre du contrôleur, les forces dues à la dynamique connue du dispositif d'exosquelette (1) sont ajoutées au système d'une manière directe pour garantir que la perturbation agissant sur le système est uniquement due à la dynamique inconnue de la cheville. Sous un tel contrôle, les forces 15 commandées par le contrôleur doivent s'opposer à la dynamique non modélisée de la cheville. Par conséquent, les forces d'actionneur peuvent être cartographiées sur les couples d'articulation au niveau de la cheville et en supposant que toutes les autres perturbations sont relativement petites, ces couples fournissent une estimation proche des couples d'articulation véritables dus à la dynamique de la cheville. 20 Le dispositif d'exosquelette (1) peut délivrer des modes d'exercice passif, actif, assisté et résistif. Des tunnels virtuels et des champs de force à l'intérieur de ces tunnels peuvent être mis en oeuvre pour permettre une pratique saine avec assistance ou résistance. Etant donné que le dispositif (1) dans la configuration 3UPS permet tous les mouvements possibles de la cheville sur toute son amplitude, il est possible d'utiliser le 25 dispositif (1) pour des mesures cliniques. Premièrement, le dispositif peut être utilisé pour déterminer l'amplitude articulaire du patient. Lorsque le patient déplace sa cheville, le dispositif peut mesurer et logarithmer l'historique de temps de ce mouvement (la trajectoire). Etant donné l'historique de temps mesuré des mouvements, il est possible de déterminer la rapidité avec laquelle le patient complète un mouvement, la quantité d'erreur impliquée par 30 rapport à une trajectoire de référence et la façon dont ces mouvements sont réguliers/intermittents. Etant donné que la cinématique du dispositif (1) est connue, il est également possible de cartographier les changements de configuration mesurés par rapport aux rotations de l'articulation de la cheville. Cette capacité permet de mesurer l'orientation, la vitesse et la régularité des mouvements de l'articulation de la cheville. La coordination et les synergies des mouvements de l'articulation peuvent également être détectées à partir de ces mesures. Comme expliqué ci-dessus, en utilisant un contrôleur de position robuste et en commandant un dispositif d'exosquelette (1) pour tracer une trajectoire souhaitée, les forces de perturbation dues à la dynamique inconnue de la cheville peuvent être estimées pendant ce mouvement. Ces forces peuvent également être cartographiées par rapport aux couples de l'articulation au niveau de la cheville en utilisant la cinématique de la cheville. Cette technique de mesure peut être utilisée pour déterminer les couples d'articulation maximums que le patient peut exercer en fonction de l'impédance et de la tonicité de la cheville du patient, dans n'importe quelle configuration de la cheville. En particulier, si les gains du contrôleur de position robuste sont déterminés pour rester à une configuration de référence, et que le patient soit appelé à appliquer un couple maximum sur ses articulations de cheville, alors les forces de perturbation agissant sur le contrôleur peuvent être cartographiées par rapport aux couples d'articulation pour estimer les couples de l'articulation de la cheville humaine autour des axes appropriés. Finalement, selon une trajectoire de référence pré-spécifiée pour le contrôleur de position robuste, les couples d'articulation peuvent être estimés à chaque instant et la relation entre la rotation de l'articulation et les couples d'articulation peut être utilisée pour estimer l'impédance et/ou la tonicité de la cheville.The couplings between the exoskeleton device (1) and the operator are designed to be resilient to ensure safety and to allow for small articulation misalignments and modeling imperfections. The elasticity allows the relative movement of the human limb relative to the device (1) when the kinematics of the device (1) is in conflict in natural movement of the ankle. In one embodiment of the invention, the weight of the device (1) is distributed over the upper leg and the upper half of the calf using tight straps around the knee. In another embodiment of the invention, the weight of the device (1) can be distributed over the body by suspending the device (1) at the operator's shoulder. The exoskeleton device (1) further comprises a control unit (not shown in the figures), and at least two sensors (not shown in the figures). One of the sensors measures the length of the connecting element (4) while the second sensor measures the amount of axial rotation of the articulation element (5). The measured data of the elements are processed by the control unit to calculate the configuration of the device (1) and to estimate the forces acting on the latter (1). In particular, the forward kinematics of the device (1) is used to calculate the configuration of the mobile platform (2), while the dynamics of the device (1) is used with a reaction torque observer implemented by software to to estimate the forces acting on it (1). To estimate the parameters of the ankle, the lengths of the link (7) of the kinematic chain must be known jointly to the axes of rotation of the rotoid joints. The determination of the lengths of the operator's bones is relatively simple since radiographic images of the ankle can be studied to obtain fairly accurate estimates. However, the determination of the rotation axes is a challenge since the movement of the ankle depends on the size and orientation of the bones of the foot, and the shape of the articulated surfaces. Only current estimates of axes of articulation can be obtained by studying radiological images. More accurate estimates of the axes of articulation are desired to study ankle movement and such estimates are made possible by the data collected with the exoskeleton. With good estimates of bone lengths, rotational axes of the roto joints of the human ankle can be determined by instructing the operator to perform free RoM motions and collecting positional data of extensible links. (7) and preferably three rotation sensors placed on the hinge element (5). When data is available, the forward kinematics of the 3UPS configuration level is resolved for the configurations of the mobile platform (2) at each instant. Once the foot configurations are recorded, the inverse kinematics of the configuration level of the two-link RR manipulator with unknown rotoid axes (representing the human ankle) is resolved for the axes of the rotoid joints and the amount of rotation. around these axes. Given the forward and reverse kinematics of the configuration and motion level of the coupled 3UPS-RR system (the exoskeleton coupled to the human ankle) and the dynamic properties of the exoskeleton device (1) only, a robust position controller with a reaction torque observer can be implemented to characterize the dynamic properties of the ankle. In particular, by using a robust position controller, the exoskeleton device (1) can control the dowel on a desired trajectory, while the disturbance forces due to the unknown dynamics of the dowel can be estimated during this movement. When implementing the controller, the forces due to the known dynamics of the exoskeleton device (1) are added to the system in a direct manner to ensure that the disturbance acting on the system is solely due to the unknown dynamics of the system. ankle. Under such control, the forces controlled by the controller must oppose the unmodelled dynamics of the ankle. Therefore, the actuator forces can be mapped to the hinge pairs at the ankle and assuming that all other disturbances are relatively small, these couples provide an estimate close to the actual hinge moments due to the dynamic range. ankle. The exoskeleton device (1) can deliver passive, active, assisted, and resistive modes of exercise. Virtual tunnels and force fields inside these tunnels can be implemented to allow healthy practice with assistance or resistance. Since the device (1) in the 3UPS configuration allows all possible movements of the ankle throughout its amplitude, it is possible to use the device (1) for clinical measurements. First, the device can be used to determine the range of motion of the patient. When the patient moves his ankle, the device can measure and log the time history of this movement (the trajectory). Given the measured time history of the movements, it is possible to determine the speed with which the patient completes a motion, the amount of error involved with respect to a reference trajectory and the manner in which these movements are regular / intermittent. . Since the kinematics of the device (1) is known, it is also possible to map the measured configuration changes with respect to rotations of the ankle joint. This ability makes it possible to measure the orientation, the speed and the regularity of the movements of the ankle joint. The coordination and the synergies of the movements of the joint can also be detected from these measurements. As explained above, by using a robust position controller and controlling an exoskeleton device (1) to draw a desired path, the disturbance forces due to the unknown dynamics of the ankle can be estimated during this motion. These forces can also be mapped to ankle joint torques using ankle kinematics. This measurement technique can be used to determine the maximum hinge moments that the patient can exert depending on the impedance and tone of the patient's ankle, in any ankle configuration. In particular, if the gains of the robust position controller are determined to remain at a reference configuration, and the patient is called upon to apply maximum torque on his ankle joints, then the disturbance forces acting on the controller can be mapped. relative to the articulation torques to estimate the couples of the human ankle joint around the appropriate axes. Finally, according to a pre-specified reference path for the robust position controller, articulation torques can be estimated at each instant and the relationship between articulation rotation and articulation torques can be used to estimate impedance and / or tonicity of the ankle.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'exosquelette de mesure et de thérapie non mis à la terre, portable et reconfigurable pour la thérapie de la cheville peut être combiné avec des jeux de réalité virtuelle. La description de l'invention est purement exemplaire et ainsi, les variantes qui ne s'éloignent pas de l'essentiel de l'invention doivent être prévues comme se trouvant dans la portée de l'invention. De telles variantes ne doivent pas être considérées comme un éloignement de l'esprit ni de la portée de l'invention.In another embodiment of the invention, the non-grounded, portable and reconfigurable measurement and therapy exoskeleton device for ankle therapy can be combined with virtual reality games. The description of the invention is purely exemplary and thus, variants which do not depart from the essence of the invention should be provided as being within the scope of the invention. Such variations should not be considered as a departure from the spirit and scope of the invention.

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Claims (10)

REVENDICATIONS1. Dispositif (1) d'exosquelette de mesure et de thérapie, portable et reconfigurable. pour cheville, qui peut supporter deux types d'exercices différeras, c'est-à- dire les exercices de RoM/de renforcement et les exercices d'équilibre/de proprioception indépendamment les uns des autres, comprenant : une plateforme de base (3) qui fait face à la jambe de l'opérateur, une plateforme mobile (2) qui fait face au pied de l'opérateur, un élément de raccordement (4) qui raccorde la plateforme de base (3) et la plateforme mobile (2), un élément d'articulation (5) qui raccorde l'élément de raccordement (4) à la plateforme de base (3).REVENDICATIONS1. Measuring and therapy exoskeleton device (1), portable and reconfigurable. for ankle, which can support two different types of exercises, that is, RoM / reinforcement exercises and balance / proprioception exercises independently of each other, including: a basic platform (3 ) which faces the operator's leg, a mobile platform (2) facing the operator's foot, a connecting element (4) which connects the base platform (3) and the mobile platform (2) ), a hinge member (5) which connects the connecting member (4) to the base platform (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'articulation est une articulation reconfigurable qui, dans une position non verrouillée, peut tourner librement autour d'un premier axe (A) et d'un second axe (B), dans lequel le premier axe (A) est tangentiel à la plateforme de base (3) et le second axe (B) est perpendiculaire à la plateforme de base (3).2. Device according to claim 1, characterized in that the hinge element is a reconfigurable hinge which, in an unlocked position, can rotate freely about a first axis (A) and a second axis (B ), wherein the first axis (A) is tangential to the base platform (3) and the second axis (B) is perpendicular to the base platform (3). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans une position non verrouillée de l'articulation reconfigurable, deux articulations rotoïdes en série, à savoir une articulation supérieure de la cheville et une articulation astragalocalcanéenne, fonctionnent comme une articulation universelle tournant autour desdits premier et second axes.3. Device according to claim 2, characterized in that, in an unlocked position of the reconfigurable joint, two rotoid joints in series, namely an upper articulation of the ankle and an astragalocalcanean articulation, function as a universal joint rotating around said first and second axes. 4. Dispositif d'exosquelette de mesure et de thérapie pour cheville selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lorsque le second axe (B) est verrouillé, l'articulation reconfigurable est contrainte de fonctionner comme une articulation rotoïde, qui est libre de tourner uniquement autour du premier axe (A). - 30Anchor measurement and therapy exoskeleton device according to claim 2, characterized in that, when the second axis (B) is locked, the reconfigurable joint is constrained to function as a rotoid joint, which is free of turn only around the first axis (A). - 30 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de raccordement (4) comprend une unité d'entraînement (6) et un élément mobile (7).SR 54396 TM 145. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the connecting element (4) comprises a drive unit (6) and a movable element (7) .SR 54396 TM 14 6. Dispositif d'exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une unité de contrôle et au moins deux capteurs.An exoskeleton device according to any one of the preceding claims, further comprising a control unit and at least two sensors. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre deux capteurs, l'un des capteurs mesurant la longueur de l'élément de raccordement (4), l'autre capteur mesurant la quantité de rotation axiale de l'élément d'articulation (5), et une unité de commande qui traite les données mesurées.7. Device according to any one of the preceding claims, further comprising two sensors, one of the sensors measuring the length of the connecting element (4), the other sensor measuring the amount of axial rotation of the element. hinge (5), and a control unit which processes the measured data. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant 10 en outre un contrôleur de position robuste avec des observateurs de couple.Apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising a robust position controller with torque monitors. 9. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour réaliser des mesures cliniques. 159. Use of a device according to any one of the preceding claims for carrying out clinical measurements. 15 10. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif mesure la configuration de l'articulation, la vitesse du mouvement, la trajectoire, l'erreur de trajectoire, la régularité du mouvement, l'amplitude articulaire, la coordination et les synergies, les couples d'articulation maximums, les couples d'articulation tout en traçant n'importe quelle trajectoire, la tonicité et l'impédance de la cheville. 2010. Use according to the preceding claim, characterized in that the device measures the configuration of the joint, the speed of movement, the trajectory, the error of trajectory, the regularity of movement, the range of motion, the coordination and the synergies, maximum articulation torque, articulation torque while tracing any trajectory, tonicity and impedance of the ankle. 20
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